En atomreaktor er et anlæg, hvor der foregår en kontrolleret nuklear kædereaktion, og hvor der frigøres energi. Atomreaktorer bruges i atomkraftværker til at producere elektricitet og desuden til fremdrift af skibe og ubåde.

Der findes også reaktorer, der producerer isotoper til medicinsk og industriel brug, reaktorer til produktion af våbenplutonium, og andre reaktorer bruges udelukkende til forskning.

I atomreaktorer frigøres energien i form af varme. Denne varme kan omdannes til en form for energi, som samfundet kan bruge. I et typisk atomkraftværk kan det være så enkelt som at koge vand til damp, der driver turbiner, som igen driver elgeneratorer.

Det første kommercielle atomkraftværk blev åbnet i 1956 i Sellafield i England og havde en startkapacitet på 50 MW. Figuren nedenfor viser hovedkomponenterne i et typisk atomkraftværk: Signaturforklaring: (A) reaktorindeslutning, (B) kontrolstænger, (C) reaktortank, (D) dampgenerator, (E) damprør, (F) dampturbine, (G) generator, (H) elektricitet til forbrugerne, (I) kondensator, (J) spray, (K) vanddamp, (L) køletårn.

Kædereaktionen i en atomreaktor er netop kritisk, så i gennemsnit fører præcis én neutron fra hver spaltet kerne til fission af en anden kerne. For at gøre det muligt indeholder reaktorkernen flere komponenter, der bruges til at opretholde de kritiske betingelser.

Neutroner, der frigøres ved fission, har en energi på omkring 1-2 MeV. Sådanne hurtige neutroner har en meget lav sandsynlighed for at spalte ²³⁵U, så disse neutroner vil passere mange, mange kerner, før de bliver absorberet af en af dem og fremkalder en fission. En løsning er at bremse dem, så de får energier af størrelsesordenen en brøkdel af en eV.

Man kan tænke på den højere sandsynlighed som et resultat af, at langsomme neutroner er længere tid i kontakt med urankernen. Vi kalder sådanne neutroner termiske neutroner, fordi deres kinetiske energi ligger tæt på den kinetiske energi hos molekylerne i luften omkring os. For at bremse neutronerne i for eksempel en fissionsreaktor fylder man mellemrummene mellem det fissile materiale med en såkaldt moderator, for eksempel vand eller grafit.

En reaktor, der kører på termiske neutroner, kaldes en termisk reaktor. Diagrammet til højre viser hovedkomponenterne (1-3) i og processerne (A-D) i en termisk reaktor: (1) brændselsstav, (2) moderator, (3) kontrolstav, (A) fission, (B) moderering, (C) absorption i kontrolstav, (D) indfangning i fissilt materiale.

Hvis en neutron støder sammen med en kerne, kan neutronen blive spredt i alle retninger, også ud af det aktive område. Hvis man omgiver det fissile materiale med et ikke-absorberende stof, der spreder neutronerne tilbage, øges antallet af mulige sammenstød derfor.

Et sådant materiale, der omgiver det fissile materiale i atomreaktorer, kaldes en reflektor. En neutronreflektor kan gøre en ellers underkritisk masse af fissilt materiale kritisk.

Stål, beryllium og grafit er almindelige reflektormaterialer. En reflektor af et let materiale som grafit eller beryllium virker også som neutronmoderator og nedsætter neutronernes kinetiske energi, mens et tungt materiale som bly har mindre indflydelse på neutronernes energi.

Animationen til venstre viser effekten af et reflektormateriale.

Vi ønsker, at energiproduktionen skal være så effektiv som muligt. Men hvis effektiviteten bliver for høj, kan det ende med en kerneeksplosion – en situation, der skal undgås! Atomreaktorer er bygget, så en kerneeksplosion er umulig. For at nå dette mål skal man have mulighed for at bremse en kædereaktion, hvis den udvikler sig for hurtigt. Det opnås ved at opdele det fissile materiale i masser, der er mindre end den såkaldte kritiske masse, så neutronerne ikke så let finder fissile kerner. De pågældende uranstykker kaldes så underkritiske.

Neutronerne kan let slippe ud gennem uranets overflader, før der kan opbygges en farlig mængde energi. Desuden kan man mellem blokkene af fissilt materiale placere såkaldte kontrolstænger, som absorberer neutroner kraftigt. Jo dybere kontrolstængerne føres ind mellem det fissile materiale (brændselsstavene), desto sværere er det for neutronerne fra fissionen at støde sammen med en anden urankerne, hvilket giver en mere begrænset kædereaktion og en lavere energiproduktion.

Animationen til højre viser effekten af kontrolstænger af cadmium i en fissionsreaktor.

De fleste termiske atomreaktorer bruger ²³⁵U som brændsel. Dens lave forekomst i naturen (0,72 % af naturligt uran, som hovedsageligt består af ²³⁸U) gør dog en kædereaktion umulig, hvis man bruger naturligt uran direkte. Derfor skal reaktorbrændslet beriges med ²³⁵U. Berigelsesgraden i atomkraftværker og forskningsreaktorer varierer fra omkring 2 % til omkring 40 %. I reaktorer af ældre typer, især dem der bruges i ubåde, kunne berigelsen endda overstige 90 %.

Brændslet kan fremstilles i form af små piller af UO₂, nogle få centimeter tykke. Disse piller samles i brændselsstave. Man kan også bruge forskellige legeringer af uran med andre metaller, for eksempel aluminium. Et nyere forslag går ud på at bruge specialdesignede kugleformede brændselselementer.

Der findes også reaktorer, der bruger hurtige neutroner. I sådanne reaktorer fører absorption af en neutron i ²³⁸U til dannelse af fissilt ²³⁹Pu. Denne plutoniumisotop kan udvindes af brugt brændsel og anvendes til fremstilling af såkaldt MOX-brændsel, som indeholder de to fissile materialer ²³⁵U og ²³⁹Pu.

De langt mest udbredte reaktorer bruger vand som moderator og kølemiddel. Trykvandsreaktoren (PWR eller dens russiske udgave VVER) er af denne type. Ligesom trykket i en trykkoger hæver vandets kogepunkt, sker det samme i en PWR ... bortset fra at trykket er enormt, omkring 15MPa, så vandet i det primære kølesystem når temperaturer på helt op til 600K uden at koge! Det, der koger i dampgeneratorerne, er vandet i et sekundært kredsløb, som varmen fra det primære kredsløb overføres til. En anden reaktortype, den tungtvandsmodererede trykvandsreaktor (PHWR), bruger tungt vand (D₂O) som moderator. Der findes også såkaldte kogendevandsreaktorer (BWR), hvor vandet koger direkte inde i reaktoren.

Der findes andre typer reaktorer, der udnytter termiske neutroner:

Gaskølede reaktorer, hvor kuldioxid (CO₂) eller helium bruges til køling. Gassen pumpes gennem kanaler i grafitmoderatoren.

Canadisk deuterium-uran-reaktor (CANDU), hvor tungt vand fungerer som moderator og kølemiddel. Da neutrontabet i D₂O er ubetydeligt, kan sådanne reaktorer bruge naturligt uran som brændsel.

Skitse af en CANDU-reaktor: 1 - brændselsbundt, 2 - reaktorkerne, 3 - kontrolstænger, 4 - D₂O-tryktank, 5 - dampgenerator, 6 - vandpumpe, 7 - D₂O-pumpe, 8 - brændselsskiftemaskiner, 9 - D₂O-moderator, 10 - trykrør, 11 - damp til turbine, 12 - koldt vand fra turbine, 13 - reaktorindeslutningsbygning (billedkredit: Creative Commons)

Højeffekt-trykrørsreaktorer (RBMK) med grafitmoderator var udbredte i det tidligere Sovjetunionen, fordi de kunne bruges til produktion af våbenplutonium (²³⁹Pu). Denne reaktortype var involveret i Tjernobyl-ulykken i 1986.

Atomreaktorer kan bruge hurtige neutroner med energier på 50-100keV. Sådanne reaktorer har typisk ingen moderator og kan effektivt producere fissilt ²³⁹Pu, som derefter kan genbruges som brændsel. De kan køles med enten helium eller flydende natrium og kan gøres ret kompakte, for eksempel til brug i ubåde. Et eksempel på et atomkraftværk med en hurtigneutronreaktor var SUPERPHENIX, som var i drift i Frankrig fra 1985 til 1997. En anden reaktor af en lignende, men ikke identisk, formeringstype (dvs. en reaktor, der producerer sit eget brændsel) har været i drift i Sverdlovsk i Rusland siden 1981.

De fleste reaktorer, der er i drift i dag, tilhører 2. generation. Meget sikre reaktorer af 3. generation er blevet konstrueret for nylig, og 4. generations reaktorer er allerede planlagt. I den sidste kategori kan man forvente både gaskølede og vandkølede reaktorer samt en række reaktorer, der arbejder med hurtige neutroner.

Et særligt interessant projekt omfatter en gaskølet højtemperaturreaktor med en kerne bestående af 330000 kugleformede brændselselementer med en diameter på 60mm, hver bestående af omkring 15000 korn af UO₂.

Hvert korn, der har en diameter på 0,5mm, er dækket af en række lag med høj tæthed, blandt andet et keramisk lag af silicium-grafit, der skal standse fissionsfragmenter. Neutronfluxen, fordelingen af den termiske effekt og temperaturen i en sådan reaktorkerne bestemmes af omkring 100000 grafitkugler, der er blandet med brændselselementerne. Mens nutidens reaktorer typisk arbejder ved omkring 600K, vil materialerne i en sådan reaktor tillade meget højere temperaturer. I så fald vil reaktorens kølemiddel være helium. Når den strømmende heliumgas når en temperatur på 1200K, vil den drive gasturbinen og elgeneratoren med en virkningsgrad på omkring 40 %. Hele reaktorkonstruktionen er meget enklere end for de reaktorer, der er i drift i dag. Desuden gør de høje driftstemperaturer det muligt at fremstille brint ud fra vand eller andre stoffer uden at forurene atmosfæren. De foreslåede konstruktionsmaterialer kan tåle temperaturer på helt op til 1900K, hvilket er meget vigtigt set ud fra et reaktorsikkerhedsmæssigt synspunkt.

Desuden byder vandkølede reaktorer af 4. generation også på nye sikkerhedsegenskaber. Westinghouse Electric har udviklet idéen om en “international reactor innovative and secure” (kort IRIS). I en sådan reaktor er hele det primære kølekredsløb placeret inde i reaktoren, så et alvorligt tab af kølemiddel er praktisk talt umuligt. Man kunne også forestille sig at køre reaktoren ved en temperatur og et tryk over vandets kritiske punkt, dvs. under forhold, hvor der ikke er nogen forskel på gas og væske. Vandets fremragende varmeledningsevne i denne tilstand ville gøre det muligt at opnå en virkningsgrad på 45 % og – fordi arbejdet foregår ved høje temperaturer – at producere brint som brændstof.

Man overvejer også formeringsreaktorer kølet med flydende metaller, som har høj varmeledningsevne. Kølemidlet ville i så fald holdes ved atmosfærisk tryk, så et voldsomt udslip af kølemiddel ved et brud i det primære system er udelukket. De tekniske vanskeligheder ved at håndtere flydende metaller har dog hæmmet udviklingen af disse reaktorer. De er dog stadig en stærk kandidat til et fremtidigt bæredygtigt kernebrændselskredsløb.

Nogle enkle regler for at holde en reaktor sikker er, at man skal:
  1) kunne lukke den ned, når det er nødvendigt
  2) holde kernen dækket af vand
  3) holde indeslutningen intakt
For at føre disse generelle principper ud i livet bruger vi fysikkens naturlove. Hvis der bruges mekaniske anordninger, skal der være mindst to forskellige slags, så den samme fejl ikke kan opstå i begge på samme tid.

Billedet viser passive sikkerhedsanordninger: 1 - luftudledning ved naturlig konvektion, 2 - vandtank med tyngdekraftsdræn, 3 - fordampning af vandfilm, 4 - indeslutningsbeholder af stål, 5 - automatisk trykaflastningsventil, 6 - tyngdekraftsfødet vandtank til genopfyldning, 7 - køling med udeluft (billedkredit: Westinghouse 2011). Ved strømsvigt ledes nødkølevand ind i reaktorkernen ved hjælp af tyngdekraften og recirkuleres gennem passiv konvektion og kondensation.

Atomreaktorer har flere redundante sikkerhedslag. Det biologiske skjold omkring reaktoren beskytter mennesker mod den ioniserende stråling, der dannes i reaktorkernen. Vandet i PWR- og PHWR-reaktorer renses (destilleres) omhyggeligt, da eventuelle urenheder i vandet kan blive radioaktive, mens reaktoren er i drift. Selve reaktoren er typisk omgivet af tung, tyk beton og anbragt i en særligt bygget hal, hvis vægge kan modstå trykbølgen fra den damp, der ville opstå ved en alvorlig ulykke. Desuden har bygningen, der rummer reaktorhallen, også tunge, tykke vægge. Tagene, der ofte er halvkugleformede, er stærke nok til at modstå et flystyrt. Der lægges særlig vægt på kølesystemets mekanik og styring.

Reaktorernes sikkerhedssystemer er ofte tredobbelte, hvilket reducerer sandsynligheden for, at alle systemer svigter samtidig, til praktisk talt nul. Det er grunden til, at der har været så få ulykker i atomkraftens historie. Ulykkerne på Three Mile Island i USA, i Tjernobyl i det tidligere Sovjetunionen og på Fukushima Daiichi i Japan er netop undtagelser, hvor en kæde af svigt i flere systemer kombineret med menneskelige fejl eller naturkatastrofer har overvældet de eksisterende sikkerhedssystemer.

Sidst, men ikke mindst, er man særlig omhyggelig med både det radioaktive affald og det spaltelige materiale, der opbevares tæt på reaktoren, for at beskytte mod tyveri og misbrug af materialet (f.eks. til kernevåben).

Der er en grundlæggende forskel på eksplosionen af en atombombe og en eksplosion i en atomreaktor! Kerneeksplosioner er faktisk umulige i en atomreaktor, selvom almindelige termiske (fra dampen) og kemiske (fra brint, der reagerer med ilt) mekanismer har ført til atomulykkerne på kraftværkerne i Tjernobyl og Fukushima. Den vigtigste konsekvens af en reaktoreksplosion er udslip af radioaktivt materiale til atmosfæren, som derefter danner radioaktivt nedfald. Nedfaldets fordeling afhænger af vejrforholdene (især vind og regn).

Ulykkerne i Tjernobyl og Fukushima viste, at ved en atomkatastrofe kan forureningen af jorden sprede sig over store områder, hvor strålingsbelastningen så vil falde til en brøkdel af det naturlige niveau og ikke kan føre til alvorlige konsekvenser. Det er anderledes end ved en kerneeksplosion, hvor store områder kan blive forurenet over dødelige strålingsniveauer.

Hvad med konsekvenserne af et terrorangreb med et fly på et atomkraftværk? Reaktorindeslutningen ville ikke tage megen skade i et sådant tilfælde, og reaktorkernen burde i hvert fald ikke blive berørt. Men køle- og strømforsyningssystemerne kunne blive ramt. Trods de nuværende sikkerhedsanordninger kunne denne form for skade i værste fald føre til overophedning og nedsmeltning af reaktorkernen. Selv i et sådant tilfælde ville de radioaktive materialer dog blive inde i reaktorens trykbeholder. Det, der kan være farligere, er et vellykket angreb på lageret af højaktivt affald på atomkraftværket. Selvom et sådant angreb ville være vanskeligt på grund af disse lageres ret små dimensioner, er det alligevel ikke umuligt. Man kan forvente, at de radioaktive materialer derefter ville blive spredt, men problemet ville kun være af lokal karakter.