Atomreaktor

kjernereaktor

Kjernereaktor, 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.

Kjernereaktorer produserer store mengder varme. Reaktorens viktigste anvendelse er som varmeprodusent i et kjernekraftverk der varmen brukes til elektrisitetsproduksjon, vanligvis i en Rankine-syklus. I dag er cirka 440 slike reaktorer, fordelt på 28 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 et 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 eller varme i størrelsesorden 210 MeV per fisjon. 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. 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 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 baserer man seg på å bruke nøytroner, med den energi de får i fisjonsprosessen, direkte. Dette kan man bare få til hvis reaktorbrenslet inneholder en forholdsvis sterk konsentrasjon av fissilt stoff, for eksempel uran som er anriket til 15–20 % ²³⁵U.

I en termisk reaktor bremses først nøytronene ned til 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 konsentrert brensel enn en hurtig, og i beste fall utnytte naturlig, det vil si uanriket, uran.

Reaktorens oppbygning

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 cm i diameter. Kjernebrenselet, som regel små briketter av urandioksid, 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 kg uran. Reaktorkjernen bygges opp av noen hundre utskiftbare brenselselementer. Den totale mengden uran i en 1000 MW_el 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 MW_el 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 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 være energiutvikling i reaktoren på grunn av sterk radioaktivitet. 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 % 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 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:

• Grafittmoderert reaktor
• Tungtvannsreaktor
• Lettvannsreaktor

 Klassifisering etter kjølemiddel

• Lettvannsreaktor som omfatter både trykkvannsreaktor og kokvannsreaktor
• Tungtvannsreaktor
• Flytende metall, for eksempel blykjølt reaktor, natriumkjølt reaktor
• Gasskjølt reaktor, for eksempel pebble bed-reaktor
• Saltsmeltereaktor

 Klasssifikasjon etter generasjoner av reaktorer

• Førstegenerasjonsreaktor: de første forsknings- og demonstrasjonsanlegg fra 1950- og 1960-tallet.
• Annengenerasjonsreaktor: Kommersielle reaktorer som ble bygd opp mot 1990-tallet.
• Tredjegenerasjonsreaktor: Videreutvikling av annengenerasjonsreaktoren med bl.a. forbedret sikkerhet og høyere virkningsgrad.
• Fjerdegenerasjonsreaktor: Ny generasjon reaktorer som er under utvikling under Gen IV-programmet.

Reaktortyper i kommersiell drift Type Brensel Moderator Kjølemiddel Trykkvannsreaktor ²³⁵U, lett anriket (2-3 %) Vann Vann Kokvannsreaktor ²³⁵U, lett anriket (2-3 %) Vann Vann Tungtvannsreaktor ²³⁵U, naturlig Tungtvann Tungtvann Grafittmoderert reaktor ²³⁵U, naturlig eller lett anriket Grafitt CO ₂, helium eller vann Formeringsreaktor ²³⁵U, anriket (15-20 %) Ingen Natrium

Atomreaktor er en innretning hvor en kjernefysisk reaksjon foregår under kontrollerte forhold. I forbindelse med strømproduksjon er det til dags dato kun snakk om spaltbart materiale som undergår kontrollert kjernespaltning (fisjon). Reaktorer hvor den motsatte prosessen, kjernesammensmelting eller fusjon, finner sted er under utvikling, men disse returnerer for øyeblikket mindre energi enn man tilfører dem. Spaltbart materiale kan være anriket uran, naturlig uran, eller plutonium. Det knytter seg forhåpninger til bruk av thorium i atomreaktorer, men dette er foreløpig ikke blitt realisert. De aller fleste atomreaktorer drives med lavanriket uran, der ca. 3% av uranet i brenselet utgjøres av isotopen ²³⁵U. Formålet med en atomreaktor er som regel å produsere varmeenergi som igjen omdannes til elektrisk energi i et system der varmen brukes til å koke vann, og dampen ledes gjennom turbiner koblet til generatorer. Atomreaktorer brukes også til å produsere plutonium til bruk i atomvåpen. Det finnes idag i overkant av 400 operative, strømproduserende reaktorer i verden.