Werking van kerncentrales

Werking van kerncentrales

Een “klassieke” centrale met brandstoffen, produceert stroom via warmteproductie door verbranding van kolen of gas. Ook een kerncentrale produceert stroom, maar hier ontstaat de warmte door het splijtingsproces in de uraniumhoudende splijtstofstaven in de reactor. Het wezenlijke verschil tussen een kerncentrale en een klassieke centrale ligt dus in de productie van warmte: kernsplijting in plaats van verbranding.

De grote hoeveelheid warmte die in de reactorkern uit het radioactieve materiaal vrijkomt moet worden afgevoerd om te voorkomen dat die kern te heet wordt en om die energie over te brengen naar de turbines, die generatoren aandrijven voor elektriciteitsproductie. Hier worden verschillende technieken voor toegepast. 80% van de kernreactoren gebruikt gewoon (“licht”) water om de warmte van de reactorkern af te voeren. Driekwart van deze reactoren houden het water rond de reactorkern onder hoge druk (150-160 atmosfeer), waardoor het water niet kan koken. Het water wordt rondgepompt langs de kern en staat tijdens het rondpompen de opgenomen warmte af aan een tweede watercircuit. In dat tweede circuit (dat niet radioactief is) wordt stoom geproduceerd waarmee de turbines worden aangedreven. Het voordeel van dit systeem is dat het vrij compact kan worden gebouwd. Het radioactieve circuit (dat zich binnen de veiligheidskoepel bevindt, zie reactorveiligheid) is klein.

In kokendwaterreactoren (25% van de lichtwaterreactoren) staat het water onder aanzienlijk lagere druk (circa 75 atm), waardoor het op een temperatuur van rond de 300 °C wel stoom kan vormen. In deze reactoren ontbreekt het secundaire watercircuit. De (radioactieve) stoom wordt direct door de turbines geleid. De energieoverdracht tussen kern en generatoren is daarmee wat beter dan in de drukwaterreactoren, maar de installatie is complexer, ook door het grotere hoeveelheid apparatuur die aan radioactiviteit is blootgesteld. Extra investeringen compenseren ongeveer de rendementswinst, waardoor de elektriciteitsprijs van beide systemen zeer vergelijkbaar is.

Naast het systeem voor de warmteafvoer, zijn de regeling van de kernreactie en de bescherming van de buitenwereld tegen de straling dominant in het ontwerp. Beschermende maatregelen worden hier verder besproken.

De splijtstof (meestal in de vorm van keramisch uraniumoxide, UO₂, dat het splijtbare U-235 en U-238 bevat) bevindt zich bij lichtwaterreactoren in tienduizenden lange (4 m), dunne (1 cm) splijtstofstaven. Splijtstofstaven gaan ongeveer 4 jaar mee. Daarna is de resterende hoeveelheid U-235 zover afgenomen, dat ze vervangen moeten worden. Om de kettingreactie en daarmee de warmteproductie van de centrales op peil te houden wordt in het algemeen een kwart van de splijtstofstaven ieder jaar vervangen door een nieuwe partij. Een interessante consequentie hiervan is dat kerncentrales betrekkelijk ongevoelig zijn voor eventuele internationale uraniumboycots. De kans daarop is overigens klein omdat uraniumproductie goed verspreid over de continenten plaatsvindt. Maar in geval van een stagnerende aanvoer kan men dus voor een lange periode blijven voorzien in een aanzienlijk deel van de elektriciteitsproductie.

Zoals onder kernsplijting wordt uitgelegd, ontstaan bij het uiteenvallen van het splijtbare uranium na de botsing met een neutron nieuwe neutronen die andere U-235 atomen kunnen laten splijten, als ze daar met voldoende lage snelheid tegenaan botsen. Na splijting komen gemiddeld 2,5 neutronen per atoom U-235 vrij, waarvan er gemiddeld een weer een nieuwe splijting dient te veroorzaken om zo de kettingreactie in stand te houden. De neutronen worden afgeremd om de splijtingkans te vergroten.

Afremming ligt voor een groot deel besloten in het reactorontwerp. Water remt neutronen doordat die botsen met de atoomkernen van waterstof en zuurstof . Bij lichtwaterreactoren voorziet het rondstromende koelwater dus ook in neutronenremming. Bovendien vangt water een deel van de neutronen af. In een klein aantal van de huidige kernreactoren worden de neutronen op andere manier geremd. Zwaar water (zuurstof gebonden aan deuterium, zware waterstof) is een optie, dat gewonnen kan worden uit gewoon water waar het in zeer lage concentraties in voorkomt.  In het veel duurdere zwaar water worden minder neutronen afgevangen dan in gewoon water. Hierdoor hoeft het uranium voor deze reactoren minder ver verrijkt te worden. Ook grafiet (C) remt neutronen, zonder ze te vangen. Een bezwaar van grafiet is dat het in combinatie met water brandbaar is in geval van calamiteiten. De kernreactor van Tsernobyl was één van de zeldzame grafietgemodereerde, watergekoelde systemen, wat de ernst van het ongeluk vergroot heeft. 

Behalve de remstof of moderator zijn aparte regelstaven tussen de splijtstof aanwezig om extra neutronen af te kunnen vangen. Hierin bevindt zich een stof als cadmium of borium met een zeer sterke neutronenabsorberend vermogen. Door de staven dieper tussen de splijtstof te laten zakken, of juist eruit te takelen, wordt het aantal afgevangen neutronen bepaald, daarmee de snelheid van de kernreactie en dus de hoeveelheid geproduceerde warmte. De reactie kan met de regelstaven geheel gestopt worden, indien nodig.

Naast de reactoren met remstof (die thermische reactoren worden genoemd) bestaan er ook een aantal reactoren zonder moderator. Zij worden snelle reactoren genoemd (‘snel’ slaat hierbij terug op de snelheid van de neutronen in de reactor). Ten opzichte van thermische reactoren hebben snelle reactoren een veel hoger percentage splijtbare kernen (bijboorbeeld 20% in plaats van 3%), en is de kern veel compacter uitgevoerd in verband met de kleine kans dat een snel neutron een splijtbare kern tegenkomt en deze ook nog splijt. De vermogensdichtheid is veel groter en dus worden hogere eisen gesteld aan de koeling. Dit kan gebeuren met vloeibaar natrium, vloeibaar lood of helium. De gerealiseerde prototypes zijn allen uitgevoerd met natrium of lood (vooral onderzeeërs) als koelmiddel. In vergelijking met thermische reactoren is de technologie van snelle reactoren lastiger te beheersen, maar de reden om deze toch te ontwikkelen is de mogelijkheid om het niet-splijtbare maar veelvoorkomende U-238 met snelle neutronen te converteren naar plutonium, Pu-239. Zo komt de (in vergelijking met U-235) enorme voorraad U-238 beschikbaar en wordt kernenergie geschikt om ook op de zeer lange termijn een significante rol te spelen in de wereldenergievoorziening. Een reactor die voor deze conversie is geoptimaliseerd kan per tijdseenheid meer splijtbaar materiaal produceren dan hij verbruikt, en wordt daarom kweekreactor genoemd. Het geproduceerde materiaal kan in andere (thermische) reactoren worden ingezet.

Met name de angst voor misbruik van Pu-239 voor kernwapens, zorgde ervoor dat de maatschappelijke protesten tegen kernenergie in de periode 1970-1990 zich concentreerden op de snelle reactoren.