voidkoeffisient

Artikkelstart

I en kjernereaktor er voidkoeffisient et uttrykk for hvor mye reaksjonshastigheten, i den nukleære kjedereaksjonen, blir endret når kjølemiddel fortrenges fra reaktorkjernen og det oppstår et tomrom (void).

Voidkoeffisienten er kritisk for reguleringen av reaktorens termiske ytelse, det vil si hvor mye varme som produseres. Hvis voidkoeffisienten er positiv vil reaktoren ha en tendens til å øke den termiske ytelsen, noe som krever at reaktorens reguleringsmekanisme må aktiviseres for å unngå at reaktoren blir overopphetet. Motsatt vil en negativ voidkoeffisient bidra til at reaktorens ytelse dempes, mens med en voidkoeffisient lik null vil reaktoren tendere til å forbli stabil. Void-effekter opptrer i reaktorer som bruker flytende kjølemiddel, slik som vann eller flytende metall. I gasskjølte reaktorer regnes ikke void-effekter å ha noen betydning.

Virkemåte

I en kjernereaktor drives kjedereaksjonen ved at nøytroner fanges inn av atomkjerner som splittes (fisjon) og sender ut nye nøytroner. Hvor mange av de nye nøytronene som bidrar til å splitte nye atomer, avhenger av hastigheten til nøytronene, men også av hvor mange nøytroner som blir absorbert underveis. Moderatoren bremser nøytronene slik at de lettere fanges inn av atomkjerner, noe som bidrar til å øke tempoet i kjedereaksjonen. På den annen blir også noen nøytroner absorbert, og da blir det færre nøytroner til å holde kjedereaksjonen i gang.

I en reaktor som bruker flytende væske som kjølemiddel, for eksempel vann, kan det begynne å koke hvis temperaturen blir for høy. Det kan også gå tapt som følge av en teknisk feil. Det oppstår da et tomrom mellom reaktorkjernen og kjølemiddelet. Dette svekker nedkjølingen av reaktorkjernen og er i seg selv kritisk. Problemet forsterkes hvis kjølemiddelet også har hatt som funksjon å absorbere nøytroner. Da vil reaktoreffekten tendere til å øke. Hvis derimot kjølemiddelet også fungerer som en moderator, slik for eksempel vann gjør, får man en motsatt tendens. Da vil fravær av kjølemiddel også bidra til at nedbremsingen av nøytronene reduseres og dette kan føre til at kjedereaksjonen dør ut. Den samlede virkning av disse effektene avgjør om voidkoeffisienten blir positiv eller negativ.

En positiv voidkoeffisient er kritisk og krever et reguleringssystem som kan reagere raskt og dempe ned den økte reaksjonshastigheten. I motsatt fall kan systemet bli ustabilt ved at økt temperatur kan gi en positiv tilbakekopling som virker selvforsterkende og bidra til at enda mer av kjølevæsken koker bort. Av sikkerhetsmessige grunner blir de fleste reaktorene bygd med en negativ voidkoeffisient.

Reaktortyper

Ulike reaktortyper har ulike voidkoeffisienter, og dermed ulike behov for reguleringssystemer som sikrer at driften ikke kommer ut av kontroll.

Lettvannsreaktor

Lettvannsreaktorer omfatter trykkvannsreaktor og kokvannsreaktor. Lettvann (det vil si normalt vann til forskjell fra tungtvann) fungerer både som nøytron-moderator og nøytron-absorbator. Den samlede virkning av dette blir at reaktorene får en negativ voidkoeffisient, som sikrer at den termiske ytelsen dempes hvis vannet skulle begynne å koke eller falle bort.

Tungtvannsreaktor

Egenskapene til tungtvannet gjør at tungtvannsreaktorene får en liten positiv voidkoeffisient. For å gjøre disse reaktorene sikre, må det etableres et reguleringssystem som sikrer at kjernereaksjonen ikke kommer ut av kontroll. I Candu-reaktoren blir dette løst av to uavhengige nedstengningssystemer som utløses automatisk i en nødsituasjon:

  • Det ene består av fjærassisterte og gravitasjonsdrevne staver, som er nøytronabsorberende. og som sendes ned i reaktorkjernen.
  • Med det andre blir en nøytronabsorberende væske, som inneholder gadolinium, injisert inn i moderatoren.

Hurtigreaktor

En hurtigreaktor bruker ikke moderator siden fisjonen opprettholdes uten at nøytronene bremses ned. Imidlertid kan kjølemiddelet, som ofte er bly eller natrium, absorbere nøytroner og derfor være årsak til at disse reaktorene kan få en positiv voidkoeffisient.

RBMK-reaktor

RBMK-reaktoren er vannkjølt, men i denne reaktoren er vannets viktigste funksjon å være kjølemiddel. Oppgaven som moderator utøves av grafitt. Hvis vannet går over til damp svekkes vannets evne til å absorbere nøytroner, samtidig som moderatorfunksjonen opprettholdes av grafitten. Flere nøytroner vil da kunne bidra til fisjon og øke reaktorens ytelse, som fører til at temperaturen øker og at mer vann går over til damp, hvorved det skapes en forsterkende termisk tilbakekopling. Resultatet er en høy positiv voidkoeffisient.

RBMK-reaktoren var i drift i Tsjernobyl kjernekraftverk, men etter ulykken som inntraff i 1986, ble alle RBMK-reaktorene bygd om. Dagens RBMK-reaktorer har en betydelig mindre positiv voidkoeffisient, og har dermed redusert faren for en ukontrollert kjernefysisk nedsmelting som følge av bortfall av kjølemiddel.

Gasskjølt reaktor

Eksempler på gasskjølte reaktorer er Magnox-reaktor, gasskjølt hurtigreaktor og pebble bed-reaktor. Gassen som reaktorkjernen er fylt med fungerer kun som kjølemiddel og har ingen funksjon som moderator eller absorbator. Konsekvenser for reaktorens termiske ytelse som følge av et «void» er derfor ikke noen aktuell problemstilling. Hvis vann ved et uhell skulle komme inn i reaktorkjernen kan det imidlertid oppstå en situasjon med positiv voidkoeffisient.

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