| De algemene werking van een kerncentrale: we hebben het vooral over de neutronen, die de gecontroleerde kettingreacties aan de gang brengen. |
-
Hoe werkt de kernreactor zelfDe kernreactor is de plaats waar de warmte geproduceert wordt. Radioactieve stoffen zoals uranium zijn onstabiel en splijten spontaan, waarbij er warmte en een paar neutronen vrijkomen. Deze natuurlijke radioactiviteit is echter onvoldoende om een electrische centrale te laten draaien (je kan er wel je buitenzwembad mee opwarmen).De natuurlijke radioactiviteit levert minder dan 1% van de warmte van een reactor die op nominaal vermogen werkt. Als de reactor stilgelegd wordt na een lange werkingsperiode is bedraagt de warmteproductie ongeveer 10% van de nominale waarde omdat het kernmateriaal meer radioactief is. De natuurlijke radioactiviteit zakt logaritmisch: eerst relatief snel, dan trager en trager.
NeutronenDe neutronen die bij de splijting vrijkomen kunnen andere kernen doen splijten, dit vormt zo een kettingreaktie. In een atoombom wilt men dat deze kettingreaktie zo sterk mogelijk wordt, in een kerncentrale is dit niet zozeer de bedoeling.In onze reactor hebben we dus de (constante) natuurlijke splijting en de geinduceerde splijting veroorzaakt door de rondvliegende neutronen. De natuurlijke splijting produceert neutronen, die nieuwe uraniumkernen doen splijten, waardoor er nog meer neutronen vrijkomen, enz. Om deze kettingreaktie te doen starten heb je een minimale massa nodig (kritieke massa), anders gaan er teveel neutronen verloren vooraleer ze een uraniumkern hebben kunnen doen splitsen. Maar een te grote massa is ook niet goed omdat de reactor dan moeilijker te controleren valt. Een moderne kernreactor levert dus een vermogen van ongeveer 1GW (oudere reactoren waren ontworpen om een lager vermogen te leveren). Een kerncentrale bestaat uit verschillende reactoren (in Doel zijn dat er 4). De hoeveelheid uranium in een reaktor overschijd met een grote marge de kritieke massa waarbij een kettingreaktie kan ontstaan. Maar in feite zal er niets gebeuren. De kernstaven zullen opwarmen door de natuurlijke splijting, en that's it. Als de reactor in rust is, is er een zeer lage neutronenproductie. Als men de controlestaven uit de reactor haalt kan de reactie zeer plots stijgen (prompt critical), in minder dan een milliseconde, zodat de kernreacties niet meer gecontroleerd kunnen worden. Om dat te vermijden worden er neutronenbronnen in de kernreactor geplaatst. Deze geven voldoende neutronen af zodat men op tijd een stijging ziet van de neutronenproductie. Men stabiliseert de neutronenproductie op 97% en rekent op de secundaire neutronenproductie (zie lager) om een stabiele kettingreactie te bekomen.
ModeratorEr is nog één ingrediënt nodig in onze reaktor, namelijk een moderator. In tegenstelling met wat je zou kunnen denken zal de moderator de reakties niet vertragen, maar juist versnellen. De neutronen die vrijkomen zijn namelijk snelle neutronen, die direct de reactor verlaten zonder veel effekt te hebben. De moderator vertraagt de neutronen, zodat ze door de uraniumkernen opgenomen kunnen worden, waardoor de kernen dan splijten. De neutronen die vertraagd worden worden thermische neutronen genoemd.En wat is die moderator? Gewoon kraantjeswater (natuurlijk eerst door een britafilter geleid...). Het is dus de aanwezigheid van water die de reactor in werking zet, en dit heeft een enorm voordeel. Veronderstel nu dat de reaktor overkritisch wordt (teveel geinduceerde kernsplijtingen, de kettingreaktie dreigt uit de hand te lopen): dan wordt het water warmer en kan zelf aan de kook gaan. Daardoor ontstaan er dampbelletjes in de reactorkern. Deze dampbelletjes hebben een veel lagere densiteit, waardoor het modererend effekt sterk verminderd, genoeg in ieder geval om de reakties tot een veiligere waarde terug te brengen. Ook als er een enorme waterlek in het primair circuit zou ontstaan waardoor al het water wegstroomt zou de reactor stilvallen (met enkel nog de natuurlijke radioaktiviteit om warmte te produceren). Reactoren die water gebruiken als moderator zijn daarom intrinsiek veilig. Sommige reactoren werken met zwaar water (met deuterium in plaats van waterstof) omdat zwaar water minder neutronen opslorpt. Deze reactoren kunnen werken met uraniumstaven die minder verrijkt zijn, omdat er minder neutronen verloren gaan. Grafiet kan ook gebruikt worden als moderator, maar deze kernreactoren zijn minder veilig omdat het stabiliserend effekt van het water ontbreekt. Naast water gebruikt men ook boor onder de vorm van een oplossing van boorzuur in water en controlestaven die boor bevatten. Boor (en in het bijzonder het isotoop boor-10) heeft de neiging de neutronen te absorberen. Boor wordt daarom gebruikt om de kettingreaktie te controleren (via de controlestaven die in de reaktorvat kunnen zakken), maar men kan ook boorzuur in het water van de reactorvat spuiten. Dit doet men om de reactor veilig en snel stil te leggen, maar ook om de verminderde reactiviteit van de gebruikte staven te compenseren (in de loop van de werking wordt de boorconcentratie in het water van het primair circuit constant verlaagd omdat de hoeveelheid splijtbaar materiaal minder wordt). De kerncentrale van Doel en Tihange gebruiken drukwaterreactoren.
Vertraagde neutronenMaar onze kerncentrale zou uiterst onstabiel zijn zoals die nu beschreven is. Als er te weinig neutronen geproduceerd worden, dan dooft de kettingreactie uit, als er teveel neutronen geproduceerd worden, dan loopt de reactie binnen een paar microseconden uit de hand. Er is meer nodig om de reactor veilig te laten werken.Bij de kernsplijting ontstaan er afbraakprodukten. Dit zijn doorgaans onstabiele elementen, want ze hebben teveel neutronen. De neutronen worden na verloop van tijd uitgestoten (een gemiddelde tijd is 8 seconden). Vaak moeten er meer dan één neutron uitgestoten worden. Zo hebben we dus een neutronenstroom die traag op gang komt. In een stabiele reactor zijn 97% primaire neutronen (afkomstig van de kernsplitsing) en 3% secundaire neutronen (vertraagde neutronen) die uitgestoten worden door de onstabiele afbraakproducten. De primaire en secundaire neutronen moeten vertraagd worden om nieuwe kernspijtingen te veroorzaken. Aan de andere kant ontstaat er door de kernsplijting ook elementen die neutronen opslorpen (zonder een verdere reactie te veroorzaken). Deze elementen werken direct en vertragen zo de stijging van de kernreacties. Deze elementen verdwijnen natuurlijk uit de reactor na een paar dagen. Bij een verhoging van de kettingreactie hebben we dus meer neutronen die geproduceerd worden, maar ook meer elementen die de neutronen opvangen. De vetraagde neutronen komen pas na een paar seconden vrij. In een kerncentrale spelen de vertraagde neutronen een veel grotere rol dan de directe neutronen. De reactor reageert nu dus veel trager als de controlestaven uit de reactor getrokken worden. De kettingreactie komt pas relatief traag op gang, zodat de regelsystemen tijd hebben om de reactor stabiel te houden. Je zou het kunnen vergelijken met een fiets: een stilstaande fiets is moeilijk recht te houden, maar bij het rijden zorgen de draaiende wielen (gyroscoop) ervoor dat de fiets veel trager kantelt, zodat de fietser de positie van de fiets kan controleren.
|
Publicités - Reklame