Het apparaat en het werkingsprincipe van een kernreactor zijn gebaseerd op de initialisatie en controle van een zichzelf in stand houdende kernreactie. Het wordt gebruikt als onderzoeksinstrument, voor de productie van radioactieve isotopen en als energiebron voor kerncentrales.
Kernreactor: hoe het werkt (in het kort)
Hier wordt het proces van kernsplijting gebruikt, waarbij een zware kern uiteenv alt in twee kleinere fragmenten. Deze fragmenten bevinden zich in een zeer aangeslagen toestand en zenden neutronen, andere subatomaire deeltjes en fotonen uit. Neutronen kunnen nieuwe splijtingen veroorzaken, waardoor er meer neutronen worden uitgestoten, enzovoort. Zo'n continue zichzelf in stand houdende reeks splitsingen wordt een kettingreactie genoemd. Tegelijkertijd komt er een grote hoeveelheid energie vrij, waarvan de productie het doel is van het gebruik van kerncentrales.
Het principe van de werking van een kernreactor en een kerncentrale is zodanig dat ongeveer 85% van de splijtingsenergie vrijkomt binnen een zeer korte tijdsperiode na het begin van de reactie. De rest wordt geproduceerd inhet resultaat van het radioactieve verval van splijtingsproducten nadat ze neutronen hebben uitgestoten. Radioactief verval is het proces waarbij een atoom een stabielere toestand bereikt. Het gaat door, zelfs nadat de verdeling is voltooid.
In een atoombom neemt de kettingreactie in intensiteit toe totdat het meeste materiaal is gespleten. Dit gebeurt heel snel en produceert de extreem krachtige explosies die kenmerkend zijn voor dergelijke bommen. Het apparaat en het werkingsprincipe van een kernreactor zijn gebaseerd op het handhaven van een kettingreactie op een gecontroleerd, bijna constant niveau. Het is zo ontworpen dat het niet kan exploderen als een atoombom.
Kettingreactie en kriticiteit
De fysica van een kernsplijtingsreactor is dat de kettingreactie wordt bepaald door de kans op kernsplijting na de emissie van neutronen. Als de populatie van deze laatste afneemt, zal de splijtingssnelheid uiteindelijk tot nul dalen. In dit geval bevindt de reactor zich in een subkritische toestand. Als de populatie neutronen op een constant niveau wordt gehouden, blijft de splijtingssnelheid stabiel. De reactor zal in kritieke toestand verkeren. En tot slot, als de populatie neutronen in de loop van de tijd groeit, zullen de splijtingssnelheid en het vermogen toenemen. De kern wordt superkritisch.
Het werkingsprincipe van een kernreactor is als volgt. Vóór de lancering was de neutronenpopulatie bijna nul. De operators verwijderen vervolgens de controlestaven uit de kern, waardoor de kernsplijting toeneemt, wat tijdelijk verta alt:reactor tot superkritische toestand. Nadat het nominale vermogen is bereikt, sturen de operators de regelstaven gedeeltelijk terug, waarbij het aantal neutronen wordt aangepast. In de toekomst wordt de reactor in kritieke toestand gehouden. Wanneer het moet worden gestopt, steken de operators de staven volledig in. Dit onderdrukt splijting en brengt de kern in een subkritische staat.
Soorten reactoren
De meeste nucleaire installaties in de wereld wekken energie op en genereren de warmte die nodig is om turbines te laten draaien die elektrische stroomgeneratoren aandrijven. Er zijn ook veel onderzoeksreactoren en sommige landen hebben kernonderzeeërs of oppervlakteschepen.
Elektriciteitscentrales
Er zijn verschillende typen reactoren van dit type, maar het lichtwaterontwerp heeft brede toepassing gevonden. Op zijn beurt kan het water onder druk of kokend water gebruiken. In het eerste geval wordt de vloeistof onder hoge druk verwarmd door de warmte van de kern en komt in de stoomgenerator. Daar wordt de warmte van het primaire circuit overgedragen naar het secundaire circuit, dat ook water bevat. De uiteindelijk gegenereerde stoom dient als werkvloeistof in de stoomturbinecyclus.
De kookreactor werkt volgens het principe van een directe energiecyclus. Water, dat door de actieve zone stroomt, wordt bij een gemiddeld drukniveau aan de kook gebracht. Verzadigde stoom passeert een reeks afscheiders en drogers die zich in het reactorvat bevinden, waardoor het naar:oververhitte toestand. De oververhitte waterdamp wordt vervolgens gebruikt als werkvloeistof om een turbine te laten draaien.
Hoge temperatuur gekoeld met gas
De hogetemperatuurgasgekoelde reactor (HTGR) is een kernreactor waarvan het werkingsprincipe is gebaseerd op het gebruik van een mengsel van grafiet- en brandstofmicrosferen als brandstof. Er zijn twee concurrerende ontwerpen:
- Duits "vulsysteem" dat gebruikmaakt van sferische brandstofcellen met een diameter van 60 mm, een mengsel van grafiet en brandstof in een grafietmantel;
- Amerikaanse versie in de vorm van zeshoekige grafietprisma's die in elkaar grijpen om een actieve zone te vormen.
In beide gevallen bestaat de koelvloeistof uit helium met een druk van ongeveer 100 atmosfeer. In het Duitse systeem gaat helium door openingen in de laag bolvormige splijtstofelementen en in het Amerikaanse systeem door gaten in grafietprisma's die zich langs de as van de centrale zone van de reactor bevinden. Beide opties kunnen werken bij zeer hoge temperaturen, aangezien grafiet een extreem hoge sublimatietemperatuur heeft, terwijl helium volledig chemisch inert is. Helium kan direct worden toegepast als werkvloeistof in een gasturbine bij hoge temperatuur, of de warmte ervan kan worden gebruikt om stoom uit de watercyclus te genereren.
Vloeibare metalen kernreactor: schema en werkingsprincipe
Snelle neutronenreactoren met natriumkoelmiddel kregen in de jaren zestig en zeventig veel aandacht. Danhet leek erop dat hun vermogen om in de nabije toekomst nucleaire brandstof te reproduceren noodzakelijk was voor de productie van brandstof voor de zich snel ontwikkelende nucleaire industrie. Toen in de jaren tachtig duidelijk werd dat deze verwachting onrealistisch was, verflauwde het enthousiasme. Er zijn echter een aantal reactoren van dit type gebouwd in de VS, Rusland, Frankrijk, Groot-Brittannië, Japan en Duitsland. De meeste werken op uraniumdioxide of een mengsel daarvan met plutoniumdioxide. In de Verenigde Staten is het grootste succes echter geboekt met metalen brandstoffen.
CADU
Canada heeft zijn inspanningen gericht op reactoren die natuurlijk uranium gebruiken. Dit elimineert de noodzaak voor zijn verrijking om zijn toevlucht te nemen tot de diensten van andere landen. Het resultaat van dit beleid was de deuterium-uraniumreactor (CANDU). Controle en koeling daarin wordt uitgevoerd door zwaar water. Het apparaat en het werkingsprincipe van een kernreactor is het gebruik van een tank met koude D2O bij atmosferische druk. De kern wordt doorboord door pijpen gemaakt van een zirkoniumlegering met natuurlijke uraniumbrandstof, waardoor zwaar water het koelt. Elektriciteit wordt geproduceerd door de warmte van splijting in zwaar water over te brengen op koelvloeistof die door de stoomgenerator circuleert. De stoom in het secundaire circuit gaat dan door de normale turbinecyclus.
Onderzoeksinstallaties
Voor wetenschappelijk onderzoek wordt meestal een kernreactor gebruikt, waarvan het principe is om waterkoeling enlamellaire splijtstofelementen van uranium in de vorm van assemblages. Geschikt voor een breed scala aan vermogensniveaus, van enkele kilowatts tot honderden megawatts. Aangezien energieopwekking niet de hoofdtaak van onderzoeksreactoren is, worden ze gekenmerkt door de opgewekte thermische energie, dichtheid en nominale energie van neutronen in de kern. Het zijn deze parameters die helpen bij het kwantificeren van het vermogen van een onderzoeksreactor om specifieke onderzoeken uit te voeren. Systemen met een laag vermogen worden doorgaans gebruikt in universiteiten voor onderwijsdoeleinden, terwijl systemen met een hoog vermogen nodig zijn in R&D-laboratoria voor materiaal- en prestatietests en algemeen onderzoek.
De meest voorkomende kernreactor voor onderzoek, waarvan de structuur en het werkingsprincipe als volgt zijn. De actieve zone bevindt zich op de bodem van een grote diepe plas water. Dit vereenvoudigt de observatie en plaatsing van kanalen waardoor neutronenbundels kunnen worden gericht. Bij een laag vermogen is het niet nodig om de koelvloeistof te ontluchten, omdat de natuurlijke convectie van de koelvloeistof zorgt voor voldoende warmteafvoer om een veilige bedrijfstoestand te handhaven. De warmtewisselaar bevindt zich meestal aan de oppervlakte of aan de bovenkant van het zwembad waar het warme water zich ophoopt.
Scheepsinstallaties
Het oorspronkelijke en belangrijkste gebruik van kernreactoren is in onderzeeërs. Hun belangrijkste voordeel is:dat ze, in tegenstelling tot verbrandingssystemen op fossiele brandstoffen, geen lucht nodig hebben om elektriciteit op te wekken. Daarom kan een nucleaire onderzeeër lange tijd onder water blijven, terwijl een conventionele dieselelektrische onderzeeër periodiek naar de oppervlakte moet komen om zijn motoren in de lucht te starten. Kernenergie geeft een strategisch voordeel aan de schepen van de marine. Het elimineert de noodzaak om te tanken in buitenlandse havens of bij kwetsbare tankers.
Het werkingsprincipe van een kernreactor op een onderzeeër is geclassificeerd. Het is echter bekend dat het in de VS hoogverrijkt uranium gebruikt en dat het vertragen en afkoelen wordt gedaan door licht water. Het ontwerp van de eerste reactor van de kernonderzeeër USS Nautilus werd sterk beïnvloed door krachtige onderzoeksfaciliteiten. De unieke kenmerken zijn een zeer grote reactiviteitsmarge, die zorgt voor een lange gebruiksduur zonder bijtanken en de mogelijkheid om na een stop opnieuw te starten. De krachtcentrale in de subs moet erg stil zijn om detectie te voorkomen. Om aan de specifieke behoeften van verschillende klassen onderzeeërs te voldoen, werden verschillende modellen van krachtcentrales gemaakt.
De vliegdekschepen van de Amerikaanse marine gebruiken een kernreactor, waarvan wordt aangenomen dat het principe is geleend van de grootste onderzeeërs. Details van hun ontwerp zijn ook niet vrijgegeven.
Naast de VS hebben het VK, Frankrijk, Rusland, China en India nucleaire onderzeeërs. In elk geval is het ontwerp niet bekendgemaakt, maar men gelooft dat ze allemaal erg op elkaar lijken - ditis een gevolg van dezelfde eisen voor hun technische kenmerken. Rusland heeft ook een kleine vloot van nucleair aangedreven ijsbrekers die dezelfde reactoren hebben als Sovjet-onderzeeërs.
Industriële installaties
Voor de productie van plutonium-239 van wapenkwaliteit wordt een kernreactor gebruikt met als principe een hoge productiviteit met een laag niveau van energieproductie. Dit komt doordat een lang verblijf van plutonium in de kern leidt tot de ophoping van ongewenste 240Pu.
Tritiumproductie
Momenteel is het belangrijkste materiaal dat door dergelijke systemen wordt geproduceerd tritium (3H of T), de lading voor waterstofbommen. Plutonium-239 heeft een lange halfwaardetijd van 24.100 jaar, dus landen met kernwapenarsenalen die dit element gebruiken, hebben er meestal meer van dan ze nodig hebben. In tegenstelling tot 239Pu heeft tritium een halfwaardetijd van ongeveer 12 jaar. Om de noodzakelijke voorraden in stand te houden, moet deze radioactieve isotoop van waterstof dus continu worden geproduceerd. In de VS heeft Savannah River, South Carolina bijvoorbeeld verschillende zwaarwaterreactoren die tritium produceren.
Drijvende krachtbronnen
Er zijn kernreactoren gemaakt die elektriciteit en stoomverwarming kunnen leveren aan afgelegen geïsoleerde gebieden. In Rusland hebben ze bijvoorbeeld toepassing gevondenkleine energiecentrales die speciaal zijn ontworpen om Arctische gemeenschappen te dienen. In China levert een 10 MW HTR-10-installatie warmte en stroom aan het onderzoeksinstituut waar deze is gevestigd. In Zweden en Canada worden kleine gecontroleerde reactoren met vergelijkbare capaciteiten ontwikkeld. Tussen 1960 en 1972 gebruikte het Amerikaanse leger compacte waterreactoren om afgelegen bases in Groenland en Antarctica van stroom te voorzien. Ze zijn vervangen door oliegestookte elektriciteitscentrales.
Ruimteverkenning
Bovendien zijn er reactoren ontwikkeld voor stroomvoorziening en beweging in de ruimte. Tussen 1967 en 1988 installeerde de Sovjet-Unie kleine nucleaire installaties op de Kosmos-satellieten om apparatuur en telemetrie aan te drijven, maar dit beleid werd een doelwit van kritiek. Ten minste één van deze satellieten is de atmosfeer van de aarde binnengedrongen, wat heeft geleid tot radioactieve besmetting van afgelegen gebieden van Canada. De Verenigde Staten lanceerden in 1965 slechts één door kernenergie aangedreven satelliet. Er worden echter nog steeds projecten ontwikkeld voor gebruik in diepe ruimtevluchten, bemande verkenning van andere planeten of op een permanente maanbasis. Het zal noodzakelijkerwijs een gasgekoelde of vloeibaar-metaalkernreactor zijn, waarvan de fysische principes de hoogst mogelijke temperatuur zullen bieden die nodig is om de afmeting van de radiator te minimaliseren. Bovendien moet een ruimtereactor zo compact mogelijk zijn om de hoeveelheid materiaal die wordt gebruikt voor te minimaliserenafscherming, en om het gewicht te verminderen tijdens lancering en ruimtevlucht. De brandstofreserve zorgt voor de werking van de reactor gedurende de gehele periode van de ruimtevlucht.
