kjernereaktor

Verdens første kjernereaktor for produksjon av elektrisk energi ble konstruert ved forskningsinstituttet IPPE i den russiske byen Obninsk i 1954.
IAEA.
Lisens: CC BY SA 2.0
Enkel fremstilling av en fisjon. Et nøytron fanges inn i kjernen til et ²³⁵U-atom. Når nøytronet er absorbert går ²³⁵U over til ²³⁶U, som er ustabilt og som spaltes i to fisjonsprodukter (⁹²KR og ¹⁴¹Ba) og tre frie nøytroner.
Av .
Lisens: public domain

Artikkelstart

Kjernereaktor er en innretning der en kjernefysisk prosess kan igangsettes og styres under kontrollerte former. De fleste kjernereaktorer er i praksis fisjonsreaktorer. Reaktorer med den motsatte prosessen, fusjon, er under utvikling, men en kommersiell utnyttelse av fusjonsreaktorer ligger langt frem i tid.

Faktaboks

Også kjent som

atomreaktor

I en kjernereaktorer omdannes kjerneenergi til termisk energi (varme). Reaktorens viktigste funksjon i et kjernekraftverk er å produsere varme som skal omdannes til elektrisk energi. Dette gjøres vanligvis i en Rankine-syklus. I dag er cirka 440 slike reaktorer, fordelt på 30 land, i drift for dette formålet. Andre anvendelser er for framdrift av skip, industriell prosessvarme og fjernvarme. Kjernereaktorer brukes også til særskilte formål som produksjon av isotoper for medisinsk og industriell bruk, produksjon av plutonium for bruk som kjernevåpen og for rene forskningsformål.

Virkemåte

I en fisjonsreaktor produseres varme ved hjelp av spalting av atomkjerner, kalt fisjon. Dette foregår gjennom en kjedereaksjon som starter ved en tilfeldig spalting der det også sendes ut 2-3 nøytroner.

Hvis ett av nøytronene treffer en annen fissil (spaltbar) kjerne, kan det få den til å fisjonere slik at prosessen gjentar seg (se kjerneenergi). Ved hver fisjon frigjøres en viss mengde energi i størrelsesorden 210 megaelektronvolt (MeV). For at reaksjonen skal løpe med jevn hastighet, må i gjennomsnitt ett nøytron fra hver fisjon forårsake én ny fisjon. Reaktoren blir da definert som kritisk (se kritisk tilstand). Hvis nøytronene fra en fisjon i gjennomsnitt gir mindre enn én ny fisjon, er reaktoren underkritisk, og kjedereaksjonen dør etter hvert ut. Gir hver fisjon mer enn én ny fisjon, er reaktoren overkritisk. Reaksjonshastigheten vil da øke, temperaturen i reaktoren vil stige, og reaktoren vil, om den ikke igjen gjøres kritisk eller underkritisk, smelte eller eksplodere.

Kjedereaksjonen vil løpe så lenge det er tilstrekkelig mengde og konsentrasjon av fissilt materiale i reaktoren. Reaksjonshastigheten avhenger av hvordan det fissile stoffet er fordelt og hvilke andre nuklider det er blandet med eller omgitt av. I hver fisjon frigjøres det i gjennomsnitt omkring 2,5 nøytroner. Bare ett av dem er nødvendig for å opprettholde kjernereaksjonen. De andre må absorberes på andre måter eller forsvinne ut av reaktoren. For å konstruere og kontrollere en reaktor slik at den arbeider i eller nær det kritiske området, er det nødvendig å vite hvordan nøytronene omsettes i reaktoren.

Siden uranisotopen ²³⁵U er den eneste naturlig forekommende fissile nuklide, er det denne som vanligvis brukes for å drive reaktorer. I en reaktor kan de fissile nuklidene ²³³U og ²³⁹Pu produseres av ²³²Th eller ²³⁸U, som anbringes i eller omkring reaktoren. Dette skjer gjennom en nøytronabsorbsjon med en etterfølgende transmutasjon. En slik transmutasjon skjer i alle reaktorer, men hvis reaktoren er konstruert slik at den produserer mer fissilt stoff enn den selv forbruker, kalles den en formeringsreaktor.

Etter virkemåten skjelner man mellom to hovedtyper av reaktorer. I hurtigreaktorer brukes nøytronene dirkete, med den energien de får i fisjonsprosessen. Dette krever at reaktorbrenslet inneholder en forholdsvis sterk konsentrasjon av fissilt stoff, for eksempel uran som er anriket til 15–20 prosent ²³⁵U.

I en termisk reaktor blir nøytronene bremset ned til en lav, termisk hastighet ved hjelp av en moderator. Ved lav hastighet blir sannsynligheten for at nøytronene skal fanges inn av fissile kjerner stor, og kjedereaksjonen kommer lettere i gang. En termisk reaktor kan derfor arbeide med mindre anriket brensel enn en hurtigreaktor, og i beste fall utnytte naturlig, det vil si uanriket, uran.

Reaktorens oppbygning

Trykkvannsreaktoren er den mest brukte kjernereaktoren. Prinsippskissen viser de viktigste komponentene og energiomsetningselementene. I trykkvanns- og kokvannsreaktorer brukes vanlig vann som moderator og kjølemiddel.
Av /Store norske leksikon ※.

Som hovedkomponenter av en kjernereaktor regnes brenselselementer, kontrollstaver, moderator, kjølemiddel, reaktortank, styrings- og kontrollutstyr, strålingsskjerming og reaktorinneslutning.

Brenselselementene

Brenselselementene er utskiftbare enheter som består av fra femti til noen få hundre brenselstaver. Hver stav er 3–4 meter lang og 1–2 centimeter (cm) i diameter. Kjernebrenselet, som regel små briketter av urandioksid (UO₂), er innkapslet i stavene. Kapslingen skal hindre radioaktive fisjonsprodukter i å slippe ut. Den må tåle sterk stråling og høy temperatur. Spesielle typer rustfritt stål eller legeringer av stål og zirkonium, kalt zirkaloy, er utviklet for dette formål. Hver stav inneholder 1–2 kilogram uran. Reaktorkjernen bygges opp av noen hundre utskiftbare brenselselementer. Den totale mengden uran i en 1000 megawatt (MWₑ) termisk reaktor er i størrelsesorden 150 tonn, hvorav 2–3 tonn ²³⁵U.

Under drift forbrukes ²³⁵U, og det dannes radioaktive fisjonsprodukter i stavene. Når innholdet av ²³⁵U er blitt for lavt og forurensningene for store, etter 3–4 års drift, må brenselselementene skiftes. For å få jevn forbrenning, skiftes en del av elementene hvert år. De brukte elementene sendes til reprosessering. Radioaktive fisjonsprodukter fjernes og tas vare på etter strenge regler. Noen av produktene kan skilles ut og benyttes for forskjellige formål, men det meste – cirka 10 tonn i året fra en 1000 MWₑ reaktor – betraktes som avfall. Dette blir først lagret under overvåkning i noen tiår, mens det er varmt og til dels flytende. Når mesteparten av radioaktiviteten er dødd ut, blir det overført til langtidslagring på utilgjengelige og sikre steder, der aktiviteten vil holde seg i årtusener.

Kontrollstaver

Aktiviteten i reaktoren reguleres ved hjelp av kontrollstaver som absorberer nøytroner.

Kontrollstavene lages av bor eller kadmium, som lett absorberer nøytroner. Når disse stavene står inne i reaktoren, mellom brenselselementene, vil de suge til seg så mange nøytroner at reaktoren blir underkritisk. Når stavene trekkes passe langt tilbake, blir reaktoren kritisk. Man kan så regulere reaksjonshastigheten og reaktoreffekten ved forsiktig bevegelse av kontrollstavene omkring den kritiske stillingen. Ved eventuelle reaktoruhell skal sikringsanordninger sørge for at kontrollstavene straks blir ført inn i reaktoren slik at kjedereaksjonen stanser. Likevel vil det fortsatt være energiutvikling i reaktoren, som følge av en rask radioaktiv nedbrytning av de fisjonsproduktene som er dannet. Dette omtales som restvarme. Temperaturen kan derfor fortsette å stige selv om kjedereaksjonen er stanset.

Moderator

Moderator brukes i termiske reaktorer for å bremse nøytronene. Bremsingen foregår ved støt mot lette atomkjerner, og moderatoren må derfor inneholde mye lette atomer. Vanlig vann, tungtvann og grafitt blir mest brukt. I vanlig vann er nøytronabsorpsjonen imidlertid så stor at naturlig uran ikke kan brukes som brensel. Først ved en anrikning til 2–3 prosent ²³⁵U vil kjedereaksjonen holdes i gang. Med tungtvann eller grafitt som moderator kan naturlig uran brukes som brensel. Siden grafitt er brennbar, vil muligheten for brann i reaktorkjernen være til stede i en grafittmoderert reaktor.

Kjølemiddel

Kjølemiddel er en viktig komponent i enhver energiproduserende reaktor. I den primære kjølekretsen ledes varme ut fra reaktorkjernen og overføres så gjennom en varmeveksler til et sekundært kjølesystem hvor det produseres damp som driver turbin og strømgenerator. Kjølemiddelet kan være i form av gass eller væske. Når vann brukes som moderator, brukes det samme vannet som regel også som kjølemiddel. For å oppnå høy temperatur og derved bedre virkningsgrad ved elektrisitetsproduksjon, holdes vannet under høyt trykk.

Inneslutningen av reaktoren

De komponentene som er nevnt ovenfor blir bygd inn i en reaktortank som må kunne motstå både høyt rykk og høy temperatur, og ikke ødelegges av den intense nøytronstrålingen som ofte fører til forandring av stoffenes kjemiske struktur og mekaniske egenskaper. Som regel benytter man en ståltank med 15–20 cm tykke vegger. For en 1000 MW reaktor vil tanken ha en diameter på over 5 meter, høyden kan være 15–20 meter og vekten over 500 tonn. Utenom reaktortanken bygges vegger som absorberer nøytron- og gammastråling, og alt sammen blir bygd inn av en lufttett bygningskonstruksjon, en reaktorinneslutning, som skal stoppe enhver lekkasje av radioaktiv gass eller væske.

Reaktortyper

Det er utviklet en rekke forskjellige typer av kjernereaktorer. Reaktorene klassifiseres etter flere kriterier, og nedenfor følger en oversikt over de viktigste.

Klassifisering etter type kjernereaksjon

  • Termisk reaktor. Disse bruker termiske nøytroner, det vil si nøytroner som er bremset ned av en moderator.
  • Hurtigreaktor, som ikke trenger moderator, men er avhengig av høy konsentrasjon av fissilt materiale.
  • Formeringsreaktor (kan både være termisk og hurtigreaktor), som er innrettet slik at den produserer mer fissilt materiale enn den bruker.

Klassifisering etter materiale brukt som moderator

Termiske reaktorer deles inn etter hva slags moderator som tas i bruk:

Klassifisering etter kjølemiddel

Klasssifikasjon etter generasjoner av reaktorer

Reaktorer i kommersiell drift

Fordeling av antall kommersielle kjernereaktorer etter type

Kjernereaktorer
Lisens: CC BY SA 3.0

Tabellen nedenfor viser fordelingen av verdens kjernereaktorer som er tilrettelagt for kommersiell drift.

Type reaktor Bet. Ant. GWe Brensel Moderator Kjølemiddel
Trykkvann PWR 302 287 anriket UO₂ Vann Vann
Kokvann BWR 63 64,1 anriket UO₂ Vann Vann
Tungtvann PHWR 49 24,5 naturlig UO₂ Tungtvann Tungtvann
Avansert gasskjølt AGR 14 7,7 naturlig U, anriket UO₂ Grafitt CO₂
Grafittmoderert reaktor LWGR 12 8,4 anriket UO₂ Grafitt CO₂, helium eller vann
Formeringsreaktor FBR 2 1,4 PuO₂ og UO₂ Ingen Natrium
SUM 442 393

Kilde: World Nuclear Association

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg