Kernreactor

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nuvola single chevron right.svg Zie ook kernenergiedebat voor de discussie over kernenergie
Kern van een onderzoeksreactor. De blauwe gloed rondom de splijtstofelementen in het midden is het gevolg van Čerenkovstraling.
Kerncentrale in Civaux

Een kernreactor is een installatie waarin een nucleaire kettingreactie van kernsplijtingen plaatsvindt onder gecontroleerde en stabiele omstandigheden. Kernreactoren leveren warmte voor de opwekking van elektriciteit, verwarming van huizen en industrieën, ontziltingsinstallaties en de voortstuwing van schepen en onderzeeërs. Daarnaast hebben ze vele andere toepassingen waaronder gebruik als bron van neutronen voor bijvoorbeeld onderzoeksdoeleinden of voor het bereiden van diverse radioactieve isotopen voor nucleaire geneeskunde of industrieel gebruik.

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

Basisbegrip van de werking[bewerken]

Kerncentrale in Doel

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. De lichtere kernen zijn radioactief en vallen ook uiteen, waardoor nog meer energie vrijkomt.

Kettingreactie[bewerken]

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

Noodstop[bewerken]

In geval van nood kan de nucleaire kettingreactie binnen een aantal seconden gestopt worden met een noodstop (scram). Hierbij worden de regelstaven in enkele seconden volledig in de kern geschoven. Dit wordt gedaan bij storingen in de normale bedrijfsvoering, bijvoorbeeld als de stroomvoorziening van de koelsystemen uitvalt, of bij grote trillingen zoals bij een aardbeving. Het materiaal blijft dan echter nog geruime tijd warmte produceren door het radioactief verval van de splijtingsproducten die in de reactor aanwezig zijn. Deze warmte moet worden afgevoerd en bij veel (vooral oudere) reactortypen kan dat alleen door actieve koeling van het systeem. Zo leidde uitval van de noodkoelsystemen tot grote problemen bij de kernenergiecentrale Fukushima I in Japan, na de aardbeving en tsunami van 2011. Bij onvoldoende koeling kunnen de splijtstofelementen in de reactorkern gaan smelten (kernsmelting of meltdown).

Warmteoverdracht en elektriciteitsopwekking[bewerken]

In verreweg de meeste kernreactors wordt de warmte die wordt opgewekt door de splijtende uraniumkernen opgenomen in gedemineraliseerd water en uit de reactor gevoerd als stoom in boiling water reactors (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 water van 305°C onder 155 bar 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 turbogenerator te doen 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 stoomturbine te voeren bij het proces van elektriciteitsopwekking. In andere reactorontwerpen gebeurt de warmteoverdracht door zwaar water (deuteriumoxide) onder druk in een zwaarwaterreactor, een gas zoals helium of kooldioxide in een gasgekoelde reactor met een gasturbine, een zoutmengsel in een gesmoltenzoutreactor of een vloeibaar metaal zoals natrium, lood of bismuth.

Cyclustijd[bewerken]

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 235U die in de voorraad kernbrandstof aanwezig is bij aanvang van een cyclus. Als er een groter percentage 235U 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.

Rendement[bewerken]

De hoeveelheid energie die gedurende hun levensduur aan de splijtstofstaven wordt onttrokken wordt de 'burn up' genoemd, en wordt uitgedrukt in termen van opgewekte warmte-energie 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).

Soorten reactoren[bewerken]

Reactorkern

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 reactors voor energieopwekking zijn van dit type. Ze gebruiken een moderator om de neutronen tot lage snelheden af te remmen om vangst van de neutronen door 238U 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 reactoren 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, weapons-grade) maar geen moderator. De brandstof is zo sterk verrijkt dat er weinig 238U 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 (denk aan kernonderzeeërs) en voor de productie van plutonium (zie kweekreactor).

Reactors voor thermische energieopwekking kunnen weer worden onderverdeeld in drie typen, naargelang ze koelkanalen onder druk gebruiken, een groot drukvat of gaskoeling.

De meeste commerciële reactors 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 stikstofgas en koolstofdioxide 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 de 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 neutronen, 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, maar ook lood of bismut. Hiervan bestaan ook twee typen, circuitreactors en poelreactors. Het oudere type circuitreactor bevat drie gescheiden koelkringen. Bij het recentere pooltype bevinden de primaire en de secundaire kring met vloeibaar natrium zich in een gezamenlijke poel met vloeibaar natrium.

Op het Amerikaanse kernwapentestgebied in Nevada is een niet afgeschermde kernreactor bovenop een toren van 500 meter hoog in gebruik geweest om de effecten van radioactiviteit te meten.

Huidige reactorfamilies[bewerken]

Verouderde typen die nog wel in bedrijf zijn[bewerken]

Geavanceerde reactors[bewerken]

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.

Opwerkingscyclus van nucleaire brandstof[bewerken]

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 thoriumreactors gebouwd waarmee Thorium in 233U 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 ioniserende straling, 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.

Geschiedenis[bewerken]

De Russische ijsbreker Yamal. Deze heeft twee kernreactoren van 171 MW elk.

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 het militaire onderzoek 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 jaren 60 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 volledige nucleaire industrie. De bevolking en de regeringen werden op grote schaal 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 als belangrijke uitzonderingen 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.

Voor- en nadelen[bewerken]

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

Voordelen:

  • minder uitstoot van koolstofdioxide ten opzichte van de meeste fossiele brandstofcentrales (zie broeikaseffect);
  • veel minder afval (qua massa);
  • grondstoffen (m.n. thorium) in grotere hoeveelheden beschikbaar;

Nadelen:

  • de bouw en ontmanteling van kerncentrales zijn vanwege de veiligheidsmaatregelen erg kostbaar;
  • het thermisch rendement van een kerncentrale is doorgaans lager dan dat van een conventionele centrale, waardoor bij hetzelfde vermogen meer koeling nodig is;
  • afval kan niet gemakkelijk worden hergebruikt of onschadelijk gemaakt;
  • afval is over een onoverzichtelijk lange periode gevaarlijk en verwerking en opslag ervan is daardoor problematisch en kostbaar;
  • kerncentrales en (afval)producten zouden kunnen worden misbruikt bij terroristische aanslagen;
  • 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);
  • bij het delven van grondstoffen wordt het milieu zwaar belast;
  • bij ongelukken kan enorme milieuschade ontstaan.

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 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 een met fossiele brandstof gestookte centrale. Omdat dit volume radioactief is, is het echter per gewichtseenheid wel een groter probleem.

Risico's[bewerken]

Er zijn verschillende methodes om risico's in te schatten, zoals onder meer risicoanalyse. De grootte van een risico is afhankelijk van de mate van blootstelling, de kans dat het fout gaat en het gevolg. Op basis hiervan kan een conclusie zijn dat kernenergie veilig is, aangezien het aantal storingen en ongevallen laag is. Bij verkeersongevallen ligt het aantal slachtoffers over het algemeen hoger, maar autorijden blijft desondanks toegestaan. Als de kans op kernongevallen zeer klein is, dan is het risico daardoor ook klein.

De socioloog Perrow wijst er in zijn theorie van systeemongevallen echter op dat ongevallen nooit uit te sluiten zijn en dat de nadruk niet moet liggen op de kans dat het fout loopt, maar op de gevolgen. De samenleving moet zich dan de vraag stellen of het de gevolgen kan en wil dragen. Dit kunnen aantallen slachtoffers zijn, maar ook een gebied rond de centrale dat voor lange tijd opgegeven moet worden. De bereidheid daartoe zal verschuiven als de alternatieven voor kernenergie minder aantrekkelijk worden. Tot de kernramp van Fukushima in 2011 lag in de praktijk de nadruk meer op het beoordelen van de kans dan op de gevolgen. Daarna is in diverse landen een verschuiving te zien geweest, iets wat bij eerdere rampen ook te zien was. Het effect hiervan vermindert vaak met de tijd.

Risicobeleving[bewerken]

Risicobeleving blijkt uit onderzoek van vooral Slovic sterk beïnvloed door de voorkeuren en aversies ten opzichte van een bepaalde technologie.[1] Hoewel het risico van een technologie niet gerelateerd is aan andere voor- en nadelen, blijken voor- en tegenstanders deze heel verschillend in te schatten. Door dit effect van wat affectheuristiek wordt genoemd, zijn tegenstanders van kernenergie van mening dat elk milieuvoordeel in het niet zinkt bij de risico's en andere nadelen, zoals de totale kosten van het construeren en later ontmantelen van kerncentrales, opslag en verwerking van kernafval. Voorstanders zijn eerder geneigd de risico's te bagatelliseren.

Kernreactors in Nederland[bewerken]

Zie ook[bewerken]

Externe link[bewerken]

Noten[bewerken]

  1. Daniel Kahneman, Thinking, fast and slow, Penguin, London, 2011, p. 138-140