Kärnkraftverk utnyttjar den energi som frigörs genom fission och använder den för att driva generatorer som producerar el. Även om kärnkraft bara bidrar till cirka 20 procent av elproduktionen i USA, är nationens kärnkraftskapacitet det högsta av något annat land - 101 gigawattar 2010.
Vanliga komponenter av kärnkraft
Kärnreaktorer har dessa komponenter gemensamt:
Bränsle - Uran, en radioaktiv tungmetallmalm, är det vanligaste bränslet för kärnreaktorer. Efter anrikningsprocessen blir uran ett mycket koncentrerat bränsle.
En kommersiell kärnreaktor kräver tusentals pounds av anrikat uranbränsle för att kunna fungera. Civila kärnkraftverk i USA köper årligen cirka 50 miljoner pounds uran (U3O8 ekvivalent) bränsle, varav majoriteten kommer från utlandet.
Uran bryts på platser över hela världen, främst i Kazakstan, Kanada, Australien och Afrika. Förenta staterna är bland de 10 största tillverkarna av uran.
Styrstavar - Gjorda av ett neutronabsorberande material, såsom kadmium, hafnium eller bor, är kontrollstavarna insatta eller återtagna från kärnan för att kontrollera reaktionshastigheten eller för att stoppa den om det behövs.
Moderator - Material i reaktorkärnan som saktar ner neutronerna frigjorda från fission så att de leder till mer klyvning.
Moderatorn är vanligtvis vanligt (lätt) vatten, men kan vara tungt vatten (D20) eller grafit.
Kylvätska - Vätska eller gas som cirkulerar genom kärnan för att överföra värmen från den. I lätta vattenreaktorer fungerar vattendosatorn också som det primära kylmediet.
Inhängning - Kärnreaktorer är inneslutna i kraftigt armerade betongkonstruktioner för att förhindra radioaktivitet att flyga in i atmosfären.
Grundläggande process för kärnenergi
Kärnfysiken är mycket teknisk, men grundprocessen för elproduktion med kärnkraft är följande:
Reaktorkärnan ger värme och radioaktivitet i en process som kallas fission, allmänt känd som atomuppdelning. Inuti reaktorkärnan är uran kärnbränsle. När kärnorna i uran delas frigörs de neutroner. När neutronerna träffar andra uranatomer delas dessa kärnor också, vilket släpper ut sina neutroner för att slå andra atomer, vilket orsakar mer fission. Denna kontinuerliga atomuppdelning är en kedjereaktion.
Värmen från kontrollerade klyvningsreaktioner används för att producera ånga från vatten, antingen direkt som i kokvattenreaktorn (BWR) eller indirekt som i tryckvattenreaktorn (PWR), som innehåller en ånggenerator.
Ångan driver en turbin som driver en generator.
Generatorn producerar el som distribueras till elnätet.
Kärnreaktortyper
I hela världen används olika typer av kärnkraftsreaktorer. De vanligaste typerna är emellertid tryckvattenreaktorer (PWR) och kokande vattenreaktorer (BWR), vilka klassificeras som lätta vattenreaktorer. I USA är PWR och BWR de enda två typerna av kommersiella kärnkraftverk i drift.
- Kokningsvattenreaktor (BWR) - I denna typ av reaktor producerar fission värme som kokar vatten i reaktorkärnan. Ånga från det kokande vattnet driver en turbin som driver en generator för att producera el. Reaktorerna i nordöstra Japans Fukushima Naiishi-anläggning skadad i jordbävningen och tsunamin i mars 2011 är BWR.
- Tryckvattenreaktor (PWR) - Denna typ av reaktor är den vanligaste för att producera energi. Det använder vatten som kylvätska och moderator, en agent som hjälper till att styra fissionshastigheten. I det slutna primära kylvätskesystemet hålls vattnet, värmt med värmeenergi från klyvning, medan den passerar genom kärnan, under högt tryck och därför kokar den inte. Ånga produceras i en sekundär kylvätskanslinga och används för att driva en turbin som driver en elgenerator.
- CANDU och tungvatten modererade reaktorer - Dessa mönster använder tungt vatten som moderator. Det tunga vattnet - med deuterium som ersätter de två väteatomerna - som moderator saktar ner neutroner i fissionsprocessen och möjliggör användningen av naturligt uran, i stället för anrikat uran som bränsle.
- Kylbäddsmodulär reaktor - En högtemperaturreaktor som använder heliumkylmedel och bränsle inkapslad i sfärer av grafit och kiselkarbid för att säkerställa fission av produkten och motståndskraft mot smältning.