Hvordan fungerer et kjernekraftverk?

Tilbake

Publisert 24.01.2014

Stikkord: Atomsikkerhet og kjernekraft

Et kjernekraftverk består av en eller flere atomreaktorer. Atomreaktorer har opp gjennom historien blitt utviklet for flere formål (forskning, kraft til ubåter og satellitter etc.), men det mest vanlige i dag er produksjon av elektrisitet.

En atomreaktor baserer seg på at varme frigjøres gjennom spalting (fisjon) av atomkjerner i brenselet i reaktorkjernen. Dette kjernebrenselet består av uran og i noen tilfeller også innblandet plutonium. Reaktorbrenselet finnes som lange staver i reaktorkjernen, omgitt av en ståltank. Mellom brenselsstavene finnes kontrollstaver, som trekkes inn og ut av kjernen for å styre reaksjonene i kjernen.

Dukovany kjernekraftverk. Foto: Petr Pavlicek / IAEA

Dukovany kjernekraftverk. Foto: Petr Pavlicek / IAEA

Kjølesystemet

Kjølesystemet er en annen viktig del i en reaktor. Dette skal sikre at brenselet ikke blir overopphetet, men også, til forskjell fra reaktorer brukt til andre formål, levere damp som ledes inn i turbinene hvor produksjonen av elektrisitet foregår. Hvordan disse systemene er bygd opp, varierer noe mellom ulike reaktortyper. Bruken av en varmekilde til produksjon av damp er imidlertid lik elektrisitetsproduksjon fra konvensjonelle varmekraftverk (olje, gass eller kull).

Hva skjer i en atomreaktor?

Alle atomreaktorer som er i bruk i verden i dag baserer seg på energi frigjort gjennom fisjon (spalting) av atomkjerner. Dette er i motsetning til konvensjonelle kraftverk hvor energien som utnyttes frigjøres gjennom at kjemiske bindinger mellom atomer brytes. Det spaltbare materialet som er mest brukt i atomreaktorer er uran-235. Uran vil slik det finnes i naturen inneholde en blanding av tre uranisotoper. I de fleste reaktortyper vil det imidlertid være påkrevd å øke andelen av den spaltbare uranisotopen uran-235 til fordel for ikke-spaltbart uran-238. Dette gjøres ved en prosess som kalles anrikning. I noen tilfeller brukes også MOX (mixed oxides) brensel. Dette er brenslet hvor man har økt andelen spaltbart materiale gjennom innblanding av plutonium.

Skisse over hva skjer i et kjernekraftverk. Figur: de franske strålevernsmyndigheter, L'Autorité de sûreté nucléaire.

Fisjonsprosessen

Reaksjonen som frigir energi kan skrives som:

uran-235 + nøytron -> 2 spaltningsprodukter + (2-3) nøytroner + energi

Eksempel på en fisjonsprosess. Illustrasjon: Wikipedia

Eksempel på en fisjonsprosess. Illustrasjon: Wikipedia

Et atom uran-235 vil ved opptak av et nøytron spaltes og gir opphav til to atomer med spaltningsprodukter. Litt enklere sagt betyr dette at en stor atomkjerne deles i to mindre atomkjerner. Spaltningsproduktene er meget sterkt radioaktive, og de vil utgjøre hovedelen av radioaktiviteten i avfallet etter at brenselet er tatt ut av reaktoren. Nøytronene som dannes gjennom spalting av uran kan inngå i reaksjoner inne i reaktorkjernen eller reagere med kjølemedium eller reaktortank. Om nøytronene reagerer med nye atomer 235U medfører dette spalting som igjen frigjør nye nøytroner. På denne måten kan man ha en kjedereaksjon.

For å holde et stabilt nivå på kjedereaksjonen er man avhengig av at i gjennomsnitt ett nøytron fra hver fisjon er tilgjengelig for nye å danne nye fisjoner. Om det i snitt for hver fisjon er mer enn et nøytron som inngår i nye fisjoner vil hver generasjon med fusjoner gi opphav til flere fisjoner og man vil da ha en tilstand betegnet som overkritisk. Om hver fisjon i snitt gir opphav til mindre enn et nøytron som inngår i nye fisjoner vil hver generasjon av fisjoner gir opphav til færre fisjoner enn den forrige. Kjedereaksjonen vil da være underkritisk (hvor effekten avtar), og vil stoppe opp etter hvert.

For at en atomreaktor skal kunne opereres med konstant effekt er man avhengig av at den er kritisk, dvs. at reaktoren balanseres mellom å være overkritisk (hvor effekten øker) og underkritisk (hvor effekten avtar). Man er derfor avhengig av å regulere hvor mange nøytroner som til enhver tid vil være tilgjengelig for å inngå i fusjoner. Dette gjøres ved å justere tapsprosessene for nøytroner, noe som i praksis gjøres ved å sette inn og å trekke ut et antall kontrollstaver fra reaktorkjernen. Kontrollstavene er laget av et materiale som har god evne til å ta til seg nøytroner.

Nøytronmoderasjon

De aller fleste reaktorer som brukes både i kraftproduksjon og til andre formål er såkalte termiske reaktorer. Dette innebærer at de nøytronene som skal inngå i fisjon med uran-235 må være termiske, dvs. at nøytroner må bevege seg langsomt. Nøytroner som frigjøres gjennom fisjon vil ha stor kinetisk energi, og må derfor ”bremses ned” ved hjelp av en nøytronmoderator. Nøytronmoderatoren kan i noen tilfeller være et materiale (som regel grafitt) som omgir brenselstavene, men i de langt de fleste reaktorer brukes vann som moderator. Som regel er dette det samme vannet som brukes til kjøling av reaktorkjernen.

Reaktorkjøling

Gjennom fisjonsprosessen frigjøres store mengder energi som medfører en sterk oppvarming av brenselet. For å unngå at brenselet smelter er man avhengig av å ha en konstant kjøling av brenselet når reaktoren er i gang. Denne kjølingen må dessuten fortsette også en stund etter at reaktoren er stengt av på grunn av restvarmen som frigjøres fordi reaktorkjernen er sterkt radioaktiv.

Flere ulike kjølemedier har vært brukt i atomreaktorer, hvor de aller fleste reaktorer kjøles ved hjelp av vann. Alternative kjølemidler er gass (He, CO2), men også flytende natrium har vært brukt til slik kjøling.

For vannkjølte reaktorer skiller man som regel mellom trykkvannsreaktorer (PWR – pressurized water reactor) og kokvannsreaktorer BWR – boiling water reactor). I en trykkvannsreaktor vil kjølevannet ha et svært høyt trykk slik at vannet fortsatt er i væskefase selv om temperaturen er høy. I en kokvannsreaktor vil trykket i kjølevannet være noe lavere slik at det fordamper i kontakt med brenselet.

Elektrisitetsproduksjon

Produksjon av elektrisitet foregår i reaktorens turbiner. Hver reaktor kan ha en eller flere turbiner. En kommersiell kjernekraftverkreaktor produsere mellom 400 og 1000 MW elektrisitet, selv om det finnes kommersielle kjernekraftreaktorer med elektrisk effekt i hele spennvidden mellom 50 og 1300 MW. For kjernekraftreaktorer skiller man mellom elektrisk effekt og termisk effekt, hvor den termiske effekten angir den totale energien reaktoren produserer mens den elektriske effekten angir hvor mye elektrisitet reaktoren produserer. I de fleste kjernekraftverk utnyttes bare ca. 30 % av all energi til elektrisk kraft, mens resten går tapt som spillvarme.