Atomkraftverk -Nuclear power plant

Flankert av kjøletårn , er en PWR-atomreaktor inneholdt i en sfærisk inneslutningsbygning

Et kjernekraftverk (noen ganger forkortet NPP ) er et termisk kraftverk der varmekilden er en atomreaktor . Som er typisk for termiske kraftstasjoner, brukes varme til å generere damp som driver en dampturbin koblet til en generator som produserer elektrisitet . Fra 2022 rapporterte Det internasjonale atomenergibyrået at det var 439 atomkraftreaktorer i drift i 32 land rundt om i verden.

Kjernekraftverk brukes veldig ofte til grunnlast siden deres drifts-, vedlikeholds- og drivstoffkostnader er i den nedre enden av kostnadsspekteret. Å bygge et atomkraftverk går imidlertid ofte over fem til ti år, noe som kan påløpe betydelige økonomiske kostnader, avhengig av hvordan de første investeringene er finansiert.

Kjernekraftverk har et karbonavtrykk som kan sammenlignes med fornybar energi som solparker og vindparker , og mye lavere enn fossilt brensel som naturgass og brunkull . Til tross for noen spektakulære katastrofer, er kjernekraftverk blant de sikreste formene for elektrisitetsproduksjon, sammenlignet med sol- og vindkraftverk.

Historie

Den første gangen varme fra en atomreaktor ble brukt til å generere elektrisitet var 20. desember 1951 ved Experimental Breeder Reactor I , som matet fire lyspærer.

Den 27. juni 1954 startet verdens første atomkraftverk som genererte elektrisitet til et kraftnett , Obninsk kjernekraftverk , sin virksomhet i Obninsk , i Sovjetunionen . Verdens første fullskala kraftstasjon, Calder Hall i Storbritannia , åpnet 17. oktober 1956. Verdens første fullskala kraftstasjon som utelukkende var viet til elektrisitetsproduksjon – Calder Hall var også ment å produsere plutoniumShippingport Atomic Power Station i Pennsylvania , USA – ble koblet til nettet 18. desember 1957.

Grunnleggende komponenter

Systemer

Omdannelsen til elektrisk energi skjer indirekte, som i konvensjonelle termiske kraftstasjoner. Fisjonen i en atomreaktor varmer opp reaktorkjølevæsken. Kjølevæsken kan være vann eller gass, eller til og med flytende metall, avhengig av type reaktor. Reaktorkjølevæsken går deretter til en dampgenerator og varmer opp vann for å produsere damp. Den trykksatte dampen blir deretter vanligvis matet til en flertrinns dampturbin . Etter at dampturbinen har ekspandert og delvis kondensert dampen, kondenseres den gjenværende dampen i en kondensator. Kondensatoren er en varmeveksler som er koblet til en sekundærside som en elv eller et kjøletårn . Vannet pumpes deretter tilbake til dampgeneratoren og syklusen starter på nytt. Vann-damp-syklusen tilsvarer Rankine-syklusen .

Atomreaktoren er hjertet av stasjonen. I sin sentrale del produserer reaktorens kjerne varme på grunn av kjernefysisk fisjon. Med denne varmen varmes en kjølevæske opp når den pumpes gjennom reaktoren og fjerner dermed energien fra reaktoren. Varmen fra kjernefysisk fisjon brukes til å heve damp, som går gjennom turbiner , som igjen driver de elektriske generatorene.

Atomreaktorer er vanligvis avhengige av uran for å drive kjedereaksjonen. Uran er et svært tungmetall som er rikelig på jorden og finnes i sjøvann så vel som de fleste bergarter. Naturlig forekommende uran finnes i to forskjellige isotoper : uran-238 (U-238), som utgjør 99,3 % og uran-235 (U-235) som står for ca. 0,7 %. U-238 har 146 nøytroner og U-235 har 143 nøytroner.

Ulike isotoper har ulik oppførsel. For eksempel er U-235 spaltbar, noe som betyr at den lett splittes og avgir mye energi, noe som gjør den ideell for kjernekraft. På den annen side har ikke U-238 den egenskapen til tross for at det er samme element. Ulike isotoper har også forskjellige halveringstid . U-238 har lengre halveringstid enn U-235, så det tar lengre tid å forfalle over tid. Dette betyr også at U-238 er mindre radioaktivt enn U-235.

Siden kjernefysisk fisjon skaper radioaktivitet, er reaktorkjernen omgitt av et beskyttende skjold. Denne inneslutningen absorberer stråling og forhindrer at radioaktivt materiale slippes ut i miljøet. I tillegg er mange reaktorer utstyrt med en kuppel av betong for å beskytte reaktoren mot både interne skader og ytre påvirkninger.

Hensikten med dampturbinen er å omdanne varmen som finnes i damp til mekanisk energi. Maskinhuset med dampturbinen er vanligvis strukturelt adskilt fra hovedreaktorbygningen. Den er justert for å forhindre at rusk fra ødeleggelsen av en turbin i drift flyr mot reaktoren.

Når det gjelder en trykkvannsreaktor, skilles dampturbinen fra atomsystemet. For å oppdage en lekkasje i dampgeneratoren og dermed passasje av radioaktivt vann på et tidlig stadium, er det montert en aktivitetsmåler som sporer utløpsdampen til dampgeneratoren. I kontrast passerer kokende vannreaktorer radioaktivt vann gjennom dampturbinen, slik at turbinen holdes som en del av det radiologisk kontrollerte området til kjernekraftverket.

Den elektriske generatoren konverterer mekanisk kraft levert av turbinen til elektrisk kraft. Det brukes lavpolede AC synkrone generatorer med høy nominell effekt. Et kjølesystem fjerner varme fra reaktorkjernen og transporterer den til et annet område av stasjonen, hvor den termiske energien kan utnyttes til å produsere elektrisitet eller til å gjøre annet nyttig arbeid. Vanligvis brukes den varme kjølevæsken som varmekilde for en kjele, og den trykksatte dampen fra den driver en eller flere dampturbindrevne elektriske generatorer .

I nødstilfeller kan sikkerhetsventiler brukes for å hindre at rør sprekker eller at reaktoren eksploderer. Ventilene er utformet slik at de kan utlede alle de tilførte strømningshastighetene med liten trykkøkning. Når det gjelder BWR , ledes dampen inn i undertrykkelseskammeret og kondenserer der. Kamrene på en varmeveksler er koblet til den mellomliggende kjølekretsen.

Hovedkondensatoren er en stor tverrstrømsskall- og rørvarmeveksler som tar våt damp, en blanding av flytende vann og damp ved metningsforhold, fra turbingeneratorens eksos og kondenserer det tilbake til underkjølt flytende vann slik at det kan pumpes tilbake til reaktoren av kondensat- og matevannspumpene.

Noen atomreaktorer bruker kjøletårn for å kondensere dampen som kommer ut av turbinene. All damp som slippes ut er aldri i kontakt med radioaktivitet

I hovedkondensatoren kommer den våte dampturbineksosen i kontakt med tusenvis av rør som har mye kaldere vann som strømmer gjennom dem på den andre siden. Kjølevannet kommer vanligvis fra en naturlig vannmasse som en elv eller innsjø. Palo Verde Nuclear Generating Station , som ligger i ørkenen omtrent 97 kilometer (60 mi) vest for Phoenix, Arizona, er det eneste atomanlegget som ikke bruker en naturlig vannmasse til kjøling, i stedet bruker den renset kloakk fra storbyen Phoenix. område. Vannet som kommer fra kjølevannet pumpes enten tilbake til vannkilden ved en varmere temperatur eller går tilbake til et kjøletårn hvor det enten avkjøles for mer bruk eller fordamper til vanndamp som stiger opp fra toppen av tårnet.

Vannstanden i dampgeneratoren og atomreaktoren styres ved hjelp av matevannsystemet. Matevannspumpen har som oppgave å ta vannet fra kondensatsystemet, øke trykket og tvinge det inn i enten dampgeneratorene – i tilfelle av en trykkvannsreaktor – eller direkte inn i reaktoren, for kokende vannreaktorer .

Kontinuerlig strømforsyning til anlegget er avgjørende for å sikre sikker drift. De fleste kjernefysiske stasjoner krever minst to forskjellige kilder til offsite kraft for redundans. Disse leveres vanligvis av flere transformatorer som er tilstrekkelig adskilt og kan motta strøm fra flere overføringslinjer. I tillegg kan turbingeneratoren på enkelte atomstasjoner drive stasjonens laster mens stasjonen er tilkoblet, uten å kreve ekstern strøm. Dette oppnås via stasjonsservicetransformatorer som tapper strøm fra generatorutgangen før de når opptrappingstransformatoren.

Økonomi

Bruce Nuclear Generating Station , det største operative kjernekraftanlegget i verden

Økonomien til kjernekraftverk er et kontroversielt tema, og investeringer på flere milliarder dollar tar utgangspunkt i valget av energikilde. Kjernekraftverk har typisk høye kapitalkostnader, men lave direkte drivstoffkostnader, med kostnadene ved utvinning, prosessering, bruk og lagring av brukt brensel internaliserte kostnader. Derfor er sammenligning med andre kraftproduksjonsmetoder sterkt avhengig av forutsetninger om byggetid og kapitalfinansiering for atomstasjoner. Kostnadsestimater tar hensyn til stasjonsavvikling og lagrings- eller resirkuleringskostnader for atomavfall i USA på grunn av Price Anderson Act .

Med utsiktene til at alt brukt kjernebrensel potensielt kan resirkuleres ved bruk av fremtidige reaktorer, blir generasjon IV-reaktorer designet for å lukke kjernebrenselssyklusen fullstendig . Frem til nå har det imidlertid ikke vært noen reell gjenvinning av avfall fra et NPP, og midlertidig lagring på stedet brukes fortsatt på nesten alle anleggssteder på grunn av konstruksjonsproblemer for dype geologiske depoter . Bare Finland har stabile depotplaner, derfor er de langsiktige lagringskostnadene for avfall usikre fra et verdensomspennende perspektiv.

Olkiluoto kjernekraftverk i Eurajoki , Finland. Stedet huser en av de kraftigste reaktorene kjent som EPR.

Bygge-, eller kapitalkostnader til side, tiltak for å dempe global oppvarming , som en karbonavgift eller karbonutslippshandel , favoriserer i økende grad økonomien til kjernekraft. Det er håp om å oppnå ytterligere effektivitet gjennom mer avanserte reaktordesign, Generation III-reaktorer lover å være minst 17 % mer drivstoffeffektive, og ha lavere kapitalkostnader, mens Generation IV-reaktorer lover ytterligere gevinster i drivstoffeffektivitet og betydelige reduksjoner i kjernefysisk avfall.

Enhet 1 av Cernavodă kjernekraftverk i Romania

I Øst-Europa sliter en rekke veletablerte prosjekter med å finne finansiering, spesielt Belene i Bulgaria og tilleggsreaktorene i Cernavodă i Romania , og noen potensielle støttespillere har trukket seg. Der billig gass er tilgjengelig og fremtidig forsyning relativt sikker, utgjør dette også et stort problem for atomprosjekter.

Analyse av kjernekraftens økonomi må ta hensyn til hvem som bærer risikoen for fremtidige usikkerheter. Til dags dato ble alle atomkraftverk i drift utviklet av statseide eller regulerte forsyningsselskaper der mange av risikoene knyttet til byggekostnader, driftsytelse, drivstoffpris og andre faktorer ble båret av forbrukere i stedet for leverandører. Mange land har nå liberalisert elektrisitetsmarkedet der denne risikoen og risikoen for at billigere konkurrenter dukker opp før kapitalkostnadene dekkes, bæres av stasjonsleverandører og -operatører i stedet for forbrukere, noe som fører til en vesentlig annen vurdering av økonomien til nye kjernekraftverk. .

Etter atomulykken i Fukushima i Japan i 2011 , vil kostnadene sannsynligvis øke for nåværende drift og nye atomkraftverk, på grunn av økte krav til håndtering av brukt brensel på stedet og forhøyede trusler om designgrunnlag. Imidlertid bruker mange design, som for tiden under konstruksjon AP1000, passive kjernefysiske sikkerhetskjølesystemer , i motsetning til de fra Fukushima I som krevde aktive kjølesystemer, noe som stort sett eliminerer behovet for å bruke mer på overflødig sikkerhetsutstyr for sikkerhetskopiering.

I mars 2020

  • Kjernekraft er kostnadskonkurransedyktig med andre former for elektrisitetsproduksjon, bortsett fra der det er direkte tilgang til lavkost fossilt brensel.
  • Drivstoffkostnader for kjernekraftverk er en mindre andel av totale produksjonskostnader, selv om kapitalkostnadene er større enn for kullkraftverk og mye større enn for gasskraftverk.
  • Systemkostnadene for kjernekraft (samt kull- og gassfyrt produksjon) er svært mye lavere enn for intermitterende fornybar energi.
  • Å tilveiebringe insentiver for langsiktige investeringer med høy kapital i deregulerte markeder drevet av kortsiktige prissignaler er en utfordring for å sikre et diversifisert og pålitelig strømforsyningssystem.
  • Ved vurdering av økonomien til kjernekraft tas det fullt ut hensyn til kostnader ved avvikling og avfallshåndtering.
  • Bygging av kjernekraftverk er typisk for store infrastrukturprosjekter rundt om i verden, hvis kostnader og leveringsutfordringer har en tendens til å være undervurdert.

Sikkerhet og ulykker

Hypotetisk antall globale dødsfall som ville ha vært et resultat av energiproduksjon hvis verdens energiproduksjon ble dekket gjennom en enkelt kilde, i 2014.

Moderne atomreaktordesign har hatt mange sikkerhetsforbedringer siden førstegenerasjons atomreaktorer. Et atomkraftverk kan ikke eksplodere som et atomvåpen fordi drivstoffet til uranreaktorer ikke er anriket nok, og atomvåpen krever presisjonssprengstoffer for å tvinge drivstoff inn i et lite nok volum til å bli superkritisk. De fleste reaktorer krever kontinuerlig temperaturkontroll for å forhindre en kjernesmelting , som har skjedd ved noen få anledninger gjennom ulykker eller naturkatastrofer, frigjør stråling og gjør området rundt ubeboelig. Anlegg må forsvares mot tyveri av kjernefysisk materiale og angrep fra fiendtlige militærfly eller missiler.

De mest alvorlige ulykkene til dags dato har vært Three Mile Island-ulykken i 1979 , Tsjernobyl-katastrofen i 1986 og atomkatastrofen i Fukushima Daiichi i 2011 , tilsvarende starten på driften av generasjon II-reaktorer .

Professor i sosiologi Charles Perrow uttaler at flere og uventede feil er innebygd i samfunnets komplekse og tett sammenkoblede atomreaktorsystemer. Slike ulykker er uunngåelige og kan ikke utformes rundt. Et tverrfaglig team fra MIT har anslått at gitt den forventede veksten av kjernekraft fra 2005 til 2055, vil det forventes minst fire alvorlige atomulykker i den perioden. MIT-studien tar ikke hensyn til forbedringer i sikkerhet siden 1970.

Kontrovers

Den ukrainske byen Pripyat ble forlatt på grunn av en atomulykke, som fant sted ved kjernekraftverket i Tsjernobyl 26. april 1986, sett i bakgrunnen.

Kjernekraftdebatten om utplassering og bruk av kjernefysiske fisjonsreaktorer for å generere elektrisitet fra kjernebrensel til sivile formål toppet seg på 1970- og 1980-tallet, da den "nådde en intensitet uten sidestykke i historien til teknologikontroverser," i noen land.

Talsmenn hevder at kjernekraft er en bærekraftig energikilde som reduserer karbonutslipp og kan øke energisikkerheten hvis bruken erstatter en avhengighet av importert drivstoff. Talsmenn fremmer forestillingen om at atomkraft produserer praktisk talt ingen luftforurensning, i motsetning til det viktigste levedyktige alternativet fossilt brensel. Talsmenn mener også at atomkraft er den eneste levedyktige veien for å oppnå energiuavhengighet for de fleste vestlige land. De understreker at risikoen ved å lagre avfall er liten og kan reduseres ytterligere ved å bruke den nyeste teknologien i nyere reaktorer, og driftssikkerhetsrekorden i den vestlige verden er utmerket sammenlignet med andre store typer kraftverk.

Motstanderne sier at atomkraft utgjør mange trusler mot mennesker og miljø, og at kostnader ikke rettferdiggjør fordeler. Trusler inkluderer helserisiko og miljøskade fra uranutvinning , prosessering og transport, risikoen for spredning av atomvåpen eller sabotasje, og det uløste problemet med radioaktivt atomavfall . Et annet miljøspørsmål er utslipp av varmt vann til sjøen. Det varme vannet endrer miljøforholdene for marin flora og fauna. De hevder også at reaktorer i seg selv er enormt komplekse maskiner der mange ting kan og går galt, og det har vært mange alvorlige atomulykker . Kritikere tror ikke at disse risikoene kan reduseres gjennom ny teknologi , til tross for raske fremskritt innen inneslutningsprosedyrer og lagringsmetoder.

Motstandere hevder at når alle de energikrevende stadiene i kjernefysisk brenselkjede vurderes, fra uranutvinning til atomavvikling , er ikke kjernekraft en lavkarbonelektrisitetskilde til tross for muligheten for foredling og langtidslagring som drives av et kjernefysisk anlegg. . De landene som ikke inneholder urangruver kan ikke oppnå energiuavhengighet gjennom eksisterende kjernekraftteknologier. Faktiske byggekostnader overstiger ofte estimater, og håndteringskostnader for brukt brensel er vanskelig å definere.

1. august 2020 lanserte De forente arabiske emirater den arabiske regionens første atomkraftverk noensinne. Enhet 1 av Barakah-anlegget i Al Dhafrah-regionen i Abu Dhabi begynte å generere varme den første dagen av lanseringen, mens de resterende 3 enhetene bygges. Leder for Nuclear Consulting Group, Paul Dorfman, advarte imidlertid Gulf-nasjonens investering i anlegget som en risiko for å "ytterligere destabilisere den flyktige Gulf-regionen, skade miljøet og øke muligheten for atomspredning."

Reprosessering

Kjernefysisk reprosesseringsteknologi ble utviklet for å kjemisk separere og gjenvinne spaltbart plutonium fra bestrålt kjernebrensel. Reprosessering tjener flere formål, hvis relative betydning har endret seg over tid. Opprinnelig ble reprosessering utelukkende brukt til å utvinne plutonium for å produsere atomvåpen . Med kommersialiseringen av kjernekraft ble det opparbeidede plutoniumet resirkulert tilbake til MOX kjernebrensel for termiske reaktorer . Det opparbeidede uranet , som utgjør hoveddelen av det brukte brenselmaterialet, kan i prinsippet også gjenbrukes som brensel, men det er kun økonomisk når uranprisen er høy eller deponeringen er kostbar. Til slutt kan oppdrettsreaktoren ikke bare bruke resirkulert plutonium og uran i brukt brensel, men alle aktinidene , noe som lukker kjernefysisk brenselsyklus og potensielt multiplisere energien som utvinnes fra naturlig uran med mer enn 60 ganger.

Kjernefysisk reprosessering reduserer volumet av høyaktivt avfall, men reduserer i seg selv ikke radioaktivitet eller varmeutvikling og eliminerer derfor ikke behovet for et geologisk avfallsdepot. Reprosessering har vært politisk kontroversielt på grunn av potensialet til å bidra til atomspredning , den potensielle sårbarheten for kjernefysisk terrorisme , de politiske utfordringene med deponiplassering (et problem som gjelder like mye for direkte deponering av brukt brensel), og på grunn av dets høye kostnader sammenlignet med drivstoffsyklusen én gang. I USA gikk Obama-administrasjonen tilbake fra president Bushs planer for reprosessering i kommersiell skala og gikk tilbake til et program fokusert på reprosesseringsrelatert vitenskapelig forskning.

Ulykkeserstatning

Atomkraft arbeider under et forsikringsrammeverk som begrenser eller strukturerer ulykkesansvar i samsvar med Pariskonvensjonen om tredjepartsansvar på atomenergiområdet , tilleggskonvensjonen i Brussel og Wienkonvensjonen om sivilt ansvar for kjernefysisk skade . Imidlertid er stater med et flertall av verdens atomkraftverk, inkludert USA, Russland, Kina og Japan, ikke part i internasjonale konvensjoner om atomansvar.

forente stater
I USA er forsikring for kjernefysiske eller radiologiske hendelser dekket (for anlegg lisensiert gjennom 2025) av Price-Anderson Nuclear Industries Indemnity Act .
Storbritannia
Under energipolitikken til Storbritannia gjennom 1965 Nuclear Installations Act, er ansvar styrt for atomskader som en britisk atomlisenshaver er ansvarlig for. Loven krever at den ansvarlige operatøren skal betale erstatning for skade opp til en grense på £150 millioner i ti år etter hendelsen. Mellom ti og tretti år etterpå oppfyller Regjeringen denne forpliktelsen. Regjeringen er også ansvarlig for ytterligere begrenset grenseoverskridende ansvar (omtrent £300 millioner) i henhold til internasjonale konvensjoner ( Paris-konvensjonen om tredjepartsansvar på atomenergiområdet og Brussel-konvensjonen som supplement til Paris-konvensjonen).

Dekommisjonering

Kjernefysisk dekommisjonering er demontering av et kjernekraftverk og dekontaminering av stedet til en stat som ikke lenger krever beskyttelse mot stråling for allmennheten. Hovedforskjellen fra demontering av andre kraftstasjoner er tilstedeværelsen av radioaktivt materiale som krever spesielle forholdsregler for å fjerne og trygt flytte til et avfallsdepot.

Dekommisjonering innebærer mange administrative og tekniske handlinger. Det inkluderer all opprydding av radioaktivitet og progressiv riving av stasjonen. Når et anlegg er tatt ut av drift, skal det ikke lenger være noen fare for en radioaktiv ulykke eller for personer som besøker det. Etter at et anlegg er fullstendig tatt ut av drift, frigjøres det fra myndighetskontroll, og rettighetshaveren til stasjonen har ikke lenger ansvar for dens atomsikkerhet.

Tidspunkt og utsettelse av avvikling

Generelt sett ble atomstasjoner opprinnelig designet for en levetid på rundt 30 år. Nyere stasjoner er designet for en levetid på 40 til 60 år. Centurion-reaktoren er en fremtidig klasse av atomreaktorer som blir designet for å vare i 100 år .

En av de viktigste begrensende slitasjefaktorene er forringelsen av reaktorens trykkbeholder under påvirkning av nøytronbombardement, men i 2018 kunngjorde Rosatom at de hadde utviklet en termisk glødeteknikk for reaktortrykkbeholdere som forbedrer strålingsskader og forlenger levetiden med mellom 15 og 30 år.

Fleksibilitet

Atomstasjoner brukes først og fremst til grunnlast på grunn av økonomiske hensyn. Drivstoffkostnaden ved drift for en kjernekraftstasjon er mindre enn drivstoffkostnaden for drift av kull- eller gassanlegg. Siden det meste av kostnadene ved kjernekraftverk er kapitalkostnader, er det nesten ingen kostnadsbesparelser ved å drive det med mindre enn full kapasitet.

Atomkraftverk brukes rutinemessig i belastningsfølgemodus i stor skala i Frankrike, selv om "det er generelt akseptert at dette ikke er en ideell økonomisk situasjon for atomstasjoner." Enhet A ved det nedlagte tyske Biblis kjernekraftverk ble designet for å modulere produksjonen 15 % per minutt mellom 40 % til 100 % av dens nominelle kraft.

Se også

Fotnoter

Eksterne linker