Nükleer enerji santrali
Temel bileşenler > Sistemler

Elektrik enerjisine dönüşüm, geleneksel termik santrallerde olduğu gibi dolaylı olarak gerçekleşir. Nükleer reaktördeki fisyon, reaktör soğutma sıvısını ısıtır. Soğutma sıvısı, reaktörün türüne bağlı olarak su, gaz veya hatta sıvı metal olabilir. Reaktör soğutma sıvısı daha sonra bir buhar jeneratörüne gider ve buhar üretmek için suyu ısıtır. Basınçlı buhar daha sonra genellikle çok aşamalı bir buhar türbinine beslenir. Buhar türbini buharı boşaltıp kısmen yoğunlaştırdıktan sonra, kalan buhar bir kondansatörde yoğunlaştırılır. Kondansatör, nehir veya soğutma kulesi gibi ikincil tarafa bağlı bir ısı eşanjörüdür. Daha sonra su, buhar jeneratörüne geri pompalanır ve döngü tekrar başlar. Su-buhar çevrimi Rankine çevrimine karşılık gelir.
Nükleer reaktör, istasyonun kalbidir. Reaktörün çekirdeği, merkez kısmında nükleer fisyon nedeniyle ısı üretir. Bu ısıyla, reaktöre pompalanan soğutucu ısıtılır ve böylece reaktörden enerji alınır. Nükleer fisyondan gelen ısı, türbinlerden geçen ve elektrik jeneratörlerine güç veren buharı yükseltmek için kullanılır.
Nükleer reaktörler genellikle zincirleme reaksiyonu beslemek için uranyuma dayanır. Uranyum, dünyada bol miktarda bulunan ve deniz suyunda ve çoğu kayada bulunan çok ağır bir metaldir. Doğal olarak oluşan uranyum iki farklı izotopta bulunur: %99,3'nü oluşturan uranyum-238 (U-238) ve yaklaşık %0,7'sini oluşturan uranyum-235 (U-235). U-238'in 146 nötronu ve U-235'in 143 nötronu vardır.
Farklı izotopların farklı davranışları vardır. Örneğin, U-235 bölünebilir, yani kolayca bölünebilir ve çok enerji yayar, bu ise U-235'i nükleer enerji için ideal yapar. Öte yandan, U-238 aynı element olmasına rağmen bu özelliği yoktur. Ayrıca farklı izotopların farklı yarı ömürleri vardır. U-238, U-235'ten daha uzun yarı ömre sahiptir, bu nedenle zamanla bozunması daha uzun sürer. Bu ayrıca U-238'in U-235'ten daha az radyoaktif olduğu anlamına gelir.
Nükleer fisyon radyoaktivite yarattığından, reaktör çekirdeği koruyucu bir kalkanla çevrilidir. Bu muhafaza radyasyonu emer ve radyoaktif malzemenin çevreye salınmasını önler. Ayrıca birçok reaktör, reaktörü hem iç kazalara hem de dış etkilere karşı korumak için bir beton kubbe ile donatılmıştır.
Buhar türbininin amacı buhardaki ısıyı mekanik enerjiye dönüştürmektir. Buhar türbininin bulunduğu motor bölmesi genellikle yapısal olarak ana reaktör binasından ayrılır. Çalışır durumdaki bir türbinin tahribatından kaynaklanan döküntülerin reaktöre doğru uçmasını önleyecek şekilde hizalanır.
Basınçlı su reaktöründe buhar türbini nükleer sistemden ayrılır. Buhar jeneratöründeki bir sızıntıyı ve dolayısıyla radyoaktif suyun geçişini erken bir aşamada tespit etmek için, buhar jeneratörünün çıkış buharını izlemek üzere bir aktivite ölçer takılır. Buna karşılık, kaynar su reaktörleri radyoaktif suyu buhar türbininden geçirir, böylece türbin nükleer santralin radyolojik olarak kontrol edilen alanının bir parçası olarak tutulur.
Elektrik jeneratörü, türbin tarafından sağlanan mekanik gücü elektrik gücüne dönüştürür. Yüksek nominal güce sahip düşük kutuplu AC senkron jeneratörler kullanılır. Bir soğutma sistemi, reaktör çekirdeğinden ısıyı alır ve onu istasyonun başka bir alanına taşır; burada termal enerji, elektrik üretmek veya diğer yararlı işler yapmak için kullanılabilir. Genellikle sıcak soğutucu, bir kazan için ısı kaynağı olarak kullanılır ve buradan gelen basınçlı buhar, bir veya daha fazla buhar türbini ile çalışan elektrik jeneratörünü çalıştırır.
Acil bir durumda, boruların patlamasını veya reaktörün patlamasını önlemek için emniyet valfleri kullanılabilir. Valfler, basınçta çok az artışla sağlanan tüm akış hızlarını elde edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Kaynar su reaktörü durumunda, buhar bastırma odasına yönlendirilir ve orada yoğunlaşır. Isı eşanjöründeki odalar ara soğutma devresine bağlanır.
Ana kondenser, türbin-jeneratör egzozundan gelen ıslak buharı, sıvı su ve doygunluk koşullarındaki buhar karışımını alıp onu tekrar alt soğutulmuş sıvı suya yoğunlaştıran ve böylece kondensat ve besleme suyu pompaları tarafından reaktöre geri pompalanabilen büyük çapraz akışlı kovan ve borulu ısı eşanjörüdür.
Ana kondenserde, türbinin ıslak buhar egzozu, diğer tarafta çok daha soğuk su akan binlerce boruyla temas eder. Soğutma suyu genellikle nehir veya göl gibi doğal bir su kaynağından gelir. Phoenix, Arizona'nın yaklaşık 97 kilometre (60 mi) batısında çölde bulunan Palo Verde Nükleer Üretim İstasyonu, soğutma için doğal bir su kütlesi kullanmayan tek nükleer tesistir, bunun yerine Phoenix metropol alanından gelen arıtılmış kanalizasyon suyu kullanır. Soğutma su kaynağından gelen su, ya daha yüksek bir sıcaklıkta su kaynağına geri pompalanır ya da daha fazla kullanım için soğuduğu veya kulenin tepesinden yükselen su buharına karıştığı soğutma kulesine geri döner.
Buhar jeneratöründeki ve nükleer reaktördeki su seviyesi besleme suyu sistemi kullanılarak kontrol edilir. Besleme su pompasının görevi, suyu kondensat sisteminden almak, basıncı artırmak ve basınçlı su reaktörü durumunda buhar jeneratörlerine veya kaynar su reaktörleri durumunda doğrudan reaktöre basmaktır.
Tesise sürekli güç sağlanması, güvenli bir işletim sağlamak için kritik öneme sahiptir. Çoğu nükleer santral, yedek olması için en az iki ayrı dış güç kaynağına gerek duyar. Bunlar genellikle yeterince ayrılmış ve birden çok iletim hattından güç alabilen birçok trafo tarafından sağlanır. Ayrıca bazı nükleer santrallerde türbin jeneratörü, harici güç gerektirmeden, santral çevrimiçiyken santralin yüklerine güç verebilir. Bu, jeneratör çıkışından gelen gücü yükseltici trafoya ulaşmadan önce kullanan istasyon servis trafoları aracılığıyla gerçekleştirilir.