En kjernereaktor er et anlegg der det foregår en kontrollert kjedereaksjon og energi frigjøres. Kjernereaktorer brukes i kjernekraftverk til å produsere elektrisitet, og dessuten til framdrift av skip og ubåter.

Det finnes også reaktorer som produserer isotoper til medisinsk og industriell bruk, reaktorer for produksjon av våpenplutonium, og andre reaktorer brukes utelukkende til forskning.

I kjernereaktorer frigjøres energien i form av varme. Denne varmen kan omdannes til en energiform som samfunnet kan bruke. I et typisk kjernekraftverk kan det være så enkelt som å koke vann til damp som driver turbiner, som igjen driver elektriske generatorer.

Det første kommersielle kjernekraftverket ble åpnet i 1956 i Sellafield i England og hadde en startkapasitet på 50 MW. Figuren nedenfor viser hovedkomponentene i et typisk kjernekraftverk: Tegnforklaring: (A) reaktorinneslutning, (B) kontrollstaver, (C) reaktortank, (D) dampgenerator, (E) damprør, (F) dampturbin, (G) generator, (H) elektrisitet til forbrukerne, (I) kondensator, (J) dusj, (K) vanndamp, (L) kjøletårn.

Kjedereaksjonen i en kjernereaktor er nøyaktig kritisk, slik at i gjennomsnitt fører nøyaktig ett nøytron fra hver kjerne som spaltes, til fisjon av en annen kjerne. For at dette skal være mulig, inneholder reaktorkjernen flere komponenter som brukes til å opprettholde de kritiske forholdene.

Nøytroner som frigjøres ved fisjon, har en energi på omtrent 1-2 MeV. Slike raske nøytroner har svært lav sannsynlighet for å spalte ²³⁵U, så disse nøytronene passerer mange, mange kjerner før de absorberes av en av dem og framkaller fisjon. En løsning er å bremse dem, slik at de får energier i størrelsesorden en brøkdel av en eV.

Man kan tenke seg at den høyere sannsynligheten skyldes at langsomme nøytroner er i kontakt med urankjernen i lengre tid. Vi kaller slike nøytroner termiske nøytroner, fordi bevegelsesenergien deres ligger nær bevegelsesenergien til molekylene i lufta rundt oss. For å bremse nøytronene i for eksempel en fisjonsreaktor fyller man mellomrommene mellom det fissile materialet med en såkalt moderator, for eksempel vann eller grafitt.

En reaktor som drives med termiske nøytroner, kalles en termisk reaktor. Diagrammet til høyre viser hovedkomponentene (1-3) i og prosessene (A-D) i en termisk reaktor: (1) brenselsstav, (2) moderator, (3) kontrollstav, (A) fisjon, (B) moderering, (C) absorpsjon i kontrollstav, (D) innfanging i fissilt materiale.

Hvis et nøytron kolliderer med en kjerne, kan nøytronet spres i alle retninger, også ut av det aktive området. Hvis man omgir det fissile materialet med et ikke-absorberende stoff som sprer nøytronene tilbake, øker derfor antallet mulige kollisjoner.

Et slikt materiale som omgir det fissile materialet i kjernereaktorer, kalles en reflektor. En nøytronreflektor kan gjøre en ellers underkritisk masse av fissilt materiale kritisk.

Stål, beryllium og grafitt er vanlige reflektormaterialer. En reflektor av et lett materiale som grafitt eller beryllium virker også som nøytronmoderator og reduserer nøytronenes bevegelsesenergi, mens et tungt materiale som bly har mindre innvirkning på nøytronenes energi.

Animasjonen til venstre viser effekten av et reflektormateriale.

Vi ønsker at energiproduksjonen skal være så effektiv som mulig. Men hvis effektiviteten blir for høy, kan det ende med en kjerneeksplosjon, en situasjon som må unngås! Kjernereaktorer er bygd slik at en kjerneeksplosjon er umulig. For å nå dette målet må man kunne bremse en kjedereaksjon hvis den utvikler seg for raskt. Dette oppnås ved å dele det fissile materialet opp i masser som er mindre enn den såkalte kritiske massen, slik at nøytronene ikke så lett finner fissile kjerner. Uranbitene kalles da underkritiske.

Nøytronene kan lett slippe ut gjennom uranets overflater før det kan bygge seg opp en farlig mengde energi. I tillegg kan man mellom blokkene av fissilt materiale plassere såkalte kontrollstaver, som absorberer nøytroner kraftig. Jo dypere kontrollstavene føres inn mellom det fissile materialet (brenselsstavene), desto vanskeligere blir det for nøytronene fra fisjonen å kollidere med en annen urankjerne, noe som gir en mer begrenset kjedereaksjon og lavere energiproduksjon.

Animasjonen til høyre viser effekten av kontrollstaver av kadmium i en fisjonsreaktor.

De fleste termiske kjernereaktorer bruker ²³⁵U som brensel. Den lave forekomsten i naturen (0,72 % av naturlig uran, som hovedsakelig består av ²³⁸U) gjør imidlertid en kjedereaksjon umulig hvis man bruker naturlig uran direkte. Derfor må reaktorbrenselet anrikes med ²³⁵U. Anrikningsgraden i kjernekraftverk og forskningsreaktorer varierer fra omtrent 2 % til omtrent 40 %. I reaktorer av eldre type, særlig dem som brukes i ubåter, kunne anrikningen til og med overstige 90 %.

Brenselet kan lages i form av pellets av UO₂, noen få centimeter tykke. Pelletene samles i brenselsstaver. Man kan også bruke ulike legeringer av uran med andre metaller, for eksempel aluminium. Et nyere forslag er å bruke spesialutformede kuleformede brenselselementer.

Det finnes også reaktorer som bruker raske nøytroner. I slike reaktorer fører absorpsjon av et nøytron i ²³⁸U til at det dannes fissilt ²³⁹Pu. Denne plutoniumisotopen kan utvinnes fra brukt brensel og brukes til å lage såkalt MOX-brensel, som inneholder de to fissile materialene ²³⁵U og ²³⁹Pu.

De klart vanligste reaktorene bruker vann som moderator og kjølemiddel. Trykkvannsreaktoren (PWR eller den russiske versjonen VVER) er av denne typen. Akkurat som trykket i en trykkoker hever vannets kokepunkt, skjer det samme i en PWR ... bortsett fra at trykket er enormt, omtrent 15MPa, slik at vannet i det primære kjølesystemet når temperaturer på helt opptil 600K uten å koke! Det som koker i dampgeneratorene, er vannet i en sekundærkrets som varmen fra primærkretsen overføres til. En annen reaktortype, den tungtvannsmodererte trykkvannsreaktoren (PHWR), bruker tungtvann (D₂O) som moderator. Det finnes også såkalte kokvannsreaktorer (BWR), der vannet koker direkte inne i reaktoren.

Det finnes andre typer reaktorer som bruker termiske nøytroner:

Gasskjølte reaktorer, der karbondioksid (CO₂) eller helium brukes til kjøling. Gassen pumpes gjennom kanaler i grafittmoderatoren.

Kanadisk deuterium-uran-reaktor (CANDU), der tungtvann fungerer som moderator og kjølemiddel. Siden nøytrontapene i D₂O er ubetydelige, kan slike reaktorer bruke naturlig uran som brensel.

Skisse av en CANDU-reaktor: 1 - brenselsbunt, 2 - reaktorkjerne, 3 - kontrollstaver, 4 - D₂O-trykktank, 5 - dampgenerator, 6 - vannpumpe, 7 - D₂O-pumpe, 8 - brenselsmaskiner, 9 - D₂O-moderator, 10 - trykkrør, 11 - damp til turbinen, 12 - kaldt vann fra turbinen, 13 - reaktorinneslutningsbygning (bilde: Creative Commons)

Høyeffekts trykkrørsreaktorer (RBMK) med grafittmoderatorer var populære i det tidligere Sovjetunionen fordi de kunne brukes til produksjon av våpenplutonium (²³⁹Pu). Denne reaktortypen var involvert i Tsjernobyl-ulykken i 1986.

Kjernereaktorer kan bruke raske nøytroner med energier på 50-100keV. Slike reaktorer har vanligvis ingen moderator og kan effektivt produsere fissilt ²³⁹Pu, som deretter kan gjenbrukes som brensel. De kan kjøles med enten helium eller flytende natrium og kan gjøres ganske kompakte, for eksempel til bruk i ubåter. Et eksempel på et kjernekraftverk med en reaktor med raske nøytroner var SUPERPHENIX, som var i drift i Frankrike fra 1985 til 1997. En annen reaktor av lignende, men ikke identisk, formeringstype (det vil si en reaktor som produserer sitt eget brensel) har vært i drift i Sverdlovsk i Russland siden 1981.

De fleste reaktorene som er i drift i dag, tilhører generasjon II. Svært sikre reaktorer av generasjon III er konstruert i senere tid, og reaktorer av generasjon IV er allerede planlagt. I den siste kategorien kan man vente både gasskjølte og vannkjølte reaktorer, i tillegg til en rekke reaktorer som arbeider med raske nøytroner.

Et særlig interessant prosjekt gjelder en gasskjølt høytemperaturreaktor med en kjerne bestående av 330000 kuleformede brenselselementer med en diameter på 60mm, som hver består av omtrent 15000 korn av UO₂.

Hvert korn, med en diameter på 0,5mm, er dekket av en rekke lag med høy tetthet, blant annet et keramisk lag av silisium-grafitt som skal stoppe fisjonsfragmenter. Nøytronfluksen, fordelingen av den termiske effekten og temperaturen i en slik reaktorkjerne bestemmes av omtrent 100000 grafittkuler som er blandet med brenselselementene. Mens dagens reaktorer vanligvis arbeider ved rundt 600K, ville materialene i en slik reaktor tillate mye høyere temperaturer. I så fall ville reaktorens kjølemiddel være helium. Når den strømmende heliumgassen når en temperatur på 1200K, ville den drive gassturbinen og den elektriske generatoren med en virkningsgrad på omtrent 40 %. Hele reaktorkonstruksjonen er mye enklere enn for reaktorene som er i drift i dag. Dessuten gjør de høye driftstemperaturene det mulig å framstille hydrogen fra vann eller andre stoffer uten å forurense atmosfæren. De foreslåtte konstruksjonsmaterialene tåler temperaturer på helt opptil 1900K, noe som er svært viktig av hensyn til reaktorsikkerheten.

Vannkjølte reaktorer av generasjon IV byr dessuten også på nye sikkerhetsegenskaper. Westinghouse Electric har utviklet ideen om en «international reactor innovative and secure» (forkortet IRIS). I en slik reaktor er hele den primære kjølekretsen plassert inne i reaktoren, slik at et alvorlig tap av kjølemiddel er praktisk talt umulig. Man kunne også tenke seg å kjøre reaktoren ved en temperatur og et trykk over vannets kritiske punkt, det vil si under forhold der det ikke er noen forskjell på gass og væske. Vannets utmerkede varmeledningsevne i denne tilstanden ville gjøre det mulig å oppnå en virkningsgrad på 45 % og – fordi arbeidet foregår ved høye temperaturer – å produsere hydrogen som brensel.

Man vurderer også formeringsreaktorer som kjøles med flytende metaller med høy varmeledningsevne. Kjølemiddelet ville i så fall holdes ved atmosfæretrykk, slik at et voldsomt utslipp av kjølemiddel ved et brudd i primærsystemet er utelukket. De tekniske vanskelighetene med å håndtere flytende metaller har imidlertid hemmet utviklingen av disse reaktorene. De er likevel en sterk kandidat for et framtidig bærekraftig kjernebrenselkretsløp.

Noen enkle regler for å holde en reaktor sikker er at man må:
  1) kunne stenge den ned når det er nødvendig
  2) holde kjernen dekket av vann
  3) holde inneslutningen intakt
For å sette disse generelle prinsippene ut i livet bruker vi fysikkens naturlover. Hvis det brukes mekaniske innretninger, må det finnes minst to forskjellige typer, slik at den samme feilen ikke kan oppstå i begge samtidig.

Bildet viser passive sikkerhetsinnretninger: 1 - luftutslipp ved naturlig konveksjon, 2 - vanntank med tyngdekraftdrenering, 3 - fordamping av vannfilm, 4 - inneslutningsbeholder av stål, 5 - automatisk trykkavlastningsventil, 6 - tyngdekraftmatet vanntank for påfylling, 7 - kjøling med uteluft (bilde: Westinghouse 2011). Ved strømbrudd ledes nødkjølevann inn i reaktorkjernen ved hjelp av tyngdekraften og sirkuleres gjennom passiv konveksjon og kondensasjon.

Kjernereaktorer har flere redundante sikkerhetslag. Det biologiske skjoldet rundt reaktoren beskytter mennesker mot den ioniserende strålingen som dannes i reaktorkjernen. Vannet i PWR- og PHWR-reaktorer renses (destilleres) nøye, siden eventuelle urenheter i vannet kan bli radioaktive mens reaktoren er i drift. Selve reaktoren er vanligvis omgitt av tung, tykk betong og plassert i en spesialbygd hall med vegger som tåler trykkbølgen fra dampen som ville oppstå ved en alvorlig ulykke. I tillegg har bygningen som rommer reaktorhallen, også tunge, tykke vegger. Takene, som ofte er halvkuleformede, er sterke nok til å tåle et flystyrt. Det legges særlig vekt på kjølesystemets mekanikk og styring.

Reaktorenes sikkerhetssystemer er ofte tredoble, noe som reduserer sannsynligheten for at alle systemer svikter samtidig, til praktisk talt null. Det er derfor det har vært så få ulykker i kjernekraftens historie. Ulykkene ved Three Mile Island i USA, i Tsjernobyl i det tidligere Sovjetunionen og ved Fukushima Daiichi i Japan er nettopp unntak der en kjede av svikt i flere systemer, kombinert med menneskelige feil eller naturkatastrofer, har satt de eksisterende sikkerhetssystemene ut av spill.

Sist, men ikke minst, er man særlig nøye med både det radioaktive avfallet og det spaltbare materialet som lagres nær reaktoren, for å hindre tyveri og misbruk av materialet (for eksempel til kjernevåpen).

Det er en grunnleggende forskjell mellom eksplosjonen av en atombombe og en eksplosjon i en kjernereaktor! Kjerneeksplosjoner er faktisk umulige i en kjernereaktor, selv om vanlige termiske (fra dampen) og kjemiske (fra hydrogen som reagerer med oksygen) mekanismer har ført til atomulykkene ved kraftverkene i Tsjernobyl og Fukushima. Den viktigste følgen av en reaktoreksplosjon er utslipp av radioaktivt materiale til atmosfæren, som deretter danner radioaktivt nedfall. Hvordan nedfallet fordeles, avhenger av værforholdene (særlig vind og regn).

Ulykkene i Tsjernobyl og Fukushima viste at ved en atomkatastrofe kan forurensningen av bakken spre seg over store områder, der stråleeksponeringen da vil synke til en brøkdel av det naturlige nivået og ikke kan føre til alvorlige følger. Dette er annerledes enn ved en kjerneeksplosjon, der store områder kan bli forurenset over dødelige strålenivåer.

Hva med følgene av et terrorangrep med fly mot et kjernekraftverk? Reaktorinneslutningen ville ikke bli særlig skadet i et slikt tilfelle, og reaktorkjernen burde absolutt ikke bli berørt. Kjøle- og strømforsyningssystemene kunne derimot bli skadet om de ble truffet. Til tross for dagens sikkerhetsinnretninger kunne denne typen skade i verste fall føre til overoppheting og nedsmelting av reaktorkjernen. Selv i et slikt tilfelle ville de radioaktive materialene likevel bli værende inne i reaktorens trykkbeholder. Det som kan være farligere, er et vellykket angrep på lageret for høyaktivt avfall ved kjernekraftverket. Selv om et slikt angrep ville være vanskelig på grunn av lagrenes ganske små dimensjoner, er det likevel ikke umulig. Man kan regne med at de radioaktive materialene da ville bli spredt, men problemet ville bare være av lokalt omfang.