Kernreactor

Een kernreactor is een installatie in een kerncentrale waarin een kettingreactie van kernsplijtingen plaatsvindt onder gecontroleerde en stabiele omstandigheden. Kernreactors leveren warmte voor de opwekking van elektriciteit, verwarming van huizen en industrieën, ontziltingsinstallaties en de voortstuwing van schepen en onderzeeërs. Daarnaast hebben ze vele onderzoekstoepassingen waaronder gebruik als bron van neutronen en het bereiden van diverse radioactieve isotopen.

Hoewel de term 'kernreactor' ook zou kunnen worden gebruikt voor een fusiereactor wordt dit meestal niet gedaan en worden er uitsluitend splijtingsreactors mee bedoeld.

Inhoud 1 Basisbegrip van de werking 1.1 Kettingreactie 1.2 Warmte-overdracht en elektriciteitsopwekking 1.3 Cyclustijd 1.4 Rendement 2 Soorten reactoren 2.1 Huidige reactorfamilies 2.2 Verouderde typen die nog wel in bedrijf zijn 2.3 Geavanceerde reactors 3 Opwerkingscyclus van nucleaire brandstof 4 Geschiedenis 5 Voor- en nadelen 5.1 Afvaldetails

[bewerk] Basisbegrip van de werking

Om de energie voor het aandrijven van een generator op te wekken, maken kerncentrales gebruik van kernsplijting. Bij dit proces absorbeert de kern van een zwaar element zoals uranium een langzaam bewegend ('thermisch') neutron, wordt daardoor instabiel en splijt spontaan in twee kleinere atoomkernen. Bij de splijting van een uraniumkern ontstaan twee lichtere kernen, 2 à 3 snelle neutronen en een grote hoeveelheid energie.

[bewerk] Kettingreactie

Bij de splijting van uranium ontstaan meer neutronen dan er worden verbruikt. Daardoor kan de reactie zichzelf in principe onderhouden en zelfs versterken (kettingreactie). De neutronen die bij splijting van uranium-235 vrijkomen zijn echter te snel om op hun beurt splijting uit te lokken en moeten dus worden vertraagd (moderatie), bijvoorbeeld met koolstof (grafiet) of zwaar water. Om te voorkomen dat er te veel langzame neutronen ontstaan kan het overschot worden weggevangen met materialen zoals cadmium en boor; door staven van deze materialen in de kern te schuiven kan het proces worden geregeld.

[bewerk] Warmte-overdracht en elektriciteitsopwekking

In verreweg de meeste kernreactors op de wereld wordt de warmte die wordt opgewekt door de splijtende uraniumkernen opgenomen in gezuiverd water en uit de reactor gevoerd als stoom in kokendwaterreactors (waarbij stoom in het reactorvat zelf ontstaat) of als zeer heet water (305 graden Celsius) onder hoge druk (ongeveer 155 bar) in drukwaterreactors.

In drukwaterreactors wordt het zeer hete water onder druk in het primaire circuit gebruikt om warmte over te dragen naar een secundair circuit waarin dan wel stoom wordt opgewekt.

In beide gevallen is het resultaat stoom onder hoge druk (ongeveer 60 bar) die wordt gebruikt om via een stoomturbine een elektrische generator te laten draaien. Zo wordt de warmte van de kernreactor zo efficiënt mogelijk in arbeid omgezet die wordt gebruikt om elektrische energie op te wekken.

Kokendwaterreactors en drukwaterreactors worden ook wel lichtwaterreactors genoemd, omdat ze gewoon water gebruiken als moderator voor de neutronen. In alle lichtwaterreactors tot op heden wordt dit water ook gebruikt om de warmte van de reactor naar de turbine te voeren bij het proces van elektriciteitsopwekking. In andere reactor-ontwerpen zou de warmte-overdracht echter ook kunnen plaatsvinden door zwaar water (deuteriumoxide) onder druk, een gas of een andere koelende substantie.

[bewerk] Cyclustijd

De hoeveelheid energie die aanwezig is in het reservoir van de kernbrandstof van de reactor wordt vaak uitgedrukt in het aantal dagen (van 24 uur) dat de reactor op vol vermogen kan werken. Het aantal 'dagen vol vermogen' van de werkingscyclus van een reactor (tussen de noodzakelijke uitvaldagen voor het aanvullen van de brandstof) hangt samen met de hoeveelheid splijtbaar U-235 die in de voorraad kernbrandstof aanwezig is bij aanvang van een cyclus. Als er een groter percentage U-235 in de kern aanwezig is bij aanvang van een cyclus kan de reactor een groter aantal dagen op vol vermogen werken.

Tegen het eind van een cyclus is de brandstof in sommige splijtstofelementen 'opgebrand' en wordt verwijderd en vervangen door nieuwe (verse) staven splijtstof. Het gedeelte van de splijtstofelementen dat bij zo'n operatie wordt vervangen bedraagt meestal een kwart voor een kokendwaterreactor en een derde voor een drukwaterreactor.

[bewerk] Rendement

De hoeveelheid energie die gedurende hun levensduur aan de splijtstofstaven wordt onttrokken wordt de 'burn up' genoemd, en wordt uitgedrukt in termen van opgewekte warmtenergie per hoeveelheid aanvangs-brandstofgewicht. Een gebruikelijke eenheid is megawattdagen thermisch per metrieke ton zwaar metaal bij aanvang. (Waarbij dus niet de elektriciteitsproductie maar de warmteproductie als maat wordt genomen om verschillen in de efficiëntie van de elektriciteitsgeneratie niet mee te laten tellen).

[bewerk] Soorten reactoren

Er zijn een aantal verschillende reactortechnologieën ontwikkeld. Er zijn twee basistypen te onderscheiden, als we kijken naar de snelheid van de gebruikte neutronen.

Thermische langzame reactors gebruiken langzame neutronen. De meeste energie-opwekkingsreactors zijn van dit type. Ze gebruiken een moderator om de neutronen tot lage snelheden af te remmen om vangst van de neutronen door U-238 te voorkomen. Ze bestaan daarnaast uit brandstof (splijtbaar materiaal), omhulsels, drukvaten, stralingsschilden en instrumenten om de systemen van de reactor te bewaken en te regelen. De eerste reactors voor de productie van plutonium waren thermische reactors die grafiet gebruikten als moderator.

Snelle reactors gebruiken snelle neutronen. Hiervoor is hoogverrijkte brandstof nodig (soms zelfs van een kwaliteit die ook voor kernwapens kan worden gebruikt) maar geen moderator. De brandstof is zo sterk verrijkt dat er weinig U238 meer in voorkomt die anders snelle neutronen zou wegvangen. Dit type reactor wordt gebruikt in mobiele installaties, waar de benodigde ruimte een belangrijke overweging is, en voor de productie van plutonium (zie snelle kweekreactor).

Reactors voor thermische energie-opwekking kunnen weer worden onderverdeeld in drie typen, naar gelang ze koelkanalen onder druk gebruiken, een groot drukvat, of gaskoeling.

De meeste commerciële en voortstuwingsreactors maken gebruik van een groot drukvat waarin de door de reactor geproduceerde stoom wordt opgevangen. Dit vat dient ook als omhulsel voor de reactor en als stralingsschild.

De RBMK en CANDU reactortypen gebruiken kanalen onder druk. Dergelijke reactors met drukkanalen kunnen ook terwijl ze in bedrijf zijn worden voorzien van nieuwe brandstof, wat voor- en nadelen heeft die onder CANDU worden besproken.

Gasgekoelde reactors worden gekoeld door een circuit met een circulerend inert gas, meestal helium maar ook stikstof en kooldioxide zijn gebruikt. Er zijn verschillende manieren om de warmte nuttig te gebruiken. Sommige reactors werken op zo'n hoge temperatuur dat het gas direct kan worden gebruikt om een gasturbine aan te drijven. Oudere ontwerpen leiden het hete gas meestal door een warmtewisselaar en wekken er stoom voor een stoomturbine mee op.

Het meest verbreide moderne gasgekoelde ontwerp is een pebble bed reactor. Dit type reactor kan zo worden ontworpen dat het veilig blijft zelfs als alle regelapparatuur het begeeft. Naarmate de kern heter wordt neemt de energieproductie in de reactorkern namelijk af. Aangezien de brandstofelementen uit keramisch materiaal worden vervaardigd tast ook grote hitte ze niet aan. Er zijn pebble bed reactors ontworpen voor zowel snelle als langzame neutronentechnologie, en ook om nieuwe splijtbare isotopen te genereren. Daarnaast kunnen alle bestaande reactorontwerpen voor pebble bed reactors worden bijgevuld zonder de energieproductie te hoeven onderbreken.

De meeste ontwerpen voor snelle reactors maken voor hun koeling gebruik van gesmolten metaal, meestal natrium. Hiervan bestaan ook twee typen, poelreactors en circuitreactors.

[bewerk] Huidige reactorfamilies

• Pressurized Water Reactors (PWR)
• Boiling Water reactors (BWR)
• Pressurised Heavy Water Reactor (PHWR of CANDU)
• D2G reactor
• Fast Breeding Reactor (FBR)
• Pebble bed reactors

[bewerk] Verouderde typen die nog wel in bedrijf zijn

• Magnox reactor
• Advanced gas-cooled Reactor (AGR)
• Light water cooled graphite moderated reactor (RBMK)

[bewerk] Geavanceerde reactors

Meer dan een dozijn typen geavanceerde reactors verkeert in verschillende stadia van ontwikkeling. Sommige zijn afgeleid van PWR, BWRT en CANDU-typen, andere slaan geheel nieuwe wegen in. Een voorbeeld van de eerste is de 'geavanceerde BWR, ' (ABWR) waarvan er twee in werking zijn en meer worden gebouwd. Het bekendste radicale nieuwe ontwerp is de Pebble Bed Modular Reactor (PBMR), een gasgekoeld, bij hoge temperatuur werkend reactortype.

[bewerk] Opwerkingscyclus van nucleaire brandstof

Alle kernreactors hebben splijtbaar materiaal nodig om te kunnen werken. Uranium kost momenteel (2004) 52 US dollar/kilogram, en heeft een energieinhoud per kilo die ongeveer een miljoen maal groter is dan die van olie. Er is geen tekort, noch wordt dit op korte termijn verwacht. Als de bewezen uraniumreserves op het land uitgeput zijn zou zeewater nog genoeg uranium bevatten om het huidige energieverbruik van de industriële wereld te verzorgen tot de zon overgaat in een rode reus. In Japan loopt een project om uranium uit zeewater te winnen, om de afhankelijkheid van dit land van de invoer van energie uit het buitenland te verminderen.

Thermische reactors hebben meestal gezuiverd en verrijkt uranium nodig. Sommige nucleaire reactors kunnen werken op een mengsel van uranium en plutonium. Het proces waarbij uraniumerts wordt gewonnen, opgewerkt, verrijkt, gebruikt, mogelijk wordt hergebruikt en afgevoerd staat bekend als de nucleaire brandstofcyclus.

Er zijn ook reactors gebouwd waarmee Thorium in uranium-233 kan worden omgezet. Thorium komt in de aardkorst ongeveer driemaal zoveel voor als uranium.

Reactorafval is gevaarlijk, maar ook compact. Een kernreactor genereert slechts een paar kubieke meter afval per gigawattjaar. Na 600 jaar is reactorafval niet radioactiever dan sommige natuurlijke ertsen. De gezondheidsrisico's op langere termijn bestaan vooral uit toxiciteit van zware metalen en radioactieve straling op lage niveaus, problemen die allebei ook al op andere industriële gebieden van de technologische beschaving aan de orde komen en worden beheerst.

Het belangrijkste probleem met de huidige opslag van radioactief afval op dit moment is volgens veel deskundigen niet het afval zelf maar dat dit momenteel, als gevolg van langzaam afkomende en moeizame regelgeving en burgerprotesten wordt bewaard in afkoelingsbaden boven de grond naast kerncentrales die uitvoerig moeten worden bewaakt en gecontroleerd, in plaats van diep onder de grond in veel veiliger, geologisch stabiele opslagplaatsen.

[bewerk] Geschiedenis

Enrico Fermi en Leo Szilard waren de eersten die een kernreactor bouwden en aantoonden dat een beheerste kettingreactie mogelijk was. In 1955 werd aan hen een gezamenlijk octrooi op de kernreactor toegekend door het octrooibureau van de VS.

De eerste kernreactors werden gebruikt om plutonium te maken voor de fabricage van kernwapens. Daarnaast gebruikte de Amerikaanse marine kernreactors. Medio jaren 50 van de vorige eeuw breidden zowel de Sovjet-Unie als de VS hun nucleaire programma uit tot niet-militaire toepassingen van atoomenergie. Net als bij de militaire research werd veel van dit onderzoek echter in het geheim gedaan. Op 27 juni 1954 werd de eerste stroom door een kerncentrale opgewekt zonder dat hier in het westen ruchtbaarheid aan werd gegeven. Volgens het uraniuminstituut in Londen was de eerste reactor waar commercieel elektriciteit mee werd geproduceerd die in Obninsk, in Rusland. De eerste Amerikaanse commerciële kerncentrale stond in Shippingport, Pennsylvania. Deze werd besteld in 1953 en in gebruik genomen in 1957.

In de zestiger jaren kwamen er veel meer kerncentrales. De oliecrisis maakte dat de wereld zich bewust werd van de kwetsbaarheid van de westerse industrie door de afhankelijkheid van olie voor de energieproductie.

Na het - althans publicitair - zeer belangrijke ongeluk met de reactor op Three Mile Island (Harrisburg, Pennsylvania) in maart 1979 was de Amerikaanse nucleaire markt ook de eerste die begon te wankelen. (Hoewel 200.000 mensen werden geëvacueerd deden zich geen persoonlijke ongelukken voor en ontsnapte er zo weinig straling dat gevolgen op lange termijn ook niet te vrezen waren). Sinds die datum zijn er in de VS geen nieuwe kerncentrales meer gepland.

Met name ook het zeer ernstige ongeluk in Tsjernobyl in de Sovjet-Unie in 1986 had zeer grote gevolgen voor de gehele nucleaire industrie. De bevolking en de regeringen werden op grote schaal zeer terughoudend met het gebruik van kernenergie en met het bouwen van nieuwe centrales. De effecten hiervan zijn tot op de dag van vandaag zeer goed merkbaar.

Tegenwoordig lijkt de directe toekomst van kernenergie in veel landen zeer onzeker, met de belangrijke uitzonderingen van Frankrijk, Japan, China en India. De laatste drie zijn nog steeds actief met de ontwikkeling van zowel snelle als thermische technologie bezig, Zuid-Korea werkt aan thermische reactors, en Zuid-Afrika aan pebble bed modulaire reactors.

[bewerk] Voor- en nadelen

Kernergie heeft ten opzichte van het opstoken van fossiele brandstoffen een aantal voor- en nadelen, hieronder opgesomd.

Voordelen:

• geen luchtverontreiniging;
• geen uitstoot van kooldioxide (zie broeikaseffect);
• veel minder afval (qua massa);
• grondstoffen (m.n. thorium) in grotere hoeveelheden beschikbaar;
• sommige bijproducten (bepaalde radioactieve isotopen) zijn van essentieel belang voor de geneeskunde.

Nadelen:

• afval kan niet gemakkelijk worden hergebruikt of onschadelijk gemaakt;
• afval is over een onoverzichtelijk lange periode gevaarlijk en opslag ervan is daardoor problematisch;
• producten kunnen worden gebruikt als grondstof voor de productie van kernwapens (dit wordt door sommige regimes als een voordeel opgevat om hun internationale machtspositie te bestendigen of te versterken);
• de bouw van kerncentrales is vanwege de veiligheidsmaatregelen erg kostbaar;
• kerncentrales en (afval)producten zouden kunnen worden misbruikt bij terroristische aanslagen;
• bij ongelukken kan enorme milieuschade ontstaan.

Tegenstanders van kernergie zijn van mening dat elk milieuvoordeel in het niet zinkt bij de nadelen, risico's en totale kosten (construeren en later ontmantelen van kerncentrales, opslag en verwerking van kernafval). Daar valt op af te dingen dat de kosten van de exploitatie van conventionele centrales evenmin integraal worden berekend.

Voorstanders zijn van mening dat modern ontworpen kerncentrales zoveel veiligheidsvoorzieningen hebben dat ongelukken als Tsjernobyl tegenwoordig uitgesloten zijn. Zelfs bij een ernstig ongeluk zoals dat op Three Mile Island bleef de reactoromhulling intact zodat nauwelijks enige radioactiviteit naar de omgeving weglekte.

[bewerk] Afvaldetails

De uitstoot van conventionele centrales bestaat niet alleen uit kooldioxide, maar ook uit zure gassen zoals zwaveldioxide en stikstofoxiden, vliegas, zware metalen (vooral kwik, maar ook radioactieve metalen), en vaste afvalproducten zoals as. Sommige daarvan zoals stikstofoxiden zijn ook zelf broeikasgassen. Kernenergie produceert eigenlijk geen van deze stoffen behalve vaste afgewerkte kernbrandstof. Het volume van het afval van een kerncentrale is ongeveer een miljoen maal kleiner dan dat van van een met fossiele brandstof gestookte centrale. Omdat dit volume wel radioactief is, is het per gewichtseenheid wel een groter probleem.