Netherlands

Een kernreactor is een toestel waarin op een gecontroleerde manier een kernsplijtings-kettingreactie plaats vindt en energie wordt vrij gemaakt. Kernreactoren worden gebruikt in kerncentrales om elektriciteit te produceren, voor de aandrijving van grote schepen en van duikboten en ook voor de aandrijving en energievoorziening van sommige ruimteschepen.

Er bestaan ook kernreactoren die gebruikt worden voor de productie van isotopen voor toepassingen in de geneeskunde en in de industrie, reactoren waarmee plutonium dat geschikt is voor kernbommen geproduceerd wordt, en daarnaast worden een aantal reactoren ook uitsluiten d voor wetenschappelijk onderzoek gebruikt.

De energie uit de splijting van uranium in kernreactoren komt vrij in de vorm van warmte. Deze warmte wordt dan omgezet in een vorm van energie die makkelijker kan gebruikt worden. In een typische kerncentrale wordt de warmte meestal gebruikt om water te doen koken waardoor stoom kan gevormd worden die turbines aandrijft en die op hun beurt een stroomgenerator aandrijven.

De eerste commerciële kerncentrale werd geopend in 1956 in Sellafield in Engeland en had oorspronkelijk een vermogen van 50 MW. De figuur toont de voornaamste onderdelen van een typische kerncentrale:
Legende: (A) kernreactorgebouw, (B) controlestaven, (C) reactorvat, (D) stoomgenerator, (E) stoomleiding, (F) stoomturbine, (G) stroomgenerator, (H) elektriciteitsleiding naar de gebruikers, (I) condensor voor de koeling, (J) waterstralen, (K) waterdamp, (L) koelwater.

Er wordt voor gezorgd dat de kettingreactie in een kernreactor net kritiek is, wat betekent dat gemiddeld exact één van de neutronen die bij een splijting van een uraniumkern vrij komt een nieuwe splijting veroorzaakt. In de reactorkern (binnen in het reactorvat) zijn er verschillende componenten aanwezig om dit mogelijk te maken.

De neutronen die bij de splijting van uranium vrij komen hebben een energie van 1 tot 2 MeV. Dergelijke snelle neutronen hebben slechts een zeer kleine kans om de splijting van een 235U kern te veroorzaken en zullen dus langs een groot aantal uraniumkernen passeren vooraleer ze door één van deze uraniumkernen geabsorbeerd worden en een splijting veroorzaken. Dit kan worden verholpen door de neutronen te vertragen tot energieën van de orde van een eV, waarbij de kans op splijting meer dan 1000 keer groter is.

Je kan deze grotere waarschijnlijkheid zien als een gevolg van het feit dat trage neutronen langer in de buurt van een uraniumkern zullen zijn als ze die voorbij komen. Zulke trage neutronen worden thermische neutronen genoemd omdat hun energie ongeveer dezelfde is als de kinetische energie van de moleculen in de lucht rondom ons. Om in een kernsplijtingsreactor neutronen te vertragen wordt de lege ruimte tussen de splijtingsstaven, die het uranium bevatten, opgevuld met een stof die we een moderator noemen. Meestal wordt hiervoor water of grafiet (een vorm van koolstof) gebruikt.

Een reactor die gebruik maakt van thermische neutronen om 235U te splijten noemen we een thermische reactor. De figuur hiernaast toont de voornaamste onderdelen (1-3) er van en ook de verschillende processen (A-D) in een thermische reactor: (1) brandstofstaaf, (2) moderator, (3) controlestaaf, (A) kernsplijting, (B) moderatie (vertraging), (C) absorptie van een neutron door een uraniumkern, (D) invangen van een neutron door de kern van een ander atoom dan uranium.

Als een neutron botst met een atoomkern die het niet absorbeert, kan het daarna in eender welke richting verder bewegen (dit proces noemen we verstrooiing) en kan het ook het gebied waar het splijtbaar materiaal (de uraniumstaven) zich bevindt, verlaten. Als het splijtbaar materiaal wordt omringd met een materiaal dat de neutronen niet absorbeert, maar ze via dit verstrooiingsproces terug naar de splijtstof weerkaatst, kunnen ze opnieuw met uraniumkernen botsen en ze misschien wel splijten.

Deze animatie toont het effect van neutronreflectoren.
Een materiaal dat in kernreactoren rond de splijtstof wordt geplaatst, wordt een reflectorgenoemd. Met een neutronenreflector kan een hoeveelheid subcritical splijtbaar materiaal critical gemaakt worden.

Staal, beryllium of grafiet worden vaak gebruikt als reflector. Een reflector die gemaakt is van een licht materiaal, zoals beryllium of grafiet, zal ook als moderator fungeren en dus de energie van de neutronen verminderen. Een zwaarder materiaal, zoals lood, zal een veel kleiner effect hebben op de energie van de neutronen omdat er dan veel meer botsingen nodig zijn om de energie van de neutronen te verminderen (ongeveer 20 keer meer dan met koolstof).

De animatie hiernaast toont het effect van een reflector.

In een kernreactor streeft men naar een zo efficiënt mogelijke energieproductie. Als de efficiëntie echter te hoog is, dit wil zeggen als per kernsplijting meer dan één neutron een volgende splijting veroorzaakt (de reactor is dan superkritisch), kan dit leiden tot een nucleaire explosie, een situatie die men natuurlijk wil vermijden. Kernreactoren zijn zo gebouwd dat een nucleaire explosie not possible is. Hierdoor moet men natuurlijk de mogelijkheid hebben om te voorkomen dat de kettingreactie plots te snel gaat verlopen. Dit wordt gerealiseerd door de totale hoeveelheid splijtstof op te delen in kleinere stukken die elk kleiner zijn dan de kritische massa (de hoeveelheid materiaal die nodig is om de kettingreactie net op gang te houden), zodat de neutronen niet snel genoeg een nieuwe uraniumkern vinden om te splijten. Deze stukken uranium (vervat in staven, de zogenaamde brandstofstaven) noemen we dan subcritical.

Deze animatie toonthet effect van de controlestaven.

Neutronen kunnen erg gemakkelijk uit het uranium ontsnappen, voordat er een gevaarlijke hoeveelheid energie kan worden opgebouwd. Bovendien plaatst men tussen de brandstofstaven zogenaamde control rods, die cadmium bevatten, een metaal dat erg gemakkelijk neutronen absorbeert. Hoe dieper men deze controlestaven laat zakken tussen de brandstofstaven die het uranium bevatten, hoe moeilijker het wordt voor de neutronen die bij de kernsplijting vrij komen om een nieuwe uraniumkern te vinden om te splijten, waardoor de kettingreactie dus trager verloopt en er minder energie geproduceerd wordt.

De animatie hiernaast illustreert de werking van cadmium controlestaven in een splijtingsreactor.

De meeste thermische kernreactoren gebruiken 235U als brandstof. De kleine hoeveelheid 235U (0.72%) die in natuurlijk uranium voorkomt (dat vooral 238U bevat) maakt een kettingreactie onmogelijk wanneer natuurlijk uranium als kernbrandstof gebruikt wordt. Er moet daarom voor een grotere fractie aan 235U in de kernbrandstof gezorgd worden. Dit wordt aanrijking genoemd. Da aanrijkingsfactor in kernreactoren voor elektriciteitsproductie en voor wetenschappelijk onderzoek varieert van 2% tot ongeveer 40%. In oudere types van kernreactoren, vooral dan die in duikboten gebruikt werden, kon de aanrijking zelfs tot 90% bedragen.

De brandstof wordt vaak in de vorm van uraniumoxide (UO2) pastillen die elk een paar centimeter dik zijn, voorzien. Behalve uraniumoxide kunnen ook verschillende legeringen van uranium met metalen, zoals bijvoorbeeld aluminium, als brandstof gebruikt worden. Deze pastillen worden dan in brandstofstaven geschoven die meestal uit zirconiumoxide bestaan, een materiaal dat tegen zeer hoge temperaturen kan.

Er bestaan ook kernreactoren die snelle neutronen (met een energie van 1 tot 2 MeV) gebruiken, zonder moderatie dus. In dit type van reactoren zorgt de absorptie van een neutron door een 238U kern (dat het meest voorkomt in natuurlijk uranium) tot het ontstaan van een 239Pu atoomkern, die splijtbaar is. Dit isotoop van plutonium kan uit reeds gebruikte kernbrandstof gehaald worden en daarna gebruikt worden voor de productie van zogenaamde MOX-brandstof die dan de twee splijtbare isotopen bevat, 235U en 239Pu.

Verreweg de meest gebruikte kernreactoren gebruiken water als moderator en als koelvloeistof. The hoge-druk waterreactor (Pressurized Water Reactor, PWR, of de Russische variant er van VVER) zijn van dit type. Net zoals de druk in een hoge-druk kookpan er voor zorgt dat water pas kookt bij een hogere temperatuur dan 100 graden Celcius, gebeurt dit ook in een PWR … behalve dat de druk hier veel groter is, ongeveer 150 MPa (of 150 bar, dus 150 keer de atmosferische druk), zodat het water in het primaire koelcircuit temperaturen tot 600 K (ongeveer 330 graden Celcius) bereikt zonder te koken! Wat er dan in de stoomgeneratoren kookt is het water van een tweede circuit waaraan de warmte van het eerste circuit wordt doorgegeven. Een ander type van reactor, de “hoge-druk zwaar water gemodereerde reactor” (Prezzurized Heavy Water Moderated Reactor, PHWR) maakt gebruik van heavy water (D2O) als moderator. Er bestaan ook zogenaamde kokend-water reactoren (Boiling water Reactors, BWR) waarbij water in het reactorvat kookt.

Er zijn nog andere types van kernreactoren die thermische neutronen gebruiken:

Gas-gekoelde reactoren waarin koolstofdioxide (CO2) of helium voor de koeling gebruikt worden. Dit gas wordt daarbij door kanalen in de grafiet moderator gepompt.

De Canadese Deuterium-Uranium Reactor (CANDU) waarbij zwaar water (D2O) gebruikt wordt als moderator en als koelmiddel. Omdat in D2Oveel minder neutronen verloren worden dan in gewoon water (H2O) kan in dit type van reactor natuurlijk uranium als brandstof gebruikt worden.

Schema van een CANDU reactor: 1. branstofbundel, 2. reactorvat, 3. controlestaven, 4. D2O druktank, 5. stoomgenerator, 6.waterpomp, 7. D2O pomp, 8. brandstof-servo’s, 9. D2O moderator, 10., drukbuis, 11. stoom naar turbine, 12. koud water vanuit de turbine, 13. reactorgebouw (Bron: Creative Commons).

Hoog-vermogen drukbuis reactoren (High-powered pressure-tube reactors (RBMK) werden gebruikt in de vroegere Sovjetunie omdat daar ook plutonium (239Pu) mee kan worden gemaakt dat geschikt is om te gebruiken in atoombommen (in de tijd van de Koude Oorlog). Dit was het type reactor waarmee in 1986 het kernongeval in Tsjernobyl gebeurd is. Het Internationaal Atoomenergie Agentschap (IAEA) had jaren daarvoor nochtans al aangeraden om dat type van reactoren buiten bedrijf te stellen.

Er zijn kernrectoren die kunnen werken met neutronen met energieën van 50 tot 100 keV. Dergelijke reactoren hebben geen moderator nodig en kunnen efficiënt het splijtbare 239Pu aanmaken dat weer als brandstof kan gebruikt worden (een reactor die zijn eigen brandstof kan aanmaken wordt ook wel een kweekreactor genoemd). Deze reactoren worden gekoeld met heliumgas of met vloeibaar natrium en kunnen erg compact gebouwd worden, waardoor ze geschikt zijn om bijvoorbeeld in duikboten ingebouwd te worden. Een voorbeeld van een kerncentrale die een dergelijke snelle reactor gebruikte was SUPERPHENIX in Frankrijk, een centrale die operationeel was tussen 1985 en 1997. Een andere kweekreactor draait in Sverdlovsk in Rusland sinds 1981.

De meeste kernreactoren die vandaag gebruikt worden, zijn van de zogenaamde tweede generatie. In de voorbije jaren zijn er erg veilige reactoren van de derde generatie ontworpen, en vierde-generatie reactoren zijn ook al gepland. In de laatste categorie zullen wellicht zowel gas- als watergekoelde reactoren gebruikt worden, naast een reeks van reactoren die met snelle neutronen werken.

Een interessante nieuwe ontwikkeling is die van een hoge-temperatuur met gas gekoelde reactor waarbij de brandstof bestaat uit 330.000 bolvormige brandstofelementen, elk 6 cm in diameter en die elk ongeveer 15.000 kleine UO2 bolletjes bevatten.

Elk bolletje heeft een diameter van 0.5 mm en is bedekt met een aantal lagen, waaronder een keramische laag die silicium en grafiet bevat, om de fissiefragmenten te stoppen die door splijting van uranium binnen in het bolletje geproduceerd worden. De neutronenflux, het thermisch vermogen en de temperatuur in zo een reactor worden bepaald door ongeveer 100.000 grafietbollen die tussen de brandstofelementen vermengd worden. Terwijl de huidige kernreactoren typisch werken bij een temperatuur van ongeveer 600 K (zo’n 330 graden Celsius), laten de materialen die in dit type van reactor gebruikt worden veel hogere temperaturen toe. Deze reactoren zouden het heliumgas gekoeld worden en zodra een temperatuur van 1200 K bereikt wordt zou het helium gas dat door de reactor gaat de turbine en de elektrische stroomgenerator aandrijven met een efficiëntie van 40%, wat hoog is. Het ganse ontwerp van dit type reactor is veel eenvoudiger dan dat van de reactoren die momenteel in gebruik zijn. Door de hoge temperaturen waarbij ze werken zou bovendien uit water of uit andere materialen waterstof kunnen geproduceerd worden zonder luchtvervuiling te veroorzaken. DE materialen die in een dergelijke reactor gebruikt worden kunnen temperaturen tot 1900 K weerstaan, wat erg belangrijk is in verband met de veiligheid.

Ook de watergekoelde reactoren van het generatie-IV type bevatten een aantal nieuwe veiligheidsmaatregelen. Westinghouse Electric, één van de belangrijkste producenten van kernreactoren heeft een “internationale, vernieuwende en veilige reactor‘ (IRIS, voor “international reactor, innovative and secure‘) uitgewerkt. Hierbij bevindt zich het ganse primaire koelcircuit binnen in het reactorvat zelf zodat een groot verlies van de radioactieve koelvloeistof zo goed als onmogelijk wordt. Men zou ook kunnen overwegen om de reactor te laten werken bij een temperatuur en druk boven het zogenaamde kritische punt voor water, waarbij er geen verschil meer is tussen een gas en een vloeistof. De zeer goede warmtegeleiding van water in dergelijke condities zou toelaten om een efficiëntie van zelfs 45% te bereiken, en door om tevens waterstof te produceren.

Andere ontwerpen waar aan gewerkt wordt zijn kweekreactoren die gekoeld worden met vloeibare metalen die een grote warmtegeleiding hebben. De koelvloeistof zou dan onder atmosferische druk gehouden worden waardoor een explosief vrij komen van de koelvloeistof als er zich een probleem zou voordoen onmogelijk wordt. Hoewel de technische moeilijkheden om met vloeibare metalen om te gaan de ontwikkeling van dit type van reactoren moeilijker maken, maken ze toch nog altijd een goeie kans om in de toekomst gebruikt te worden omwille van de voordelen die ze bieden.

De belangrijkste voorwaarden waaraan een kern reactor moet voldoen om veilig gebruikt te kunnen worden zijn:
  1) kunnen worden stilgelegd indien nodig,
  2) de brandstof bedekt met water kunnen houden, en
  3) het reactorvat moet intact kunnen blijven.
Om deze algemene principes in de praktijk om te zetten worden de wetten van de fysica gebruikt. Verder is het zo dat als er mechanische toestellen gebruikt worden (waarin bijna altijd bewegende onderdelen voorkomen) er altijd minstens twee types van toestellen moeten voorzien worden, zodat hetzelfde mankement niet gelijktijdig in beide toestellen kan optreden.

De afbeelding hiernaast toont de passieve veiligheidsmaatregelen in een kernreactor: 1 – luchtverversing via normale luchtcirculatie, 2 – een waterbassin dat alleen de zwaartekracht nodig heeft leeg te lopen, 3 – verdamping van een dunne laag water, 4 – een stalen vat rond de ganse installatie (‘containment vessel’), 5 – klep die bij overdruk automatisch opent, 6 – watertank die door de zwaartekracht terug kan gevuld worden, 7 – koeling met lucht die van buiten komt (Bron: Westinghouse 2011). Als er zich een stroomonderbreking zou voordoen wordt er via de zwaartekracht automatisch water in het centrale deel van de reactor gebracht dat dan rond wordt gecirculeerd door passieve convectie (verdamping) en condensatie.

Kernreactoren zijn voorzien van verschillende en elkaar versterkende ("redundant’) veiligheidssystemen. Het biologisch schild rond de reactor beschermt personen tegen de ioniserende straling die in het hart van de reactor door de kernsplijting geproduceerd wordt. Het water in PWR en PHWR reactoren wordt steeds gezuiverd (gedistilleerd) omdat onzuiverheden in het water door de werking van de reactor radioactief zouden kunnen worden. Rond de reactor zelf staat meestal een grote betonnen constructie die zich zelf in een grote hal bevindt waarvan de wanden stevig genoeg zijn om de druk te kunnen weerstaan van de stoom die eventueel zou kunnen vrij komen bij een ernstig incident. Hierrond staat opnieuw een gebouw met dikke, stevige betonnen muren. De daken, die vaak bolvormig zijn, zijn stevig genoeg om de inslag van een vliegtuig te kunnen weerstaan (een rond oppervlak is steviger dan een plat!). Er wordt ook speciale aandacht besteed aan de constructie van de controle en koelsystemen van een kernreactor.

Veiligheidssystemen van kernreactoren zijn vaak in drievoud aanwezig, waardoor de kans dat alle systemen tegelijk niet zouden functioneren tot bijna nul beperkt wordt. Dat is de reden waarom er nog maar zo weinig zware incidenten met kerncentrales zijn gebeurd. De drie ernstige kernongevallen van Three Mile Island in de Verenigde Staten, Tsjernobyl in Rusland, en Fukushima Daiichi in Japan, zijn de enige gevallen waarbij een opeenvolging van verschillende problemen samen met een menselijke fout of een natuurramp te complex waren voor de aanwezige veiligheidssystemen.

Ten slotte worden zowel de kernbrandstof die nog niet in de reactor geplaatst is, als de reeds gebruikte brandstof (het zogenaamde kernafval) op een veilige plaats dicht bij de reactor bewaard om ze te beschermen tegen diefstal of misbruik (bv. om kernwapens te produceren).

Er is een belangrijk verschil tussen de ontploffing van een atoombom en de explosie van een kernreactor. In feite is een nucleaire explosie (zoals bij een atoombom) bij een kernreactor volledig onmogelijk, hoewel thermal explosies (zoals in Tsjernobyl) en chemical explosies (zoals in Fukushima) wel mogelijk zijn. Bij kerncentrales is zoiets als de nucleaire flits bij een atoombom (op het moment van de ontploffing) dus niet mogelijk. Het belangrijkste gevolg van een ontploffing van een kerncentrale is dat er radioactief materiaal uit de reactor in de lucht geblazen kan worden die dan met de winden in de atmosfeer verspreid kan worden en later, afhankelijk de weersomstandigheden (vooral wind en regen), over een mogelijk groot gebied weer naar beneden valt (radioactieve "fallout’).

Het ongeval in Tsjernobyl heeft aangetoond dat het radioactieve materiaal dat bij een kernongeval vrijkomt door de explosie over een zo groot gebied kan verspreid worden dat de extra hoeveelheid straling op de meeste plaatsen in dat gebied toch nog vrij laag is (zelfs niet veel meer dan de natuurlijke achtergrond), zodat de gevolgen beperkt blijven. Dit is heel anders bij een atoombomexplosie waarbij wel grote hoeveelheden radioactief materiaal, die een dodelijke afloop kunnen veroorzaken, over grote gebieden kunnen verspreid worden.

Wat met een terroristische aanslag met een vliegtuig op een kerncentrale? Het reactorgebouw zou niet veel schade oplopen bij zulk een aanslag ende reactor zelf zou niet getroffen worden. De elektrische stroomvoorziening en de koelsystemen zouden wel beschadigd kunnen worden. Ondanks de aanwezige veiligheidsvoorzieningen zou dit, in het ergste geval, tot een oververhitting en het smelten van de kernbrandstof kunnen leiden. Maar zelfs als dat zou gebeuren zou het radioactief materiaal toch nog in het reactorvat blijven. Veel gevaarlijker zou een succesvolle aanval zijn op de ruimte waarin het hoog-radioactieve kernafval is opgeslagen. Hoewel zo een aanslag erg moeilijk zou zijn omwille de eerder kleine afmetingen van deze opslagruimte, is het toch niet helemaal uitgesloten. Bij zo een aanslag zou het radioactieve materiaal dat daar is opgeslagen in de omgeving verspreid worden, maar wel enkel in de onmiddellijke omgeving van de kerncentrale en nooit over een groot gebied.