Skip to main content
Global

17.2: ייצור חשמל באמצעות אנרגיה גרעינית

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    209281

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מחזור הדלק הגרעיני

    יש לכרות, לטחון ולהעשיר עפרות אורניום כדי לייצר דלק גרעיני. מחזור הדלק הגרעיני מייצג את התקדמות הדלק הגרעיני מיצירה לסילוק (איור\(\PageIndex{a}\)). השלב הראשון במחזור הדלק הגרעיני הוא התאוששות אורניום, בה מכרות עפרות אורניום. לאחר מכן הוא טוחן כדי לייצר עוגה צהובה (ריכוז עפרות אורניום/תחמוצת אורניום/U 3 O 8). כרסום מפריד את האורניום משאר חלקי העפרות. כל טון עפרות אורניום ממוקש מניב בדרך כלל 1-4 פאונד של עוגה צהובה (0.05% עד 0.20% עוגה צהובה). לאחר מכן, תרכיז עפרות האורניום הופך לאורניום הקספלואוריד (UF 6). לאחר מכן הוא מועשר כדי להגדיל את הריכוז של אורניום 235 (235 U) ביחס 238 U. במהלך ייצור הדלק, UF 6 טבעי מועשר הופך אורניום דו חמצני (UO 2) או סגסוגות מתכת אורניום לשימוש כדלק עבור תחנות כוח גרעיניות. סילוק מוטות דלק שהוצאו ופסולת מסוכנת אחרת הנוצרת בתהליך זה נדונים בהשלכות האנרגיה הגרעינית.

    חצים וסמלים מייצגים את שלבי מחזור הדלק הגרעיני
    איור\(\PageIndex{a}\): מחזור הדלק הגרעיני מתחיל בהתאוששות (כרייה) של אורניום טבעי, ואחריו כרסום, המרה והעשרה. האורניום המועשר עובר אז ייצור דלק, מייצר אורניום דו חמצני (UO 2) או סגסוגות מתכת אורניום (MOX). לאחר מכן הדלק עובר לכור גרעיני בתחנת הכוח. מוטות דלק שהוצאו מאוחסנים בבריכה או בחבית יבשה, עשויים להיות מעובדים מחדש ונשלחים לסילוק. אורניום מעובד מחדש יכול להיכנס מחדש לשלבים מוקדמים יותר של מחזור הדלק. פסולת המיוצרת במהלך העשרה עוברת פירוק לפני סילוק. תמונה על ידי ארה"ב NRC (נחלת הכלל)

    כורים גרעיניים

    הדלק, שנמצא כעת בצורת כדורי קרמיקה גליליים, נאטם אז לצינורות מתכת ארוכים הנקראים מוטות דלק, המורכבים בליבות כור יחד עם מוטות בקרה. כל גלולה דלק, אשר כ 1 ס"מ אורך, מאחסן את אותה כמות של אנרגיה כמו טון של פחם. אלפי מוטות דלק מהווים את ליבת הכור, אתר הביקוע הגרעיני בתחנת כוח גרעינית (איור\(\PageIndex{b}\)).

    צינורות מתכת גליליים מבריקים מסודרים במלבן תלת ממדי
    איור\(\PageIndex{b}\): מכלול של מוטות דלק המכילים כדורי דלק גרעיני. תמונה על ידי נציבות האנרגיות האלטרנטיביות והאנרגיה האטומית, צרפת (נחלת הכלל)

    חום מיוצר בכור גרעיני כאשר נויטרונים פוגעים באטומי אורניום, וגורמים להם להתפצל בתגובת שרשרת רציפה המשחררת אנרגיית חום (איור\(\PageIndex{c}\)). באופן ספציפי, ביקוע של 235 U, משחרר נויטרונים נוספים, הגורמים לאחר מכן לביקוע של גרעיני 235 U סמוכים. עם זאת, אם ביקוע מתרחש ביותר מדי אטומים בו זמנית, משתחררת יותר מדי אנרגיה שעלולה לגרום לפיצוץ או להתמוטטות. זה מונע על ידי מוטות בקרה, העשויים מחומר כמו בורון הסופג עודפי נויטרונים המשתחררים בביקוע גרעיני. כאשר מוטות הבקרה הסופגים נויטרונים נשלפים מהליבה, יותר נויטרונים הופכים לזמינים לביקוע, ותגובת השרשרת מואצת ומייצרת יותר חום. כאשר הם מוחדרים לליבה, פחות נויטרונים זמינים לביקוע, ותגובת השרשרת מאטה או נעצרת, ומפחיתה את החום שנוצר.

    ביקוע של אורניום -235 נגרם על ידי נויטרון, הגורם לתגובת שרשרת
    איור\(\PageIndex{c}\): תרשים סכמטי של תגובת שרשרת ביקוע. (1) אטום אורניום-235 סופג נויטרון, ומתבקע לשני אטומים חדשים (שברי ביקוע), ומשחרר שלושה נויטרונים ואנרגיה חדשים. (2) אחד מאותם נויטרונים נספג באטום של אורניום -238, ואינו ממשיך את התגובה. נויטרון אחר פשוט אבוד ואינו מתנגש בשום דבר, גם לא ממשיך את התגובה. עם זאת, נויטרון אחד אכן מתנגש באטום של אורניום-235, אשר לאחר מכן ביקוע ומשחרר שני נויטרונים וקצת אנרגיה מחייבת. (3) שני הנויטרונים הללו מתנגשים באטומי אורניום -235, שכל אחד מהם ביקוע ומשחרר בין נייטרון אחד לשלושה, וכן הלאה. תמונה וכיתוב (שונה) על ידי Fastfission (נחלת הכלל).

    כורים גרעיניים (איור\(\PageIndex{d}\)) מכילים את ליבת הכור ואת המכונות הדרושות לייצור חשמל מהחום המשתחרר. ליבת הכור שקועה במים. בנוסף להעברת אנרגיית חום, המים משמשים גם להאטה, או "למתן" את הנויטרונים הנחוצים לקיום תגובות הביקוע. בסופו של דבר, אנרגיית החום משמשת לייצור קיטור בלחץ גבוה, שהופך טורבינה לייצור חשמל. המנגנון דומה לזה של חשמל שנוצר מפחם או גז טבעי, אך ביקוע גרעיני ולא בעירה של פחם הוא מקור אנרגיית החום.

    קטע של תחנת כוח גרעינית עם חמישה שלבים שכותרתו
    איור\(\PageIndex{d}\): (1) בכור גרעיני, מוטות דלק מלאים בכדורי אורניום מונחים במים. (2) בתוך מוטות הדלק, אטומי האורניום מתפצלים ומשחררים אנרגיה. (3) אנרגיה זו מחממת מים ויוצרת קיטור. (4) הקיטור נע דרך טורבינה, שהופכת גנרטור ליצירת חשמל. (5) במעבה, האדים מתקררים בחזרה למים, ואז ניתן להשתמש בהם שוב. בכמה תחנות כוח גרעיניות משתחרר חום נוסף ממגדל קירור. תמונה וכיתוב (שונה) על ידי EPA (נחלת הכלל).

    ישנם שני סוגים עיקריים של כורים גרעיניים: כורי מים בלחץ וכורי מים רותחים.

    כור מים בלחץ

    בכור מים בלחץ ישנם שלושה זרמי מים נפרדים: המים במגע עם ליבת הכור, המים המייצרים אדים ומי הקירור (איור\(\PageIndex{e}\)). ליבת הכור שקועה במים, המוחזקת על ידי כלי פלדה. זה מוקף במבנה בלימה. כאשר תגובת הביקוע הגרעיני מחממת את המים המקיפים אותה, המים נשאבים בזרם מחזורי. הוא מעביר חום לזרם המים השני שנמצא בכלי נפרד. זרם שני זה נשמר בלחץ נמוך יותר, ומאפשר למים לרתוח וליצור קיטור הקיטור הופך טורבינה, מייצר חשמל. לאחר מכן מקוררים את האדים במעבה על ידי זרם נפרד של מי קירור. מכיוון שמים מליבת הכור אינם מתערבבים עם חלקים אחרים של הכור, לא כל הכור הוא רדיואקטיבי.

    כור מים בלחץ מכיל ליבת כור, שלושה זרמי מים, טורבינה, דור ומעבה
    איור\(\PageIndex{e}\): ישנם שלושה זרמי מים נפרדים בכור מים בלחץ. הזרם הראשון קשור לליבת הכור בכלי הלחץ של הכור. הזרם השני קשור למחולל הקיטור. הזרם השלישי הוא ממקור חיצוני ומשמש לעיבוי האדים. כלי לחץ הכור מכיל מוטות בקרה ומוטות דלק (לא מסומנים). מיכל הלחץ מווסת את לחץ המים. מים חמים מהכור עוברים לגנרטור הקיטור, שם הם מחממים מים בזרם השני לייצור אדים. קיטור ממחולל הקיטור נע דרך קו הקיטור והופך טורבינה, מפעיל את הגנרטור החשמלי. אדים מתקררים במעבה, והמים המקוררים נשאבים חזרה למחולל הקיטור. כלי הלחץ של הכור, מיכל הלחץ ומחולל הקיטור נמצאים כולם במבנה בלימה. מים ממקור חיצוני משמשים לקירור אדים במעבה. המים מהמקור החיצוני מתקררים במגדל הקירור בצורת חרוט. תמונה מאת משרד האנרגיה הגרעינית/ משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

    כור מים רותחים

    בכור מים רותחים ישנם שני זרמי מים נפרדים: המים במגע עם ליבת הכור ומי הקירור (איור\(\PageIndex{f}\)). ליבת הכור מחממת את המים בהם הם שקועים. מים אלה מוחזקים על ידי כלי פלדה המוקף במבנה בלימה. הקיטור המיוצר כאשר ליבת הכור מחממת מים הופך טורבינה, המייצרת חשמל. לאחר מכן מקוררים את האדים במעבה על ידי זרם נפרד של מי קירור. מכיוון שמים מליבת הכור באים במגע עם כל חלקי הכור, כל העניין הוא רדיואקטיבי.

    כור מים רותחים מכיל ליבת כור, שני זרמי מים, טורבינה, דור ומעבה
    איור\(\PageIndex{f}\): לכור מים רותחים יש שני זרמי מים. בזרם הראשון, אותם מים המרחצים את ליבת הכור בכלי הלחץ של הכור והופכים לאדים והופכים טורבינה. הזרם השלישי הוא ממקור חיצוני ומשמש לעיבוי האדים. כלי לחץ הכור מכיל מוטות בקרה ומוטות דלק (לא מסומנים). זה נמצא בתוך מבנה בלימה גדול יותר. כאשר המים מחוממים על ידי הכור, הם מתאדים לאדים. זה נע דרך קו הקיטור והופך טורבינה, מפעיל את הגנרטור החשמלי. אדים מתקררים במעבה, והמים המקוררים נשאבים חזרה לכלי הלחץ של הכור. מים ממקור חיצוני משמשים לקירור אדים במעבה. המים מהמקור החיצוני מתקררים במגדל הקירור בצורת חרוט. תמונה מאת משרד האנרגיה הגרעינית/ משרד האנרגיה האמריקאי (נחלת הכלל).

    ייחוס

    שונה על ידי מליסה הא מהמקורות הבאים: