O centrala nucleara (uneori abreviata ca NPP) este o centrala termica in care sursa de caldura este un reactor nuclear. Asa cum este tipic pentru centralele termice, caldura este folosita pentru a genera abur care antreneaza o turbina cu abur, conectata la un generator care produce energie electrica. Incepand cu 2022, Agentia Internationala pentru Energie Atomica a raportat ca existau 439 de reactoare nucleare in functiune in 32 de tari din intreaga lume.
Centralele nucleare sunt foarte des folosite pentru sarcina de baza, deoarece operatiunile lor, intretinerea si costurile cu combustibilul sunt la capatul inferior al spectrului de costuri. Cu toate acestea, construirea unei centrale nucleare dureaza adesea cinci pana la zece ani, ceea ce poate genera costuri financiare semnificative, in functie de modul in care sunt finantate investitiile initiale.
Centralele nucleare au o amprenta de carbon comparabila cu cea a energiei regenerabile, cum ar fi fermele solare si parcurile eoliene si mult mai mica decat combustibilii fosili, cum ar fi gazul natural si carbunele brun. In ciuda unor catastrofe spectaculoase, centralele nucleare sunt printre cele mai sigure moduri de producere a energiei electrice, comparabile cu centralele solare si eoliene.
Prima data cand caldura dintr-un reactor nuclear a fost folosita pentru a genera electricitate a fost pe 20 Decembrie 1951 la Reactorul Experimental Breeder I, alimentand patru becuri.
La 27 Iunie 1954, prima centrala nucleara din lume care a generat electricitate pentru o retea electrica, Centrala Nucleara Obninsk, a inceput operatiunile in Obninsk, in Uniunea Sovietica. Prima centrala electrica la scara larga din lume, Calder Hall din Regatul Unit, a fost deschisa pe 17 Octombrie 1956.
Sisteme
Reactorul cu apa clocotita
Conversia in energie electrica are loc indirect, ca in centralele termice conventionale. Fisiunea intr-un reactor nuclear incalzeste lichidul de racire al reactorului. Lichidul de racire poate fi apa sau gaz, sau chiar metal lichid, in functie de tipul de reactor. Lichidul de racire al reactorului merge apoi la un generator de abur si incalzeste apa pentru a produce abur.
Aburul sub presiune este apoi alimentat de obicei la o turbina cu abur in mai multe etape. Condensatorul este un schimbator de caldura care este conectat la o parte secundara, cum ar fi un rau sau un turn de racire. Apa este apoi pompata inapoi in generatorul de abur si ciclul incepe din nou. Ciclul apa-abur corespunde ciclului Rankine.
Reactorul nuclear este inima statiei. In partea sa centrala, miezul reactorului produce caldura datorita fisiunii nucleare. Cu aceasta caldura, un lichid de racire este incalzit pe masura ce este pompat prin reactor si, prin urmare, elimina energia din reactor. Caldura din fisiunea nucleara este folosita pentru a ridica abur, care circula prin turbine, care, la randul lor, alimenteaza generatoarele electrice.
Reactoarele nucleare se bazeaza de obicei pe uraniu pentru a alimenta reactia in lant. Uraniul este un metal foarte greu care este abundent pe Pamant si se gaseste in apa de mare, precum si in majoritatea rocilor. Uraniul natural se gaseste in doi izotopi diferiti: uraniu-238 (U-238), reprezentand 99,3% si uraniu-235 (U-235) reprezentand aproximativ 0,7%. U-238 are 146 de neutroni si U-235 are 143 de neutroni.
Diferitii izotopi au comportamente diferite. De exemplu, U-235 este fisionabil, ceea ce inseamna ca este usor divizat si emite multa energie, ceea ce il face ideal pentru energia nucleara. Pe de alta parte, U-238 nu are aceasta proprietate, desi este acelasi element. Diferitii izotopi au, de asemenea, timpi de injumatatire diferit. U-238 are un timp de injumatatire mai mare decat U-235, asa ca dureaza mai mult sa se descompuna in timp. Aceasta inseamna, de asemenea, ca U-238 este mai putin radioactiv decat U-235.
Deoarece fisiunea nucleara creeaza radioactivitate, miezul reactorului este inconjurat de un scut de protectie. Acest scut de retinere absoarbe radiatiile si impiedica eliberarea materialului radioactiv in mediu. In plus, multe reactoare sunt echipate cu o cupola din beton pentru a proteja reactorul atat impotriva accidentelor interne, cat si a impacturilor externe.
Reactor cu apa sub presiune
Scopul turbinei cu abur este de a transforma caldura continuta in abur in energie mecanica. Casa motoarelor cu turbina cu abur este de obicei separata structural de cladirea principala a reactorului. Este aliniat astfel incat sa impiedice resturile de la distrugerea unei turbine in functiune, sa zboare catre reactor.
In cazul unui reactor cu apa sub presiune, turbina cu abur este separata de sistemul nuclear. Pentru a detecta o scurgere in generatorul de abur si astfel trecerea apei radioactive intr-un stadiu incipient, este montat un contor de activitate pentru a urmari aburul de iesire al generatorului de abur. In schimb, reactoarele cu apa fierbinte trec apa radioactiva prin turbina cu abur, astfel incat turbina este pastrata ca parte a zonei controlate radiologic a centralei nucleare.
Generatorul electric transforma puterea mecanica furnizata de turbina in energie electrica. Se folosesc generatoare sincrone AC cu poli de putere nominala mare. Un sistem de racire elimina caldura din miezul reactorului si o transporta intr-o alta zona a statiei, unde energia termica poate fi valorificata pentru a produce energie electrica sau pentru a efectua alte lucrari utile.
In mod obisnuit, lichidul de racire fierbinte este folosit ca sursa de caldura pentru un cazan, iar aburul presurizat din acesta antreneaza unul sau mai multe generatoare electrice actionate de o turbina cu abur.
In caz de urgenta, supapele de siguranta pot fi folosite pentru a preveni explozia conductelor sau explozia reactorului. Supapele sunt proiectate astfel incat sa poata obtine toate debitele furnizate cu o mica crestere a presiunii. In cazul BWR, aburul este directionat in camera de suprimare si se condenseaza acolo. Camerele unui schimbator de caldura sunt conectate la circuitul intermediar de racire.
Condensatorul principal este un schimbator de caldura cu invelis si tuburi cu flux transversal mare, care preia vapori umezi, un amestec de apa lichida si abur in conditii de saturatie, din evacuarea turbinei-generatorului si ii condenseaza inapoi in apa lichida subracita, astfel incat sa poata fi pompat inapoi in reactor de catre pompele de condens.
In condensatorul principal, evacuarea turbinei cu vapori umezi intra in contact cu mii de tuburi care au apa mult mai rece, care curge prin ele pe cealalta parte. Apa de racire provine de obicei dintr-un corp natural de apa, cum ar fi un rau sau un lac. Statia de generare nucleara Palo Verde, situata in desert, la aproximativ 97 de kilometri (60 de mile) vest de Phoenix, Arizona, este singura instalatie nucleara care nu foloseste un corp natural de apa pentru racire, ci foloseste ape uzate tratate, de la metropolitanul Phoenix din zona. Nivelul apei din generatorul de abur si din reactorul nuclear este controlat folosind sistemul de alimentare cu apa. Pompa de alimentare cu apa are sarcina de a prelua apa din sistemul de condens, crescand presiunea si fortand-o fie in generatoarele de abur — in cazul unui reactor cu apa sub presiune — fie direct in reactor, pentru reactoarele cu apa fierbinte.
Alimentarea continua cu energie a instalatiei este esentiala pentru a asigura functionarea in siguranta. Majoritatea statiilor nucleare necesita cel putin doua surse distincte de energie in afara amplasamentului pentru redundanta.
Acestea sunt de obicei furnizate de mai multe transformatoare care sunt suficient de separate si pot primi energie de la mai multe linii de transmisie. In plus, in unele statii nucleare, turbina generatoare poate alimenta sarcinile statiei in timp ce statia este online, fara a necesita energie externa. Acest lucru se realizeaza prin intermediul transformatoarelor de serviciu ale statiei care preiau puterea de la iesirea generatorului inainte de a ajunge la transformatorul de crestere.
Economie
Economia centralelor nucleare este un subiect controversat, iar investitiile de miliarde de dolari se bazeaza pe alegerea unei surse de energie. Centralele nucleare au, de obicei, costuri de capital ridicate, dar costuri directe scazute ale combustibilului, costurile de extractie, procesare, utilizare si stocare a combustibilului uzat fiind internalizate.
Prin urmare, comparatia cu alte metode de generare a energiei este puternic dependenta de ipotezele privind termenele de constructie si finantarea de capital pentru centralele nucleare. Estimarile costurilor iau in considerare costurile de dezafectare a statiei si depozitarea deseurilor nucleare sau costurile de reciclare in Statele Unite din cauza Legii Price Anderson.
Avand perspectiva ca tot combustibilul nuclear uzat ar putea fi reciclat prin utilizarea viitoarelor reactoare, reactoarele de generatie a IV-a sunt proiectate pentru a inchide complet ciclul combustibilului nuclear. Cu toate acestea, pana in prezent, nu a existat nicio reciclare efectiva in vrac a deseurilor dintr-o centrala nucleara, iar depozitarea temporara la fata locului este inca utilizata la aproape toate site-urile fabricii din cauza problemelor de constructie a depozitelor geologice adanci.
Doar Finlanda are planuri de depozitare stabile, prin urmare, dintr-o perspectiva mondiala, costurile de depozitare a deseurilor pe termen lung, sunt incerte.
In urma accidentului nuclear de la Fukushima din Japonia din 2011, costurile sunt probabil sa creasca pentru centralele nucleare care functioneaza in prezent si pentru noile centrale nucleare, din cauza cerintelor crescute pentru gestionarea combustibilului uzat la fata locului si a amenintarilor ridicate legate de proiectare. Cu toate acestea, multe modele, cum ar fi AP1000 aflat in prezent in constructie, folosesc sisteme de racire pasive de siguranta nucleara, spre deosebire de cele de la Fukushima I, care necesitau sisteme de racire active, ceea ce elimina in mare masura nevoia de a cheltui mai mult pe echipamente de siguranta de rezerva.
- Energia nucleara este competitiva in comparatie cu alte forme de generare a energiei electrice, cu exceptia cazului in care exista acces direct la combustibili fosili la preturi reduse.
- Costurile cu combustibilul pentru centralele nucleare reprezinta o proportie minora din costurile totale de generare, desi costurile de capital sunt mai mari decat cele pentru centralele pe carbune si mult mai mari decat cele pentru centralele pe gaz.
- Costurile de sistem pentru energia nucleara (precum si pentru generarea pe carbune si gaz) sunt mult mai mici decat pentru sursele regenerabile intermitente.
- Oferirea de stimulente pentru investitii pe termen lung, cu capital ridicat, pe pietele dereglementate, determinate de semnale de pret pe termen scurt, reprezinta o provocare in asigurarea unui sistem de alimentare cu energie electrica diversificat si fiabil.
- In evaluarea economiei energiei nucleare, costurile de dezafectare si eliminarea deseurilor sunt pe deplin luate in considerare.
- Constructia de centrale nucleare este tipica pentru proiectele mari de infrastructura din intreaga lume, ale caror costuri si provocari de livrare tind sa fie subestimate.
