Rozszczepienie, synteza i elektrownia: od reakcji do energii elektrycznej

Potrzebne wiadomości: Energia wiązania, moc i sprawność.

Zmiana jąder, przepływ energii, produkcja prądu

W rozszczepieniu ciężkie jądro tworzy lżejsze produkty, często także neutrony i promieniowanie. W syntezie lżejsze jądra łączą się w inny układ. W obu przypadkach o energii decyduje różnica energii spoczynkowych wszystkich uczestników, a nie samo skojarzenie „dzielenie” lub „łączenie”.

Dodatni bilans nie oznacza łatwego przebiegu. Dodatnio naładowane jądra odpychają się elektrycznie; do syntezy trzeba uwzględnić ich oddziaływanie i prawdopodobieństwo reakcji. W gwiazdach przemiany jądrowe dostarczają energii bez chemicznego spalania z tlenem. To inny mechanizm niż ogień, mimo potocznego słowa „spalanie wodoru”.

Od energii produktów do generatora

W typowej cieplnej elektrowni energia produktów reakcji ogrzewa układ. Część strumienia energii cieplnej trafia przez turbinę do generatora, reszta jest oddawana jako ciepło. W uproszczonym ustalonym bilansie bez innych użytecznych odbiorów:

P_{\mathrm{el}}=\eta P_{\mathrm{ciepl}},\qquad P_{\mathrm{odd}}=(1-\eta)P_{\mathrm{ciepl}}.

Model o mocy cieplnej 1200 MW i sprawności 0,35 daje 420 MW elektrycznie oraz 780 MW pozostałego strumienia ciepła. Suma 420 + 780 odtwarza 1200 MW. Sprawność nie mówi, że 65% energii przestało istnieć; mówi, jaka jej część nie stała się tutaj użyteczną energią elektryczną.

Kontrast: taka sama energia, inna moc

Generator 420 MW pracujący dwie godziny oddaje 840 MWh. Generator 210 MW potrzebuje na to czterech godzin. W obu przypadkach energia wynosi 840·3,6·10⁹ J = 3,024·10¹² J. Sama liczba megawatów nie określa wyprodukowanej energii bez czasu. Także zdolność chwilowej pracy i produkcja w całym roku są różnymi wielkościami.

Reakcja łańcuchowa i ciepło rozpadu to różne procesy

Neutrony z rozszczepienia mogą wywoływać kolejne rozszczepienia. O tym, jak rozwija się ten proces, decyduje bilans powstawania i strat neutronów. Zatrzymanie podtrzymywanej reakcji łańcuchowej nie oznacza natychmiastowego braku emisji energii: powstałe produkty mogą nadal rozpadać się promieniotwórczo.

Dlatego sterowanie reakcją, odprowadzanie ciepła i zatrzymywanie substancji w barierach pełnią różne funkcje. Nie można wywnioskować zaniku potrzeby chłodzenia wyłącznie z informacji o przerwaniu reakcji łańcuchowej. W tym rozdziale wykonujemy bilanse energii i wyjaśniamy mechanizmy; nie dobieramy konstrukcji, konfiguracji materiałów ani parametrów pracy reaktora.

Ocena technologii wymaga rozróżnienia sprawności, niezawodności, odpadów, normalnej pracy i sytuacji awaryjnych. Jedno słowo „jądrowy” nie zastępuje danych o żadnej z tych kwestii. Również sprawność elektrowni nie jest sprawnością zamiany całej masy paliwa w energię.

Zadania do tego tematu

• Moc elektryczna z podanej mocy cieplnej
• Energia oddana przez generator w sześć godzin
• Dlaczego po wyłączeniu reaktora chłodzenie nadal ma znaczenie?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny