Wbrew pozorom, działanie elektrowni atomowej nie jest bardziej skomplikowane od działania elektrowni opalanej węglem. Główna różnica pomiędzy tymi dwoma typami elektrowni polega na sposobie wytworzenia ciepła. W elektrowni węglowej ciepło powstaje w wyniku spalenia węgla, natomiast w elektrowni jądrowej – ciepło to produkt rozszczepienia jąder uranu zachodzącego w reaktorze.
Rozszczepienie to reakcja, która polega na przemianie jednego jądra w dwa (czasem więcej) innne jądra, o mniejszej liczbie atomowej. Kluczowy jest fakt, że masa powstałych fragmentów jest mniejsza niż pierwotna masa jądra. Masa, która pozornie „zniknęła” została zamieniona w energię, zgodnie ze znanym wzorem Einsteina E=mc^2.
Jak dochodzi do tej reakcji? Gdy atomy uranu, składające się z jądra i krążących wokół niego elektronów zostaną bombardowane neutronami, jądro uranu zostaje wprowadzone w stan wzbudzony. Protony (czyli cząstki o ładunku dodatnim), które się od siebie odpychają, znajdujące się w jego jądrze z trudem są utrzymywane przez siły jądrowe.
Do rozbicia takiego jądra wystarczy niewielka energia padającego neutronu. Podczas rozszczepienia jąder atomowych uranu wyzwalana jest energia dziesiątki milionów razy większa niż przy reakcjach chemicznych. Energia powstała w wyniku reakcji rozszczepienia podgrzewa wodę, zamieniając ją w parę wodną, a ta porusza turbiny napędzające generatory.Poniżej uproszczony schemat elektrowni jądrowej z reaktorem PWR – obecnie najczęściej stosowanym:
Źródło: Wikipedia Rys. English Wikipedia Animated Diagram of a Pressurized Water Reactor.
W reaktorze zachodzi reakcja rozszczepienia, która uwalnia ogromne ilości energii cieplnej. W obiegu pierwotnym płynie woda odbierająca ciepło, powstałe w reaktorze. Woda z obiegu pierwotnego przenosi ciepło do wytwornicy pary. Tam powstaje para wodna, która obiegiem wtórnym jest transportowana do turbiny. Para napędza turbinę, a ta generator energii. W generatorze energia mechaniczna turbiny jest zamieniana na energię elektryczną. W kondenserze para napływająca z turbiny się ochładza. Para jest zamieniana na wodę, która wraca do reaktora. Trzecim obiegiem płynie woda chłodząca, która w kondenserze odbiera ciepło od pary wodnej. W wieży chłodniczej przy pomocy powietrza ochładza się woda z trzeciego obiegu. Do atmosfery z wieży chłodniczej wydostaje się czysta para wodna.
Rodzaje reaktorów
Podstawowy podział reaktorów jądrowych, ze względu na ich konstrukcję to:
- reaktory zbiornikowe, w których rdzeń jest zamknięty w stalowym, grubościennym zbiorniku:
- Reaktor wodno-ciśnieniowy PWR (Pressurized Water Reactor) – w tym reaktorze moderatorem (czyli substancją służącą do spowalniania neutronów) jest zwykła woda pod ciśnieniem 15 MPa. Woda stanowi również chłodziwo. Te reaktory są bezpieczne i najbardziej rozpowszechnione. Ok. 65% energii wytwarzanej w elektrowniach jądrowych, powstaje w reaktorach typu PWR.
- Reaktory WWER (Wodo-Wodianoj Eniergieticzeskij Rieaktor – wodno-wodny reaktor energetyczny), to reaktory, które były produkowane w Związku Radzieckim, a ich budowa nie różni się w sposób znaczący od reaktorów PWR.
- Reaktor wodny wrzący BWR (Boiling Water Reactor) – reaktor, którego moderatorem i chłodziwem, podobnie jak w przypadku reaktora PWR jest woda, w odróżnieniu jednak od niego – krąży ona w jednym obiegu.
- reaktory kanałowe, zbudowane z ciśnieniowych kanałów o niewielkiej średnicy:
- Reaktory CANDU (Canadian Deuterium Uranium) – kanadyjskie reaktory, w których moderatorem i chłodziwem jest ciężka woda. Dzięki temu, że ciężka woda bardzo efektywnie spowalnia neutrony, a przy tym, pochłania ich mniej niż zwykła woda, możliwe jest wykorzystanie jako paliwa niewzbogaconego uranu.
- Reaktory RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj, Reaktor Kanałowy Wielkiej Mocy) – reaktor, w którym moderatorem jest grafit. W reaktorach tego typu możliwe jest wykorzystanie naturalnego, niewzbogaconego uranu, dzięki czemu reaktory te są bardzo ekonomiczne. Jednocześnie jednak niestabilne, co stało się przyczyną katastrofy w Czarnobylu. Obecnie reaktory RBMK działają w Rosji i na Litwie, tu niedługo ma być wyłączony.
Powyższy podział reaktorów, biorący pod uwagę ich konstrukcję nie jest jedyny. Reaktory można podzielić również uwzględniając m.in. rodzaj zastosowanego moderatora i chłodziwa (wodne, ciężkowodne, gazowe, sodowe, helowe, itd.), system odprowadzania ciepła (jednoobiegowy, dwuobiegowy, trójobiegowy) lub ze względu na rodzaj zastosowanego paliwa (uranowe, plutonowe, uranowo-plutonowe, torowe).