نیروگاه هسته‌ای مانند هر مرکز مولد برق با هدف تولید برق ایجاد می‌شود. تولید برق کار مشکلی به نظر نمی‌رسد. هر یک از شما احتمالا تکمه فلاش عکاسی یا استارت یک اتومبیل را زده است. در هر دوی اینها از انرژی الکتریکی ذخیره شده در یک باطری در موقع لزوم استفاده می‌شود. ولی یک ایستگاه مولد برق را نمی‌توان از تعداد زیادی باطری متصل به هم تشکیل داد. دو دلیل بسیار مهم وجود دارد که چرا این کار نمی‌تواند صورت پذیرد:

 

اول اینکه باطریها مقدار انرژی الکتریکی محدودی دارند و نمی‌توانند بدون آنکه مرتب پر شوند مدت طولانی دوام داشته باشند، علاوه بر این برای پرکردن آنها نیاز به منبع انرژی الکتریکی دیگری است.

 

دوم اینکه باطریها نمی‌توانند انرژی الکتریکی به مقدار زیاد در زمان کوتاهی تهیه کنند. اگر باطری نمی‌تواند منظور یک یک مرکز تولید برق را برآورده سازد پس چه چیز می‌تواند؟ 

مردم سالهای متمادی است حرکت مکانیکی را برای تولید برق مورد نیاز خود بکار می‌برند. می‌دانید اساس کار یک دستگاه مولد برق (ژنراتور) ، اعم از مولد جریان مستقیم یا متفاوت ، حرکت نسبی یک‌ هادی در میدان مغناطیسی است. ولی مولد یک عیب دارد آن این است که مانند باطری نمی‌تواند انرژی الکتریکی ذخیره کند، به عبارت دیگر برقی که مولد تولید می‌کند باید در حین تولید مصرف شود.

 

در همه مولد‌ها یک چیز مشترک است، همه آنها نیاز به منبع قدرت دارند تا استوانه حامل‌هادی‌ها را ، یا آهنربای مولد میدان مغناطیسی را بچرخاند یعنی حرکت مکانیکی سیم‌ها را در میدان مغناطیسی ثابت ( یا حرکت آهنربا را در مقابل سیم پیچ‌ها ثابت) تامین کند. منابع قدرت مورد استفاده انواع مختلف دارند. چهار نوع از آنها که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از توربین آبی ، توربین بخار ، توربین گازی و موتور‌های درون سوز. 

در نیروگاه‌های هیدرولیک برای چرخاندن مولد برق (ژنراتور) از توربین آبی استفاده می‌شود. این طریقه تولید برق از لحاظ اقتصاد با صرفه است ولی محدودیت جغرافیایی محل از لحاظ سد سازی دارد. 

استفاده از توربین گازی برای به کار انداختن مولد‌های برق روز افزون است. اساس کار توربین‌های گازی مانند کار موتور‌های جت است. سوخت می‌سوزد و گازهای حاصل از سوختن در توربین منبسط می‌شود. ساختن توربین‌های گازی کم خرج است ولی بهره برداری از آنها پرخرج می‌باشد، علاوه بر این ابعاد آنها محدود است. به همین جهت اغلب آنها را به عنوان واحد‌های اضافی برای تدارک الکتریسیته بیش از معمول ، بویژه هنگامی که مصارف اختصاصی مورد نیاز است ، بکار می‌روند. 

توربین بخار وسیله متداولتری برای تامین توان مکانیکی جهت چرخاندن القاء کن مولد برق از نیروگاه است. تفاوت یک نیروگاه بخار با نیروگاههای دیگر در چگونگی تولید بخار است. هر روشی که بکار می‌رود باید مقدار زیادی گرما برای تولید بخار لازم جهت بکار انداختن توربین‌های بخار تهیه شود. در نیروگاههای با سوخت فسیلی این گرما از سوختن زغال سنگ ، نفت ، یا گاز طبیعی حاصل می‌شود. در نیروگاه هسته‌ای گرما از شکافت اتمهای سوخت اورانیوم به دست می‌آید. 

نیروگاه با سوخت فسیلی

نیروگاههای با سوخت فسیلی مدرن پیچیده و پراجزایند، ولی در همه آنها شش مرحله زیر انجام می‌گیرد:

 

 

سوختن

تولید بخار

کارکردن توربین

مولد

چگالیدن بخار

برگشت آب حاصل از چگالیدن بخار به دیگ

مکانیسم مراحل نیروگاه با سوخت فسیلی

در نیروگاه با سوخت فسیلی ، اول باید سوخت را آماده کرد. مثلا اگر سوخت زغال سنگ است باید به صورت گرد درآید، چنانچه نفت است باید گرم شود ، سپس سوخت آماده شده ، به داخل کوره تزریق یا پاشیده شود. در کوره سوخت با هوا مخلوط شده می‌سوزد و گرمای حاصل از سوختن آن برای تولید بخار بکار می‌رود و چرخه تولید بخار آغاز می‌شود، بخار در توربین منبسط شده و آن را می‌چرخاند و چون محور توربین به محور مولد برق اتصال دارد القاء کن مولد نیز به چرخش در می‌آید و برق تولید می‌شود، بخار پس از خروج از توربین باید متراکم شده دوباره به صورت آب در آید بطوریکه بتوان آن را بوسیله تلمبه به دیگ برگردانده دوباره از آن استفاده کرد. 

تبدیلات انرژی در مکانیسم کار نیروگاه با سوخت فسیلی

در این شش مرحله که در نیروگاه با سوخت فسیلی جریان دارند، انرژی در مراحل پی‌درپی از یک صورت به صورت دیگر تبدیل می‌شود:‌ انرژی اولیه در سوخت ذخیره است، وقتی سوخت می‌سوزد مقداری از این انرژی به صورت گرما آزاد می‌شود. آب درون دیگ این انرژی گرمایی را جذب می‌کند و بخار می‌شود. بخار انرژی را به توربین انتقال می‌دهد، در توربین این انرژی به انرژی جنبشی چرخاننده توربین تبدیل می‌گردد که مستقیما به مولد برق انتقال یافته به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و برق تولید می‌گردد. 

 

نیروگاه هسته‌ای

در حال حاضر ، در همه نیروگاههای هسته‌ای از توربین بخار برای چرخاندن مولدهای برق استفاده می‌شود، ولی در این نوع نیروگاه ، یک راکتور هسته‌ای جای یک دیگ بخار نیروگاه با سوخت فسیلی را گرفته است. به جای تهیه دائمی‌سوخت فسیلی ، تزریق آن به کوره و سوختن آن به منظور‌ایجاد گرما ، سوخت هسته‌ای گرمای لازم را برای تولید بخار ایجاد می‌کند. و این سوخت فقط تقریبا در هر سال یک بار تعویض می‌شود. گرمای حاصل شده از سوخت هسته‌ای به سیالی به نام خنک کننده راکتور که در اطراف سوخت جریان دارد انتقال می‌یابد. 

سیال خنک کننده

در اغلب راکتورها سیال خنک کننده آب است ولی دربرخی از راکتورها این سیال گاز یا یک فلز مایع مانند سدیم است. دو نوع راکتور وجود دارد که در آنها سیال خنک کننده آب است، یکی راکتور با آب جوشان (Boling water reactor) با علامت اختصاری B.W.R و دیگر راکتور با آب تحت فشار (Pressurized water reacor) با علامت اختصاری P.W.R. در BWR گرمای حاصل از سوخت هسته‌ای صرف جوشاندن آب خنک کننده می‌شود. در این حالت ، بخار مستقیما در راکتور تولید می‌گردد و این بخار برای چرخاندن توربین بکار می‌رود.

 

در PWR آب خنک کننده راکتور تحت فشار زیاد قرار دارد و حالت جوش در آن نمایان نمی‌شود ولی ، آب در ضمن اینکه از مجاور سوخت هسته‌ای می‌گذرد گرما می‌گیرد سپس با پمپ به درون مبادله کننده‌های بزرگ گرما به نام مولدهای بخار فرستاده می‌شود. در آنجا این گرما ، به دستگاه کاملا جداگانه‌ای که آن هم محتوی آب است انتقال می‌یابد. این آب نسبت به آب خنک کننده راکتور در فشار پایین تری است. بنابراین وقتی که گرما می‌گیرد می‌جوشد و به بخار که باید توربین را بچرخاند تبدیل می‌شود. 

مقایسه دو نیروگاه

از تولید بخار به بعد ، مراحل اصلی در یک نیروگاه هسته‌ای مشابه مراحل نیروگاه با سوخت فسیلی است: بخار در توربین منبسط می‌شود و سبب چرخاندن استوانه متحرک توربین و مولد برق می‌گردد. سپس بخار چگالش یافته به جائیکه تولید می‌شود برمی‌گردد: یعنی در BWR به راکتور و در PWR به دستگاه بخار.