Ako funguje jadrová elektráreň

Jadrová elektráreň je v podstate tepelná elektráreň, ktorej zdrojom tepla je prebiehajúca štiepna reakcia atómových jadier. Chladiace médium odvádza uvoľnené teplo a v parogenerátore sa toto teplo odovzdáva vode v sekundárnom okruhu, kde vzniká para. Tá následne poháňa parnú turbínu, ktorá roztáča elektrický generátor vyrábajúci elektrickú energiu.

 

Aktívna zóna reaktora

Teplo sa v jadrovej elektrárni vyrába štiepením atómových jadier obsiahnutých v jadrovom palive zavážanom do aktívnej zóny reaktora. Na výrobu jadrového paliva sa najčastejšie používa prírodný alebo obohatený urán, prípadne palivo MOX, ktoré tvorí zmes oxidov uránu a plutónia. Okrem paliva a chladiaceho média sa v aktívnej zóne spravidla nachádza aj moderátor (slúžiaci na spomaľovanie neutrónov) a regulačné tyče používané na riadenie priebehu štiepnej reakcie.

Reaktor

Za vhodných podmienok a plne pod kontrolou operátorov elektrárne prebieha v aktívnej zóne jadrového reaktora riadená štiepna reakcia. Pri tejto reakcii sa štiepením jadier paliva v palivových prútikoch uvoľňuje energia, predovšetkým vo forme tepla. Toto teplo sa z palivových prútikov odvádza pomocou chladiaceho média. Najčastejšie používaným chladiacim médiom je obyčajná voda. Menej často sa používajú ťažká voda, roztavené kovy alebo plyn. Teplota chladiaceho média pri výstupe z vodou chladených energetických reaktorov je približne 300 °C.

Samotný reaktor tvorí oceľová tlaková nádoba, betónová konštrukcia alebo sústava kanálov, v ktorých sa nachádza jadrové palivo. Reaktor musí odolávať vysokým teplotám, vysokému tlaku aj intenzívnemu toku neutrónov. Predpokladaná životnosť moderných energetických reaktorov je približne 60 až 80 rokov.

 

Primárny okruh a parogenerátor

Chladiace médium opúšťajúce reaktor cirkuluje v uzavretom primárnom okruhu. Svoju tepelnú energiu odovzdáva vo výmenníku tepla – parogenerátore. Voda v druhom, sekundárnom okruhu, sa v parogenerátore zohrieva, začína vrieť a vzniká para. Tá sa následne vysuší (odstránia sa z nej kvapôčky vody) a privádza sa do turbíny.

V dvojokruhovej jadrovej elektrárni zostáva voda z primárneho okruhu oddelená od sekundárneho okruhu a neprichádza do priameho kontaktu s turbínou ani s ostatnými nejadrovými časťami elektrárne.

Niektoré typy jadrových elektrární využívajú iba jeden okruh. Voda vrie priamo v aktívnej zóne reaktora a vzniknutá para sa po vysušení privádza priamo do turbíny. Výhodou jednookruhovej elektrárne je jednoduchšia konštrukcia a vyššia tepelná účinnosť. Nevýhodou je, že voda cirkulujúca v okruhu prichádza do priameho kontaktu s palivovými prútikmi, a preto obsahuje malé množstvo rádioaktívnych izotopov. Hoci väčšina z nich má krátky polčas rozpadu, dochádza aj ku krátkodobej rádioaktívnej kontaminácii turbíny a ďalších zariadení sekundárneho okruhu, čo zvyšuje požiadavky na ich údržbu a radiačnú ochranu.

 

Kontajnment

Takzvanú jadrovú časť jadrovej elektrárne tvorí najmä reaktor, parogenerátory a potrubia primárneho okruhu. Tieto zariadenia sú zvyčajne uzavreté v železobetónovej ochrannej obálke nazývanej kontajnment. Tá chráni jadrové zariadenia pred vonkajšími vplyvmi a zároveň zabraňuje úniku rádioaktívnych látok do okolia v prípade havárie alebo poruchy technologických zariadení.

Moderné kontajnmenty sú navrhnuté tak, aby odolali aj nárazu veľkého dopravného lietadla. Sú vybudované z predpätého železobetónu a predstavujú jednu z najdôležitejších bezpečnostných bariér jadrovej elektrárne.

 

Sekundárny okruh, turbína a generátor

Sekundárny okruh a ostatné súvisiace zariadenia nepatria do jadrovej časti elektrárne. Ich funkcia je rovnaká ako vo všetkých tepelných elektrárňach. Para vznikajúca v sekundárnom okruhu je privádzaná do turbíny, ktorá môže v závislosti od typu elektrárne dosahovať dĺžku až 70 metrov a pozostáva z viacerých stupňov.

Prvým stupňom je vysokotlaková časť poháňaná parou z parogenerátora. Po prechode vysokotlakovou časťou sa para zvyčajne zbaví zvyšnej vlhkosti a opätovne prihreje. Následne vstupuje do nízkotlakovej časti (prípadne aj strednotlakovej časti), ktorá je vybavená dlhšími lopatkami. Turbína sa otáča rýchlosťou 3 000 otáčok za minútu a poháňa elektrický generátor, ktorý premieňa mechanickú energiu na elektrickú energiu.

 

Vedeli ste, že...?

Jednou z najvýkonnejších parných turbín na svete je Arabelle, ktorá sa používa vo viacerých jadrových elektrárňach vrátane francúzskej elektrárne Chooz B. Najnovšie verzie tejto turbíny dosahujú výkon až približne 1 900 MW.

 

Chladenie

Na dosiahnutie čo najvyššej účinnosti premeny energie je potrebné paru po opustení turbíny skondenzovať. Na tento účel sa využíva chladiaci okruh, ktorý zabezpečuje odvod tepla z kondenzátora. Chladiaca voda sa môže odoberať priamo z mora alebo rieky, alebo sa môže v okruhu ochladzovať pomocou chladiacich veží.

Nižšie chladiace veže využívajú nútené prúdenie vzduchu cez rozstrekovanú vodu. Voda sa v nich ochladzuje predovšetkým odparovaním.

Druhým typom chladiacich veží sú hyperboloidné železobetónové veže vysoké až 150 metrov, ktoré patria medzi najvýraznejšie stavby tepelných aj jadrových elektrární. Voda sa čerpá približne do jednej pätiny ich výšky, kde sa rovnomerne rozdeľuje a rozstrekuje. Gravitačne steká do nádrže pod vežou. Vďaka hyperboloidnému tvaru veže vzniká prirodzený komínový efekt, ktorý zabezpečuje prúdenie vzduchu od jej spodnej časti smerom nahor, čím sa rozstrekovaná voda účinne ochladzuje.

 

Vedeli ste, že...?

Na výrobu 1 MWh elektrickej energie potrebuje jadrová elektráreň využívajúca chladiace veže približne 3 000 litrov chladiacej vody.

 

Výkon jadrovej elektrárne

Výkon jadrovej elektrárne možno vyjadriť tromi spôsobmi:

• Tepelný výkon (MWt) – vyjadruje množstvo tepla vyprodukovaného reaktorom.
• Hrubý elektrický výkon (MWe) – vyjadruje množstvo elektrickej energie vyrobenej generátorom.
• Čistý elektrický výkon (MWe) – vyjadruje množstvo elektrickej energie dodanej do elektrizačnej sústavy. Časť vyrobenej elektrickej energie spotrebúva samotná elektráreň na vlastnú prevádzku. Keďže výkon elektrárne sa v zime a v lete mierne líši v dôsledku sezónnych zmien účinnosti chladenia, uvádza sa priemerný výkon alebo najnižší letný výkon.