17.2: Kuzalisha umeme na Nishati ya nyuklia

mzunguko wa mafuta ya nyuklia

Oranium ore lazima kuchimbwa, milled, na utajiri kuzalisha mafuta ya nyuklia. Mzunguko wa mafuta ya nyuklia unawakilisha maendeleo ya mafuta ya nyuklia kutoka kwa uumbaji hadi ovyo (takwimu\(\PageIndex{a}\)). Hatua ya kwanza ya mzunguko wa mafuta ya nyuklia ni uranium ahueni, ambayo madini ya uranium hupigwa. Ni kisha milled kuzalisha yellowcake (uranium ore kujilimbikizi/uranium oxide/u ₃ O ₈). Milling hutenganisha uranium kutoka sehemu nyingine za madini. Kila tani ya madini ya uranium iliyochimbwa kawaida huzaa paundi 1-4 za yellowcake (0.05% hadi 0.20% yellowcake). Kisha, makini ya madini ya uranium hubadilishwa kuwa hexafluoride ya uranium (UF ₆). Ni kisha utajiri kuongeza mkusanyiko wa uranium-235 (²³⁵ U) jamaa na ²³⁸ U. wakati wa utengenezaji wa mafuta, asili na utajiri UF ₆ inabadilishwa kuwa uranium dioxide (UO ₂) au aloi ya chuma ya uranium kwa ajili ya matumizi kama mafuta kwa ajili ya mitambo ya nyuklia. Ovyo ya fimbo alitumia mafuta na taka nyingine madhara yanayotokana katika mchakato huu ni kujadiliwa katika Matokeo ya Nishati ya nyuklia.

Kielelezo\(\PageIndex{a}\): Mzunguko wa mafuta ya nyuklia huanza na kuokoa (madini) ya uranium ya asili, ikifuatiwa na kusaga, uongofu, na utajiri. Uranium yenye utajiri kisha hupata utengenezaji wa mafuta, huzalisha dioksidi ya uranium (UO ₂) au aloi za chuma za uranium (MOX) Mafuta kisha huenda kwenye mtambo wa nyuklia kwenye mmea wa nguvu. Vipande vya mafuta vilivyotumiwa vimehifadhiwa kwenye bwawa au cask kavu, inayoweza kurekebishwa, na kutumwa kwa ovyo. Uranium iliyosafishwa inaweza kuingia tena hatua za awali za mzunguko wa mafuta. Vyombo vinavyotengenezwa wakati wa utajiri hupata uharibifu kabla ya kutoweka. Picha na Marekani NRC (uwanja wa umma)

Mitambo ya nyuklia

Mafuta, ambayo sasa ni katika mfumo wa pellets ya kauri ya cylindrical, kisha muhuri ndani ya zilizopo za chuma za muda mrefu zinazoitwa fimbo za mafuta, ambazo zimekusanyika katika vipande vya reactor pamoja na viboko vya kudhibiti. Kila pellet ya mafuta, ambayo ni urefu wa 1 cm, huhifadhi kiasi sawa cha nishati kama tani ya makaa ya mawe. Maelfu ya viboko vya mafuta huunda msingi wa reactor, tovuti ya fission ya nyuklia katika mmea wa nyuklia (takwimu\(\PageIndex{b}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{b}\): Mkutano wa viboko vya mafuta vyenye pellets ya mafuta ya nyuklia. Picha na Nishati Mbadala na Tume ya Nishati Atomiki, Ufaransa (uwanja wa umma)

Joto huzalishwa katika reactor ya nyuklia wakati nyutroni inapopiga atomi za uranium, na kusababisha kugawanyika katika mmenyuko unaoendelea wa mnyororo ambao hutoa nishati ya joto (takwimu\(\PageIndex{c}\)). Hasa, fission ya ²³⁵ U, hutoa neutroni za ziada, ambazo husababisha fission ya karibu ²³⁵ U nuclei. Hata hivyo, ikiwa fission hutokea katika atomi nyingi wakati huo huo, nishati nyingi hutolewa, ambayo inaweza kusababisha mlipuko au mgogoro. Hii inazuiwa na viboko vya kudhibiti, ambavyo hutengenezwa kwa nyenzo kama vile boroni ambayo inachukua nyutroni nyingi zinazotolewa katika fission ya nyuklia. Wakati viboko vya kudhibiti nyutroni-absorbing vinatolewa nje ya msingi, nyutroni zaidi hupatikana kwa fission, na mmenyuko wa mnyororo huongezeka, huzalisha joto zaidi. Wakati wa kuingizwa ndani ya msingi, nyutroni chache zinapatikana kwa fission, na mmenyuko wa mnyororo hupungua au kuacha, kupunguza joto linalozalishwa.

Kielelezo\(\PageIndex{c}\): Mchoro wa mchoro wa mmenyuko wa mnyororo wa fission. (1) atomi ya uranium-235 inachukua neutroni, na fissions ndani ya atomi mbili mpya (vipande vya fission), ikitoa neutroni tatu mpya na nishati. (2) Mojawapo ya nyutroni hizo huingizwa na atomi ya uranium-238, na hauendelei majibu. Neutroni nyingine imepotea tu na haipatikani na chochote, pia haiendelei majibu. Hata hivyo neutroni moja inagongana na atomu ya uranium-235, ambayo kisha fissions na kutoa nyutroni mbili na nishati fulani ya kisheria. (3) Nutroni hizo zote mbili zinagongana na atomi za uranium-235, kila moja ambayo fission na kutolewa kati ya neutroni moja na tatu, na kadhalika. Picha na maelezo (yamebadilishwa) na Fastfission (uwanja wa umma).

Mitambo ya nyuklia (takwimu\(\PageIndex{d}\)) yana msingi wa reactor na mashine zinazohitajika kuzalisha umeme kutokana na joto iliyotolewa. Msingi wa reactor umejaa ndani ya maji. Mbali na kuhamisha nishati ya joto, maji pia hutumikia kupunguza kasi, au “wastani” neutroni ambayo ni muhimu kwa kudumisha athari za fission. Hatimaye, nishati ya joto hutumiwa kuzalisha mvuke ya shinikizo, ambayo hugeuka turbine ili kuzalisha umeme. Utaratibu huo ni sawa na ule wa umeme wa makaa ya mawe au gesi asilia, lakini fission ya nyuklia badala ya mwako wa makaa ya mawe ni chanzo cha nishati ya joto.

Kielelezo\(\PageIndex{d}\): (1) Katika reactor ya nyuklia, fimbo za mafuta zilizojaa pellets za uranium huwekwa ndani ya maji. (2) Ndani ya viboko vya mafuta, atomi za uranium zinagawanyika, ikitoa nishati. (3) Nishati hii inapunguza maji, na kujenga mvuke. (4) Mvuke huenda kupitia turbine, ambayo hugeuka jenereta ili kujenga umeme. (5) Katika condensor, mvuke cools nyuma ndani ya maji, ambayo inaweza kisha kutumika tena. Katika baadhi ya mimea ya nyuklia, joto la ziada hutolewa kutoka mnara wa baridi. Picha na maelezo (yamebadilishwa) na EPA (uwanja wa umma).

Kuna aina mbili kuu za mitambo ya nyuklia: mitambo ya maji yenye shinikizo na mitambo ya maji ya moto.

Maji ya shinikizo Reactor

Katika reactor ya maji yenye shinikizo, kuna mito mitatu tofauti ya maji: maji yanayowasiliana na msingi wa reactor, maji yanayotengeneza mvuke, na maji ya baridi (takwimu\(\PageIndex{e}\)). Msingi wa reactor umejaa ndani ya maji, ambayo hufanyika na chombo cha chuma. Hii imezungukwa na muundo wa containment. Kama mmenyuko wa nyuklia wa nyuklia unapunguza maji yanayozunguka, maji hupigwa katika mkondo wa mzunguko. Inahamisha joto kwenye mkondo wa pili wa maji, ulio katika chombo tofauti. Mkondo huu wa pili unahifadhiwa kwa shinikizo la chini, kuruhusu maji kuchemsha na kuunda mvuke Mvuke hugeuka turbine, inayozalisha umeme. Mvuke basi umepozwa katika condenser na mkondo tofauti wa maji ya baridi. Kwa sababu maji kutoka msingi wa reactor haichanganyiki na sehemu nyingine za reactor, sio reactor yote ni mionzi.

Kielelezo\(\PageIndex{e}\): Kuna mito mitatu tofauti ya maji katika reactor ya maji yenye shinikizo. Mkondo wa kwanza unahusishwa na msingi wa reactor katika chombo cha shinikizo la reactor. Mkondo wa pili unahusishwa na jenereta ya mvuke. Mkondo wa tatu unatoka chanzo cha nje na hutumiwa kuimarisha mvuke. Chombo cha shinikizo la reactor kina viboko vya kudhibiti na viboko vya mafuta (sio kinachoitwa). Tank ya shinikizo inasimamia shinikizo la maji. Maji ya moto kutoka kwenye reactor huenda kwenye jenereta ya mvuke, ambako inapunguza maji katika mkondo wa pili ili kuzalisha mvuke. Steam kutoka jenereta ya mvuke huenda kupitia mstari wa mvuke na hugeuka turbine, kuimarisha jenereta ya umeme. Steam hupanda kwenye condenser, na maji kilichopozwa hupigwa tena kwenye jenereta ya mvuke. Chombo cha shinikizo la reactor, tank ya shinikizo, na jenereta ya mvuke ni wote katika muundo wa containment. Maji kutoka chanzo cha nje hutumiwa kuimarisha mvuke katika condenser. Maji kutoka chanzo cha nje hupanda kwenye mnara wa baridi wa koni. Picha na Ofisi ya Nishati ya nyuklia/Idara ya Nishati ya Marekani (uwanja wa umma).

kuchemsha maji Reactor

Katika reactor ya maji ya moto, kuna mito miwili tofauti ya maji: maji katika kuwasiliana na msingi wa reactor na maji ya baridi (takwimu\(\PageIndex{f}\)). Msingi wa reactor hupunguza maji ambayo imejaa. Maji haya yanashikiliwa na chombo cha chuma ambacho kinazungukwa na muundo wa containment. Mvuke unaozalishwa kama msingi wa reactor hupunguza maji hugeuka turbine, ambayo huzalisha umeme. Mvuke basi umepozwa katika condenser na mkondo tofauti wa maji ya baridi. Kwa sababu maji kutoka msingi wa reactor huwasiliana na sehemu zote za reactor, jambo zima ni mionzi.

Kielelezo\(\PageIndex{f}\): Reactor ya maji ya moto ina mito miwili ya maji. Katika mkondo wa kwanza, maji sawa ambayo hupanda msingi wa reactor katika chombo cha shinikizo la reactor na hugeuka kwa mvuke na hugeuka turbine. Mkondo wa tatu unatoka chanzo cha nje na hutumiwa kuimarisha mvuke. Chombo cha shinikizo la reactor kina viboko vya kudhibiti na viboko vya mafuta (sio kinachoitwa). Ni ndani ya muundo mkubwa wa containment. Wakati maji yanapokanzwa na reactor, hupuka kwa mvuke. Hii inakwenda kupitia mstari wa mvuke na inarudi turbine, ikitumia jenereta ya umeme. Steam hupanda kwenye condenser, na maji kilichopozwa hupigwa tena kwenye chombo cha shinikizo la reactor. Maji kutoka chanzo cha nje hutumiwa kuimarisha mvuke katika condenser. Maji kutoka chanzo cha nje hupanda kwenye mnara wa baridi wa koni. Picha na Ofisi ya Nishati ya nyuklia/Idara ya Nishati ya Marekani (uwanja wa umma).

Attribution

Ilibadilishwa na Melissa Ha kutoka vyanzo vifuatavyo:

• Vyanzo vya Nishati zisizo mbadala kutoka AP Sayansi ya Mazingira na Chuo Kikuu cha California College Prep Pakua kwa bure kwenye CNX.
• Hatua za Mzunguko wa Mafuta ya nyuklia. 2020. US. NRC. Ilipatikana 01-16-2021 (uwanja wa umma).
• Nuclear alielezea: mzunguko wa mafuta ya nyuklia. 2020. Marekani Nishati Habari Utawala. Ilipatikana 01-16-2021 (uwanja wa umma).