Cea mai mare parte a energiei electrice este produsă în instalaţii speciale numite centrale electrice. Există trei tipuri principale de astfel de instalaţii: hidrocentralele, termocentralele şi centralele nucleare. Toate funcţionează pe acelaşi principiu: transformarea unei alte forme de energie în energie electrică. Centralele sunt deci uriaşe instalaţii de transformare a energiei.
Centralele nucleare îşi extrag energia din căldura degajată în urma reacţiilor nucleare. Partea principală a acestor centrale o constituie reactorul de fuziune nucleară. Căldura intensă care se degajă prin fisiunea atomilor instabili, cum sunt cei de uraniu, transformă apa în vapori. Aceşti vapori vor învârti turbine şi alternatoare.
Principala parte activă a unei turbine este rotorul pe care este montată o garnitură de palete. Rotorul se află într-o carcasă prevăzută cu palete fixe pentru dirijarea fluxului aburilor. Rotorul este acţionat de aburi aflaţi sub mare presiune.
Aburii ajung în carcasa turbinei prin ajutaje. Când aburii sunt eliberaţi, presiunea lor scade şi ei se dilată. Această dilatare determină creşterea vitezei lor, care poate întrece de mai multe ori viteza sunetului. De exemplu, dilatarea aburilor de la o presiune de 12 atmosfere la o presiune de o jumătate de atmosferă îi dă o viteză de aproximativ 1.100 m/s. Aburii care se deplasează cu o viteză atât de mare au şi energie foarte mare care însă nu poate fi cu uşurinţă transferată în întregime la paletele de rotor ale turbinei. Pentru un transfer maxim de energie de la aburi la turbină, paletele trebuie să se deplaseze cu jumătatea vitezei aburilor. Acest lucru este adesea greu de obţinut, şi o mare parte din energia disponibilă poate să se piardă. O modalitate de a depăşi această problemă este folosirea mai multor garnituri de palete de turbină. Lungimea paletelor creşte progresiv de la canalul de admisie la cel de evacuare pentru a asigura spaţiu de dilatare aburilor.
Turbinele folosite la centralele energetice acţionează generatoare de electricitate. Pentru puteri de până la 300 MW, un singur şir de rotoare de turbină acţionează un generator. Pentru o putere mai mare, două rotoare compuse în cruce acţionează generatoare separate. Generatoarele din centralele energetice produc curent alternativ. Generatorul de curent alternativ este un sistem ingenios de producere a energiei electrice cu ajutorul unui magnet. El este alcătuit dintr-o bobină conductoare, pătrată, care se roteşte în câmpul magnetic al unui magnet fix. Această mişcare induce (sau produce) în bobină un curent care îşi schimbă sensul (altfel spus un curent alternativ). Acest curent trece prin inelele colectoare care se rotesc împreună cu bobina. Nişte perii fixe, care sunt în contact cu aceste inele, adună curentul şi îl canalizează pentru a putea fi utilizat.
În reactoarele centralelor nucleare are loc reacţia de fisiune. Atunci când un nucleu atomic de dimensiuni mari – cum este cel de uraniu – absoarbe un neutron, devine instabil: el se va sparge în mai multe fragmente, cu degajare mare de energie, ceea ce accelerează puternic fragmentele rezultate, care ating viteze foarte mari. Aceasta este fisiunea nucleară. Datorită vitezei lor mari, fragmentele rezultate în urma fuziunii pot pătrunde la rândul lor în alţi atomi, unde provoacă alte fisiuni. Astfel, reacţiile de fisiune se desfăşoară în lanţ. Rezultatul acestui lanţ de reacţii este un flux rapid de neutroni şi degajarea unei foarte mari cantităţi de energie. Reacţia de fisiune în lanţ poate fi încetinită sau chiar oprită dacă pe traiectoria neutronilor se plasează un încetinitor (sau moderator) care absoarbe neutronii prea rapizi. Energia nucleară care se degajă este captată, evacuată, apoi transformată în energie utilizabilă.
Un excelent moderator pentru neutronii rapizi este apa grea prin deuteriul pe care îl conţine. Principiul moderării constă în ciocniri repetate elastice între neutronul rapid şi deuteriul din apa grea în urma cărora neutronul pierde energie şi se transformă în neutron termic.
Reacţia de fisiune se realizează în zona activă a reactorului nuclear (calandria), iar energia termică rezultată este îndepărtată cu ajutorul apei grele din circuitul primar. Apa grea din circuitul primar este vehiculată prin intermediul unor pompe de construcţie specială la generatoarele de abur, unde transferă energia termică apei obişnuite din circuitul secundar, care se transformă în abur.
La centralele nuclearo-electrice produsele rezultate în urma reacţiei de fisiune sunt formate dintr-o gamă largă de elemente radioactive, iar prin concepţia de proiectare şi realizare a acestora se urmăreşte menţinerea lor acolo unde s-au format (în combustibil).
Pentru atingerea acestui deziderat se aplică “apărarea în adâncime”. Apărarea în adâncime constă dintr-o succesiune de bariere fizice şi niveluri de protecţie care au ca scop menţinerea produselor de fisiune în zona activă şi evitarea împrăştierii lor în centrală sau în afara acesteia.
Centrala nucleară pare o instalaţie cu un flux tehnologic foarte complicat, dar în realitate există o serie de sisteme care au numai funcţii de securitate, fiind pregătite în orice moment să acţioneze pentru prevenirea incidentelor nucleare sau atunci când acestea s-au produs să le limiteze efectele. Dacă centrala nucleară funcţionează normal, sistemele de securitate rămân inactive pe toată durata de exploatare a acesteia.