תחנת כוח גרעינית היא מפעל תעשייתי המייצר חשמל באמצעות רתימת אנרגיה גרעינית, המשתחררת כאנרגיה תרמית במהלך תגובת שרשרת ביקוע גרעיני בתוך כלי כור. אנשים רבים אינם יודעים כיצד פועלת תחנת כוח גרעינית.
מסיבה זו, אנו הולכים לספר לך בפירוט כיצד פועלת תחנת כוח גרעינית מבפנים.
מרכיבים עיקריים של תחנת הכוח הגרעינית
הכור הגרעיני הוא המרכיב העיקרי של תחנת כוח, שכן הוא מכיל דלק גרעיני (בדרך כלל אורניום) ומצויד במערכות המאפשרות התחלה, תחזוקה והפסקה מבוקרת של התגובה הגרעינית. פעולתה של תחנת כוח גרעינית דומה לזו של תחנת כוח תרמית מסורתית, שבה מופקת אנרגיה תרמית משריפת דלקים מאובנים. לעומת זאת, כור גרעיני משיג אנרגיה תרמית מתגובות שרשרת ביקוע גרעיני המתרחשות בתוך אטומי האורניום המצויים בדלק גרעיני.
האנרגיה התרמית שנוצרת משמשת לחימום מים עד שהם מגיעים לנקודת האידוי, והופכים לאדים בלחץ ובטמפרטורה גבוהים. הקיטור הזה הוא מניע טורבינה המחוברת לגנרטור, הממיר את האנרגיה המכנית המופקת מסיבוב הטורבינה לאנרגיה חשמלית.
למרות שישנם מספר סוגים של כורים גרעיניים, בולטים שני עיצובים ספציפיים המייצגים יחד יותר מ-80% מכמעט 450 היחידות המבצעיות ברחבי העולם: כור המים בלחץ (PWR) ונקודת הרתיחה של המים בלחץ (BWR).
הפעלת כור מים בלחץ (PWR)
חשוב לציין שבמהלך ביקוע גרעיני, גרעינים של אטומים כבדים, שנפגעים על ידי נויטרונים, מתפרקים לגרעינים קטנים וקלים יותר. תהליך זה משחרר את האנרגיה הקושרת פרוטונים וניוטרונים ומביאה לפליטת שניים או שלושה נויטרונים. הנייטרונים הללו נפלטו הם מסוגלים לגרום לביקוע נוסף על ידי אינטראקציה עם גרעינים כבדים אחרים, שבתורם ישחררו יותר נויטרונים, וינציחו את המחזור. אפקט מפל זה ידוע בתור תגובת שרשרת הביקוע הגרעיני.
ניתן לסכם את פעולתה של תחנת כוח גרעינית בשלבים הבאים:
- בכור הגרעיני, האורניום עובר ביקוע שמייצר כמות ניכרת של אנרגיה המחממת את מי הקירור בלחץ גבוה המסתובבים במערכת. מים מחוממים אלה מועברים לאחר מכן דרך המעגל הראשוני למחליף חום, המכונה מחולל קיטור, שם הם מקלים על ייצור אדי מים.
- מכלול מחולל הטורבינה מקבל את הקיטור דרך מעגל משני. עם ההגעה, הקיטור מסובב את להבי הטורבינה. סיבוב זה של פיר הטורבינה מניע לאחר מכן את האלטרנטור, וממיר אנרגיה מכנית לחשמל.
- לאחר שאדי המים עברו דרך הטורבינה, הם עוברים למעבה, שם הוא מתקרר והופך חזרה למים נוזליים.
- לאחר מכן המים מוחזרים למחולל הקיטור כדי ליצור קיטור שוב, הפועל בתוך לולאה סגורה.
מרכיבים מרכזיים של תחנת כוח גרעינית
אמרנו בעבר שכור גרעיני הוא מתקן שנועד ליזום, לתחזק ולסיים תגובות שרשרת ביקוע באופן מבוקר, המצויד במנגנונים הדרושים לחילוץ החום המופק. הכור הוא המרכיב העיקרי של תחנת כוח ומתפקד כמקום אחסון הדלק הגרעיני.
המרכיבים העיקריים של תחנת כוח גרעינית הם:
- דלק: זהו החומר שבו מתרחשות תגובות ביקוע, אשר בדרך כלל משתמשים באורניום דו חמצני מועשר. לחומר זה תפקיד כפול: הוא פועל כמקור אנרגיה וכספק של נויטרונים הנחוצים לשמירה על תגובת השרשרת. הוא מסופק בצורה מוצקה, המורכב מטבליות גליליות עטופות במוטות מתכת באורך של כארבעה מטרים.
- מנחה: חומר שמפחית את מהירות הנייטרונים המהירים המיוצרים במהלך הביקוע, ובכך מקל על ביקוע נוסף ושומר על תגובת השרשרת.
- נוזל קירור: הם אותם מים שפועלים כמנחה ומשמשים להסרת החום שנוצר מתגובת הביקוע המתרחשת בדלק האורניום.
- פסי בקרה: הם מרכיבי הבקרה של הכור ומתפקדים כבולמי נויטרונים. מוטות אלו מורכבים מבורון קרביד או אינדיום-קדמיום, מאפשרים ניהול רציף של אוכלוסיית הנייטרונים, מבטיחים את יציבות הכור ומקלים על כיבויו בעת הצורך.
- שִׁריוֹן: זה משמש לעיכוב בריחת קרינה וניטרונים מהכור לסביבה החיצונית. בדרך כלל, חומרים כגון בטון, פלדה או עופרת משמשים למטרה זו.
- אמצעי בטיחות: כל מתקן גרעיני מצויד במספר מערכות בטיחות שנועדו למנוע שחרור של רדיואקטיביות לסביבה, כולל מבנה הבלימה.
- וסת לחץ: זהו מרכיב קריטי במעגל הקירור הראשוני. ווסת זה שומר על האיזון בין שלבי הנוזל והאדים בתנאי רוויה כדי לנהל ביעילות את הלחץ בתוך הכור.
- כלי כור: הוא סוגר את הכור הגרעיני, שבו מתרחשת תגובת שרשרת הביקוע. הליבה של כלי זה מורכבת מיסודות דלק.
- מחוללי קיטור: הם מתפקדים כמחלפי חום, שבהם מי הקירור של המעגל הראשוני זורמים דרך צינורות הפוכים בצורת U ומעבירים את האנרגיה התרמית שלו למים של המעגל המשני, ובכך הופכים אותה לאדי מים.
- בניין בלימה: זהו המתחם המכיל את מערכת קירור הכור יחד עם מספר מערכות עזר ופועל כמחסום מגן במהלך פעולות רגילות, המונע למעשה בריחת חומרים מזהמים לסביבה החיצונית. בשילוב עם מערכות בטיחות אחרות, מוטלת עליה אחריות קריטית למנוע שחרור אפשרי של תוצרי ביקוע לאטמוספירה במקרה של תאונה.
- טוּרבִּינָה: המתקן נועד ללכוד אדי מים ממחוללי קיטור, ולהמיר את האנרגיה שלו לאנרגיה מכנית סיבובית דרך הלהבים. מספר קטעים מיועדים להרחבת קיטור. הציר מחובר היטב לציר האלטרנטור.
- אַלְטֶרְנָטוֹר: מכשיר שמייצר חשמל על ידי הפיכת האנרגיה המכנית הסיבובית של הטורבינה למתח בינוני ואנרגיה חשמלית בעוצמה גבוהה.
- שַׁנַאי: מכשיר שנועד להעלות את מתח החשמל המיוצר על ידי האלטרנטור על מנת לצמצם הפסדים במהלך ההולכה שלו לנקודות הצריכה.
- מי קירור: מים מנהר, מאגר או ים משמשים לעיבוי אדי המים בתוך המעבה. ניתן להחזיר מים אלו ישירות למקורם המקורי, המכונה לולאה פתוחה, או למחזר דרך מגדל קירור במערכת לולאה סגורה.
- מגדלי קירור: הם מקלים על פיזור של חלק מהחום השיורי שנוצר במהלך ייצור החשמל לאטמוספירה, המשמשים כמקור לקור. מערכת זו משמשת לקירור המים המסתובבים דרך המעבה, המהווה מרכיב אינטגרלי ממעגל הקירור העזר של המפעל.
- מַעֲבֶה: מחליף חום מורכב מסדרה של צינורות המקלים על זרימת מי הקירור. המים המאודים שנכנסים למעבה מהטורבינה עוברים תהליך הנזלה, עוברים לשלב הנוזלי. תהליך זה יוצר ואקום המשפר את יעילות הפעולה של הטורבינה.
אני מקווה שבעזרת המידע הזה תוכלו ללמוד יותר על איך פועלת תחנת כוח גרעינית מבפנים.