โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาจากเซลล์และนำไปใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตกระแสไฟฟ้า แม้ว่าพลังงานนิวเคลียร์จะมีส่วนแบ่งเพียงประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตในประเทศสหรัฐอเมริกากำลังการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ของประเทศอยู่ในระดับที่สูงที่สุดของประเทศอื่น ๆ คือ 101 กิกะวัตต์ในปี 2553
องค์ประกอบทั่วไปของพลังงานนิวเคลียร์
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มีองค์ประกอบเหล่านี้ร่วมกัน:
เชื้อเพลิง - ยูเรเนียมเป็นกัมมันตรังสีโลหะหนักเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ หลังจากกระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมกลายเป็นเชื้อเพลิงที่เข้มข้นมาก
เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในเชิงพาณิชย์ต้องใช้เชื้อเพลิงยูเรเนียมที่ร่ำรวยหลายพันปอนด์เพื่อให้สามารถใช้งานได้ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์พลเรือนในสหรัฐฯซื้อแร่ยูเรเนียม (U3O8 equivalent) ประมาณ 50 ล้านปอนด์ต่อปีซึ่งส่วนใหญ่มาจากต่างประเทศ
ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นในพื้นที่ต่างๆทั่วโลกโดยเฉพาะในคาซัคสถาน, แคนาดา, ออสเตรเลียและแอฟริกา สหรัฐอเมริกาเป็นหนึ่งใน 10 อันดับแรกของผู้ผลิตยูเรเนียม
ก้านควบคุม - ทำจากวัสดุดูดซับนิวตรอนเช่นแคดเมียมฮาฟนีโอหรือโบรอนแท่งควบคุมถูกแทรกหรือถอนตัวออกจากแกนเพื่อควบคุมอัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือเพื่อหยุดการทำงานถ้าจำเป็น
ผู้ดำเนินรายการ - วัสดุในแกนเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งจะชะลอการปลดปล่อยนิวตรอนออกจากการแตกตัวเพื่อทำให้เกิดการแตกตัวมากขึ้น
ผู้ดูแลมักจะเป็นน้ำธรรมดา (น้ำอ่อน) แต่อาจเป็นน้ำที่หนัก (D20) หรือแกรไฟต์
Coolant - ของเหลวหรือก๊าซที่หมุนเวียนผ่านแกนเพื่อถ่ายเทความร้อนออกจากตัวมัน ในเครื่องทำน้ำอุ่นผู้ควบคุมน้ำยังทำหน้าที่เป็นสารทำความเย็นหลัก
การกักขัง - เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถูกฝังอยู่ในโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อป้องกันไม่ให้กัมมันตภาพรังสีหนีออกสู่ชั้นบรรยากาศ
กระบวนการพื้นฐานของพลังงานนิวเคลียร์
ฟิสิกส์นิวเคลียร์เป็นเทคนิคมาก แต่ขั้นตอนพื้นฐานสำหรับการผลิตไฟฟ้าที่มีพลังงานนิวเคลียร์มีดังนี้:
แกนเครื่องปฏิกรณ์ผลิตความร้อนและกัมมันตภาพรังสีในกระบวนการที่เรียกว่าการแยกตัว (atomisation-split) ภายในแกนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ยูเรเนียม เมื่อนิวเคลียสของยูเรเนียมแยกตัวออกนิวตรอน เมื่อนิวตรอนชนอะตอมของยูเรเนียมอื่นนิวเคลียสเหล่านั้นก็แยกออกปล่อยนิวตรอนของพวกเขาเพื่อตีอะตอมอื่น ๆ ทำให้เกิดการแตกตัวมากขึ้น การแยกอะตอมต่อเนื่องเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่
ความร้อนจากปฏิกิริยาฟิวชั่นที่ควบคุมได้ถูกนำมาใช้ในการผลิตไอน้ำจากน้ำโดยตรงเช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) หรือทางอ้อมเช่นเดียวกับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แรงดัน (PWR) ซึ่งมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไอน้ำ
ไอน้ำขับเคลื่อนกังหันให้เป็นกำลัง
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตกระแสไฟฟ้าที่กระจายไปยังตะแกรงไฟฟ้า
ประเภทเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
ใช้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ชนิดต่าง ๆ ทั่วโลก อย่างไรก็ตามชนิดที่พบมากที่สุดคือเครื่องปฏิกรณ์น้ำแบบแรงดัน (PWR) และเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด (BWR) ซึ่งจัดเป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเบา ในสหรัฐอเมริกา PWR และ BWR เป็นโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์เพียงสองประเภทที่ใช้งานได้
- เครื่องปฏิกรณ์แบบน้ำเดือด (Boiling Water Reactor - BWR) - ในเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้ฟิวชั่นจะให้ความร้อนที่เดือดน้ำในแกนเครื่องปฏิกรณ์ ไอน้ำจากน้ำเดือดช่วยให้กังหันขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า เครื่องปฏิกรณ์ที่โรงงาน Fukushima Naiishi ทางตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศญี่ปุ่นได้รับความเสียหายในเหตุแผ่นดินไหวและสึนามิเมื่อเดือนมีนาคม 2554 ได้แก่ BWRs
- เครื่องปฏิกรณ์น้ำแรงดันสูง (PWR) - เครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตพลังงาน ใช้น้ำเป็นสารหล่อเย็นและ moderator ซึ่งเป็นตัวช่วยควบคุมความเร็วของการแตกตัว ในระบบหล่อเย็นปฐมภูมิที่ปิดสนิทน้ำที่ถูกให้ความร้อนด้วยพลังงานความร้อนจากการแยกตัวเมื่อผ่านแกนจะถูกเก็บไว้ภายใต้แรงดันสูงดังนั้นจึงไม่เดือด ไอน้ำถูกผลิตในห่วงหล่อเย็นแบบทุติยภูมิและใช้ในการขับเคลื่อนกังหันที่ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
- เครื่องปฏิกรณ์ CANDU และเครื่องปฏิกรณ์ที่ผ่านการควบคุมด้วยน้ำหนัก - การออกแบบเหล่านี้ใช้น้ำหนักเป็น moderator น้ำหนัก - ด้วยดิวเทอเรียมแทนที่ทั้งสองอะตอมไฮโดรเจน - ในฐานะผู้ดูแลชะลอการเกิดนิวตรอนในกระบวนการฟิชชันและช่วยให้สามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้มากกว่ายูเรเนียมเสริมสมรรถนะเป็นเชื้อเพลิง
- เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบ Pebble Bed - เครื่องปฏิกรณ์ อุณหภูมิสูงที่ใช้สารหล่อเย็นฮีเลียมและเชื้อเพลิงที่บรรจุอยู่ในแกรไฟต์และซิลิคอนคาร์ไบด์เพื่อให้แน่ใจว่ามีการแยกสารเคมีออกและความต้านทานต่อการล่มสลาย