En kärnreaktor är en anläggning där en kontrollerad kedjereaktion äger rum och energi frigörs. Kärnreaktorer används i kärnkraftverk för att producera elektricitet och dessutom för framdrivning av fartyg och ubåtar.

Det finns också reaktorer som producerar isotoper för medicinsk och industriell användning, reaktorer för produktion av vapenplutonium, och andra reaktorer används enbart för forskning.

I kärnreaktorer frigörs energin i form av värme. Denna värme kan omvandlas till en form av energi som samhället kan använda. I ett typiskt kärnkraftverk kan det vara så enkelt som att koka vatten till ånga som driver turbiner, vilka i sin tur driver elgeneratorer.

Det första kommersiella kärnkraftverket öppnades 1956 i Sellafield i England och hade en ursprunglig kapacitet på 50 MW. Bilden nedan visar huvudkomponenterna i ett typiskt kärnkraftverk: Teckenförklaring: (A) reaktorinneslutning, (B) styrstavar, (C) reaktortank, (D) ånggenerator, (E) ångledning, (F) ångturbin, (G) generator, (H) elektricitet till konsumenterna, (I) kondensor, (J) sprinkler, (K) vattenånga, (L) kyltorn.

Kedjereaktionen i en kärnreaktor är precis kritisk, så i genomsnitt leder exakt en neutron från varje kärna som klyvs till fission av en annan kärna. För att detta ska vara möjligt innehåller reaktorhärden flera komponenter som används för att upprätthålla de kritiska förhållandena.

Neutroner som frigörs vid fission har en energi på omkring 1-2 MeV. Sådana snabba neutroner har mycket låg sannolikhet att klyva ²³⁵U, så dessa neutroner passerar många, många kärnor innan de absorberas av en av dem och framkallar en fission. En lösning är att bromsa dem så att de får energier av storleksordningen en bråkdel av en eV.

Man kan tänka sig att den högre sannolikheten beror på att långsamma neutroner är i kontakt med urankärnan längre tid. Vi kallar sådana neutroner termiska neutroner, eftersom deras rörelseenergi ligger nära rörelseenergin hos molekylerna i luften omkring oss. För att bromsa neutronerna i till exempel en fissionsreaktor fyller man utrymmena mellan det fissila materialet med en så kallad moderator, till exempel vatten eller grafit.

En reaktor som drivs med termiska neutroner kallas en termisk reaktor. Diagrammet till höger visar huvudkomponenterna (1-3) i och processerna (A-D) i en termisk reaktor: (1) bränslestav, (2) moderator, (3) styrstav, (A) fission, (B) moderering, (C) absorption i styrstaven, (D) infångning i fissilt material.

Om en neutron kolliderar med en kärna kan neutronen spridas i vilken riktning som helst, även ut ur det aktiva området. Om man omger det fissila materialet med ett icke-absorberande ämne som sprider tillbaka neutronerna ökar därför antalet möjliga kollisioner.

Ett sådant material som omger det fissila materialet i kärnreaktorer kallas en reflektor. En neutronreflektor kan göra en annars underkritisk massa av fissilt material kritisk.

Stål, beryllium och grafit är vanliga reflektormaterial. En reflektor av ett lätt material som grafit eller beryllium fungerar också som neutronmoderator och sänker neutronernas rörelseenergi, medan ett tungt material som bly har mindre inverkan på neutronernas energi.

Animationen till vänster visar effekten av ett reflektormaterial.

Vi vill att energiproduktionen ska vara så effektiv som möjligt. Men om effektiviteten blir för hög kan det sluta med en kärnexplosion, en situation som måste undvikas! Kärnreaktorer är byggda så att en kärnexplosion är omöjlig. För att nå detta mål måste man ha möjlighet att hejda en kedjereaktion om den utvecklas för snabbt. Det uppnås genom att dela upp det fissila materialet i massor som är mindre än den så kallade kritiska massan, så att neutronerna inte lika lätt hittar fissila kärnor. Uranbitarna kallas då underkritiska.

Neutronerna kan lätt slippa ut genom uranets ytor innan någon farlig mängd energi hinner byggas upp. Dessutom kan man mellan blocken av fissilt material placera så kallade styrstavar, som absorberar neutroner kraftigt. Ju djupare styrstavarna förs in mellan det fissila materialet (bränslestavarna), desto svårare blir det för neutronerna från fissionen att kollidera med en annan urankärna, vilket ger en mer begränsad kedjereaktion och en lägre energiproduktion.

Animationen till höger visar effekten av styrstavar av kadmium i en fissionsreaktor.

De flesta termiska kärnreaktorer använder ²³⁵U som bränsle. Dess låga förekomst i naturen (0,72 % av naturligt uran, som huvudsakligen består av ²³⁸U) gör dock en kedjereaktion omöjlig om man använder naturligt uran direkt. Därför måste reaktorbränslet anrikas med ²³⁵U. Anrikningsgraden i kärnkraftverk och forskningsreaktorer varierar från omkring 2 % till omkring 40 %. I reaktorer av äldre typ, särskilt sådana som används i ubåtar, kunde anrikningen till och med överstiga 90 %.

Bränslet kan framställas i form av kutsar av UO₂, några centimeter tjocka. Kutsarna samlas i bränslestavar. Man kan också använda olika legeringar av uran med andra metaller, till exempel aluminium. Ett nyare förslag är att använda särskilt utformade klotformade bränsleelement.

Det finns också reaktorer som använder snabba neutroner. I sådana reaktorer leder absorption av en neutron i ²³⁸U till att fissilt ²³⁹Pu bildas. Denna plutoniumisotop kan utvinnas ur använt bränsle och användas för att framställa så kallat MOX-bränsle, som innehåller de två fissila materialen ²³⁵U och ²³⁹Pu.

De överlägset vanligaste reaktorerna använder vatten som moderator och kylmedel. Tryckvattenreaktorn (PWR eller dess ryska version VVER) är av denna typ. Precis som trycket i en tryckkokare höjer vattnets kokpunkt sker samma sak i en PWR ... förutom att trycket är enormt, omkring 15MPa, så att vattnet i det primära kylsystemet når temperaturer på upp till 600K utan att koka! Det som kokar i ånggeneratorerna är vattnet i en sekundärkrets, dit värmen från primärkretsen överförs. En annan reaktortyp, den tungvattenmodererade tryckvattenreaktorn (PHWR), använder tungt vatten (D₂O) som moderator. Det finns också så kallade kokvattenreaktorer (BWR), där vattnet kokar direkt inne i reaktorn.

Det finns andra typer av reaktorer som använder termiska neutroner:

Gaskylda reaktorer, där koldioxid (CO₂) eller helium används för kylning. Gasen pumpas genom kanaler i grafitmoderatorn.

Kanadensisk deuterium-uran-reaktor (CANDU), där tungt vatten fungerar som moderator och kylmedel. Eftersom neutronförlusterna i D₂O är obetydliga kan sådana reaktorer använda naturligt uran som bränsle.

Schematisk bild av en CANDU-reaktor: 1 - bränsleknippe, 2 - reaktorhärd, 3 - styrstavar, 4 - D₂O-trycktank, 5 - ånggenerator, 6 - vattenpump, 7 - D₂O-pump, 8 - bränslemaskiner, 9 - D₂O-moderator, 10 - tryckrör, 11 - ånga till turbinen, 12 - kallvatten från turbinen, 13 - reaktorinneslutningsbyggnad (bild: Creative Commons)

Högeffekts-tryckrörsreaktorer (RBMK) med grafitmoderatorer var vanliga i före detta Sovjetunionen eftersom de kunde användas för produktion av vapenplutonium (²³⁹Pu). Denna reaktortyp var inblandad i Tjernobylolyckan 1986.

Kärnreaktorer kan använda snabba neutroner med energier på 50-100keV. Sådana reaktorer har vanligen ingen moderator och kan effektivt producera fissilt ²³⁹Pu som sedan kan återanvändas som bränsle. De kan kylas med antingen helium eller flytande natrium och kan göras ganska kompakta, till exempel för användning i ubåtar. Ett exempel på ett kärnkraftverk med en reaktor med snabba neutroner var SUPERPHENIX, som var i drift i Frankrike från 1985 till 1997. En annan reaktor av liknande, men inte identisk, bridtyp (dvs. en reaktor som producerar sitt eget bränsle) har varit i drift i Sverdlovsk i Ryssland sedan 1981.

De flesta reaktorer som är i drift i dag tillhör generation II. Mycket säkra reaktorer av generation III har konstruerats på senare tid, och reaktorer av generation IV planeras redan. I den sista kategorin kan man räkna med både gaskylda och vattenkylda reaktorer samt en rad reaktorer som arbetar med snabba neutroner.

Ett särskilt intressant projekt gäller en gaskyld högtemperaturreaktor med en härd som består av 330000 klotformade bränsleelement med en diameter på 60mm, vart och ett bestående av omkring 15000 korn av UO₂.

Varje korn, som har en diameter på 0,5mm, är täckt av ett antal skikt med hög täthet, bland annat ett keramiskt skikt av kisel-grafit som ska stoppa fissionsfragment. Neutronflödet, fördelningen av den termiska effekten och temperaturen i en sådan reaktorhärd bestäms av omkring 100000 grafitkulor som är blandade med bränsleelementen. Medan dagens reaktorer vanligen arbetar vid omkring 600K skulle materialen i en sådan reaktor tillåta mycket högre temperaturer. I så fall skulle reaktorns kylmedel vara helium. När den strömmande heliumgasen når en temperatur på 1200K skulle den driva gasturbinen och elgeneratorn med en verkningsgrad på omkring 40 %. Hela reaktorkonstruktionen är mycket enklare än hos de reaktorer som är i drift i dag. Dessutom gör de höga driftstemperaturerna det möjligt att framställa väte ur vatten eller andra ämnen utan att förorena atmosfären. De föreslagna konstruktionsmaterialen tål temperaturer på upp till 1900K, vilket är mycket viktigt ur reaktorsäkerhetssynpunkt.

Dessutom erbjuder vattenkylda reaktorer av generation IV också nya säkerhetsegenskaper. Westinghouse Electric har tagit fram idén om en ”international reactor innovative and secure” (förkortat IRIS). I en sådan reaktor är hela den primära kylkretsen placerad inne i reaktorn, så att en allvarlig förlust av kylmedel är praktiskt taget omöjlig. Man skulle också kunna tänka sig att köra reaktorn vid en temperatur och ett tryck över vattnets kritiska punkt, dvs. under förhållanden där det inte finns någon skillnad mellan gas och vätska. Vattnets utmärkta värmeledningsförmåga i detta tillstånd skulle göra det möjligt att uppnå en verkningsgrad på 45 % och – eftersom arbetet sker vid höga temperaturer – att producera vätgas som bränsle.

Man överväger också bridreaktorer som kyls med flytande metaller med hög värmeledningsförmåga. Kylmedlet skulle i så fall hållas vid atmosfärstryck, så att ett våldsamt utsläpp av kylmedel vid ett brott i primärsystemet är uteslutet. De tekniska svårigheterna med att hantera flytande metaller har dock bromsat utvecklingen av dessa reaktorer. De är ändå en stark kandidat för ett framtida hållbart kärnbränslekretslopp.

Några enkla regler för att hålla en reaktor säker är att man måste:
  1) kunna stänga av den när det behövs
  2) hålla härden täckt av vatten
  3) hålla inneslutningen intakt
För att omsätta dessa allmänna principer i praktiken använder vi fysikens naturlagar. Om mekaniska anordningar används måste det finnas minst två olika slags anordningar, så att samma fel inte kan uppstå i båda samtidigt.

Bilden visar passiva säkerhetsanordningar: 1 - luftutsläpp genom självcirkulation, 2 - självfallsdränerad vattentank, 3 - avdunstning av vattenfilm, 4 - inneslutningskärl av stål, 5 - automatisk tryckavlastningsventil, 6 - självfallsmatad vattentank för påfyllning, 7 - kylning med uteluft (bild: Westinghouse 2011). Vid strömavbrott leds nödkylvatten in i reaktorhärden med hjälp av tyngdkraften och cirkuleras genom passiv konvektion och kondensation.

Kärnreaktorer har flera redundanta säkerhetsskikt. Den biologiska skärmen runt reaktorn skyddar människor mot den joniserande strålning som bildas i reaktorhärden. Vattnet i PWR- och PHWR-reaktorer renas (destilleras) noggrant, eftersom eventuella föroreningar i vattnet kan bli radioaktiva medan reaktorn är i drift. Själva reaktorn är vanligen omgiven av tung, tjock betong och placerad i en särskilt byggd hall vars väggar tål tryckvågen från den ånga som skulle bildas vid en allvarlig olycka. Dessutom har byggnaden som rymmer reaktorhallen också tunga, tjocka väggar. Taken, som ofta är halvklotformade, är tillräckligt starka för att klara en flygplanskrasch. Särskild vikt läggs vid kylsystemets mekanik och styrning.

Reaktorernas säkerhetssystem är ofta tredubblade, vilket minskar sannolikheten för att alla system ska fallera samtidigt till praktiskt taget noll. Det är därför det har inträffat så få olyckor i kärnkraftens historia. Olyckorna vid Three Mile Island i USA, i Tjernobyl i före detta Sovjetunionen och vid Fukushima Daiichi i Japan är just undantag där en kedja av fel i flera system i kombination med mänskliga misstag eller naturkatastrofer har slagit ut de befintliga säkerhetssystemen.

Sist men inte minst är man särskilt noga med både kärnavfallet och det klyvbara material som förvaras nära reaktorn, för att skydda mot stöld och missbruk av materialet (t.ex. för kärnvapen).

Det finns en grundläggande skillnad mellan explosionen av en atombomb och en explosion i en kärnreaktor! Kärnexplosioner är faktiskt omöjliga i en kärnreaktor, även om vanliga termiska (från ångan) och kemiska (från väte som reagerar med syre) mekanismer har lett till kärnkraftsolyckorna i Tjernobyl och Fukushima. Den viktigaste följden av en reaktorexplosion är utsläpp av radioaktivt material till atmosfären, som sedan bildar radioaktivt nedfall. Nedfallets fördelning beror på väderförhållandena (särskilt vind och regn).

Olyckorna i Tjernobyl och Fukushima visade att vid en kärnkraftskatastrof kan föroreningen av marken spridas över stora områden, där strålningsexponeringen då sjunker till en bråkdel av den naturliga nivån och inte kan leda till några allvarliga följder. Det är annorlunda än vid en kärnexplosion, där stora områden kan förorenas över dödliga exponeringsnivåer.

Hur är det med följderna av en terrorattack med flygplan mot ett kärnkraftverk? Reaktorinneslutningen skulle inte skadas särskilt mycket i ett sådant fall, och reaktorhärden borde absolut inte påverkas. Kyl- och strömförsörjningssystemen skulle däremot kunna drabbas om de träffas. Trots de nuvarande säkerhetsanordningarna skulle denna typ av skada i värsta fall kunna leda till överhettning och härdsmälta. Även i ett sådant fall skulle de radioaktiva materialen dock stanna inne i reaktorns tryckkärl. Det som kan vara farligare är en lyckad attack mot lagret av högaktivt avfall vid kärnkraftverket. Även om en sådan attack skulle vara svår på grund av lagrens ganska små dimensioner är den ändå inte omöjlig. Man kan räkna med att de radioaktiva materialen då skulle spridas, men problemet skulle bara vara av lokal omfattning.