Kernenergie
Hoe werkt een kerncentrale
Kerncentrale
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Kerncentrale
In gesprekken met mensen (over generatoren in het algemeen) krijg ik de indruik dat mensen absoluut niet weten hoe een kerncentrale werkt. En toch is dat poepsimpel. Op één bladzijde leg ik je alles uit wat je moet weten over kerncentrales.

Hoe werkt een kerncentrale?

Een kerncentrale verschilt niet zoveel van een klassieke thermische centrale die met steenkool, aardolie of aardgas gestookt wordt. Water wordt opgewarmd, begint te koken en de stoom drijft een turbine aan. Vroeger gebruikte men een stoommachine, nu een turbine, maar veel verschil is er niet. Een turbine kan een hoger vermogen leveren per volume-eenheid en bevat minder bewegende delen.

Om het rendement op te voeren wordt het water onder druk gezet, waardoor die op een hogere temperatuur gaat koken (dit is een Carnotproces, gebaseerd op de wetten van de thermodynamica). Hoe sterker men de temperatuur van het water kan opvoeren, hoe hoger het rendement, veel meer woorden ga ik daar niet aan vuil maken.

Het rendement kan nog verder verhoogd worden door de turbine in meerdere elementen te bouwen, waardoor de energie efficienter overgedragen kan worden. Tussen iedere trap zit er een waterafscheider, want als de temperatuur geleidelijk daalt vormen er zich waterdruppels. Die zouden op den duur de turbinebladen beschadigen. Na de waterafscheider zit er een verwarmer om de stoomtemperatuur opnieuw wat te verhogen, zodat er zeker geen water kan condenseren.

PWR: Pressurised Water Reactor

De meeste kerncentrales zijn gebaseerd op het principe PWR (pressurised water reactor). Er zijn drie gescheiden waterkringen.

  • Primair circuit (in het rood op de afbeelding)
    Water onder zeer hoge druk (155 bar) circuleert van de reactor naar een warmte wisselaar en terug, aangedreven door zware electrische pompen.

    Een soort expansievat (pressurizer) houdt de druk onder controle. De pressurizer wordt op een wat hogere temperatuur gehouden, zodat een deel van het water onder de vorm van stoom bestaat.

    De temperatuur van het water onder druk is ongeveer 300°C, de temperatuur in de pressurizer wordt op 340° gehouden.

  • Secundair circuit (in het midden op de afbeelding)
    Het water wordt aan de kook gebracht in de warmtewisselaar (stoomgenerator) en drijft een turbine aan, zie op zijn beurt een alternator aandrijft. Het water kan hier wel koken omdat dit circuit op een lagere druk wordt gehouden. Hier ook bestaat de turbine uit meerdere trappen. Het water condenseert opnieuw in een tweede warmtewisselaar.

    Het secundair circuit is volledig vergelijkbaar met die van een klassieke thermische centrale, maar de eerste warmewisselaar is dan een verwarmingsketel die met fossiele brandstof gestookt wordt.

  • Het tertiair circuit dient om de restwarmte af te voeren, zodat de stoom die zijn werk gedaan heeft opnieuw kan condenseren. Het water wordt afgetapt uit een waterloop of uit de zee.

Vaak is er een koeltoren aanwezig (ook bij een normale thermische centrale): het warme koelwater wordt halverwege de toren ingespoten en druppelt via een labyrint naar beneden. Een deel van het water wordt stoom, terwijl de rest onderaan de toren afgetapt wordt. Door het gebruik van een koeltoren kan men de warmtebelasting op de waterloop beperken, maar dit heeft als gevolg dat een deel van het water in stoom omgezet wordt. Centrales aan zee hebben geen koeltoren nodig, het warme water wordt op enkele kilometers in zee geloosd, waardoor het direct verdund wordt door de natuurlijke zeestroming.


De kerncentrale van Gravelines
De kerncentrale van Gravelines bestaat uit 6 nagenoeg identieke installaties ("tranches"), waarbij iedere installatie een vermogen kan leveren van 1GW.

De kernreactoren zelf zijn goed zichtbaar, maar wat je in feite ziet zijn de ronde gebouwen met muren van meer dan een meter dikte uit gewapend beton. Daar zit het volledig primair circuit alsoof de eerste warmtewisselaar van het secundair circuit.

Tussen de twee reactoren is er een gebouw waar de gebruikte staven bewaard worden onder water. Door de aanwezigheid van boorzuur in het water kan er hier geen kettingreaktie meer gebeuren.

In de gebouwen onderaan zitten de turbines, de alternatoren en de tweede warmtewisselaar. De spanning van 20kV wordt opgevoerd naar de hoogspanning van het distributienetwerk.

De gebouwen aan de andere kant van de reactor bevatten de filtratieinstallatie voor het zeewater die gebruikt wordt om het water in het secundair circuit te koelen. In geval van nood kan dit water ook gebruikt worden om de kernreactor zelf af te koelen.

Er zijn hier geen koeltorens aanwezig, het warm water wordt direct in zee geloosd.

Een kerncentrale verschilt nog op een punt van een normale thermische centrale door de aanwezigheid van een brandstofruimte, waarin de gebruikte brandstofstaven gedurende een paar jaar bewaard worden totdat de natuurlijke radioaktiviteit verminderd is.

Hoe werkt de kernreactor zelf

De 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).

Maar die 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.

Er is nog één ingredient 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.

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).

Een PWR is dus intrinsiek veilig, en daarom dat dit ontwerp bijna overal gebruikt wordt. Als de kernreactor overkritisch zou worden dan wordt de kettingreaktie automatisch getemperd door het ontwerp. Het probleem met een kerncentrale is niet een mogelijke kettingreaktie, maar een probleem van koeling.

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).


Tijdelijk opslag van de gebruikte brandstofstaven

Onderhoud

Om het jaar wordt 1/4 van de brandstofstaven vervangen. De gebruikte brandstofstaven worden in een watertank met boorzuur bewaard gedurende een paar jaar, totdat de natuurlijke radioaktiviteit tot een veiligere waarde gedaald is. Het boorzuur zorgt ervoor dat enkel de natuurlijke radioaktiviteit kan optreden (de natuurlijke radioaktiviteit kan op geen enkele manier onderdrukt worden). De staven worden dan gerecycleerd: ze bevatten immers nog altijd 96% brandstof.

Waarom worden de brandstofstaven zo snel vervangen? Door de splijting ontstaan er produkten die heel radioactief zijn (hun natuurlijke radioaktiviteit ligt veel hoger dan die van uranium). De natuurlijke radioactiviteit kan echter niet gecontroleerd worden door controlestaven: gebruikte staven produceren dus veel meer "natuurlijke" warmte dan nieuwe staven. Een kernreactor met gebruikte staven is dus onveiliger dan een reactor met nieuwe staven. De doorlopende koeling van de stilgelegde reactor moet intensiever gebeuren als die met oudere staven gevuld is.

Deze extra natuurlijke radioaktiviteit door de gesplijte produkten ("afval van de verbranding") zakt relatief snel weg, de gesplijte produkten worden uiteindelijk stabiele, niet radioaktieve stoffen. Hoe sterker een produkt radioactief is, hoe sneller dat die gaat splijten. Uiteindelijk blijven er enkel produkten die stabiel zijn, en produkten die minder radioactief zijn.

Bepaalde produkten van de splijting absorberen de neutronen, en dit is geen goede zaak. Als de staven verouderen, moet de concentratie boorzuur in het water dus constant verlaagd worden om dit te compenseren. Dit effekt is zelfs zo merkbaar, dat een reactor niet meer opgestart kan worden de eerste weken na een stopzetting: de absorberende produkten moeten eerst verder splijten, en dan pas kan de reactor weer opgestart worden.

Het effekt heet core poisonning en heeft verstrekkende gevolgen. Als deze produkten verder splijten is hun effekt minder en gaat de reactor vanzelf "versnellen": men bekomt een reactor die instabiel is. Dit is ook de reden waarom een kernreactor het best op een constant vermogen werkt: het verhogen of verlagen van het vermogen maakt de reactor kortstondig instabiel. Zakt het vermogen te sterk, dan kan de reactor zelfs niet meer opgestart worden.

Veiligheidsmaatregelen

Mocht er iets mislopen (bijvoorbeeld een zware lek in het primair circuit), dan worden de controlestaven automatisch in het reactor ingebracht. Dit gebeurt volledig automatisch, zelfs bij een stroomonderbreking (de controlestaven worden door electromagneten vastgehouden).

Om een watertekort op te vangen is er een waterreservoir onder druk. Het water bevat ook een grote hoeveelheid boorzuur om de neutronen te absorberen. Hier ook is de beveiliging automatisch, van zodra de waterdruk in de reactor daalt, vloeit er water + boorzuur in het reactorvat, waardoor de reakties getemperd worden. Vaak zijn er vier reservoirs onder druk terwijl één enkele reservoir voldoende is om de reactor onder controle te houden.

Bij de reaktie komen er verschillende splijtstoffen vrij, die ook onstabiel zijn en op hun beurt gaan splijten. Sommige van die stoffen splijten binnen de 10 seconden, anderen splijten pas na uren of zelfs dagen. Dit is een natuurlijke en oncontroleerbare splijting.

Als de reaktor om de ene of andere reden stilgelegd wordt, dan gaan de kernreakties dus nog een hele tijd door, en er wordt dus nog altijd een hoeveelheid warmte geproduceerd (6.5% van het nominaal vermogen bij kettingreakties). Als de reactor gestopt wordt kan er geen kettingreaktie meer gebeuren (de neutronen worden immers opgevangen door boor of gelijkaardige produkten), maar de geproduceerde warmte moet nog steeds afgevoerd worden.

In het reactorgebouw zijn er daarom verschillende pompen die het water circulren. Dit zijn electrische pompen die gevoed kunnen worden uit de eigen productie (alternator), het electriciteitsnet (als die nog beschikbaar is) en noodgeneratoren. Maar er zijn ook pompen die gevoed worden door een extra stoomturbine, dus als de volledige electriciteitsprodukltie zou uitvallen, toch kan de kernreactor verder gekoeld worden.

De koeling van de kernreactor is het belangrijkste veiligheidsaspect van de kernreactor.

Andere versies van de kernreactor

Zwaar water in plaats van normaal water

Normaal water heeft een nadeel, het vangt veel neutronen op. Daarom is men verplicht verrijkt uranium te gebruiken, anders zou er nooit een kettingreaktie tot stand kunnen komen. Deze staven bevatten meer U235 (het isotoop dat aan de kettingreaktie kan deelnemen). Hoeveel is "meer"? 4% voor commerciele reactoren, 20% voor reactoren die in militaire schepen gebruikt worden. Door de hoge concentratie splijtbaar meteriaal kan de kernreactor in een duikboot dus kleiner gemaakt worden.

Gebruikt men echter "zwaar" water (met deuterium in plaats van waterstof) dan heeft men nog altijd het modererend effekt, maar er worden minder neutronen opgeslorpt, waardoor men normaal, niet verrijkt uranium kan gebruiken in de kern. Deuterium is een stabiel (niet radioactief) isotoop van waterstof, één op de 6420 atomen waterstof is in feite een atoom deuterium.

De duitsers die tijdens de tweede wereldoorlog met kernenergie experimenteerden hadden niet de mogelijkheid om verrijkt uranium te produceren (het procédé is complex, traag en vraagt veel energie). Zij hebben daarom hun toevlucht gezocht tot zwaar water, waardoor ze de uranium niet zouden moeten verrijken. Zwaar water werd door een waterkrachtcentrale in Noorwegen geproduceerd.

Zwaar water is niet veel zwaarder dan gewoon water (11% zwaarder) omdat het gewicht van water grotendeels bepaald wordt door het zuurstof atoom.

Deze centrales zijn altijd van het PWR-type (waarbij het water in het primair circuit niet kan koken). De brandstofstaven moeten bij dit systeem wat vaker vervangen worden en de reactor is zodanig ontworpen dat de brandstof vervangen kan worden terwijl de reactor in werking is.

BWR in plaats van PWR

Er bestaan ook kernreactoren waarbij het water in het primair circuit aan de kook wordt gebracht (BWR: Boiling Water Reactor). Hier ook vormt het water een regulerend element: als er teveel water aan de kook gaat, daalt automatisch het aantal bruikbare (vertraagde) neutronen, waardoor de kettingreaktie onder controle wordt gehouden.


  1. Kernreactor
  2. Brandstofstaven
  3. Regelstaven
  4. Pompen voor interne circulatie
  5. Bediening van de regelstaven
  6. Stoom onder hoge druk
  7. Water ingang
  8. Hoge druk turbine
  9. Lage druk turbine
  10. Alternator
  11. Exciter
  12. Condenser
  13. Koelwater ingang
  14. Verhitter (om thermische schokken te vermijden)
  15. Pompen primair circuit
  16. Pompen koelcircuit
  17. Reactorgebouw
  18. Verbinding met het electriciteitsnet
Een BWR installatie kan geen boorzuur in het water hebben, daarom gebeurt de regeling enkel door de controlestaven. Bij de meeste systemen worden de controlestaven ingebracht langs onder. Een ander verschil is dat de turbines in het primair circuit zitten, en dus ondergebracht moeten worden in het reactorgebouw.

Het reactorgebouw is merkbaar groter, langwerpig en niet koepelvormig zoals bij een PWR. Er kunnen geen werkzaamheden plaatsvinden aan de turbine, alternator condenser, enz. zolang de reactor in werking is.

Een BWR centrale lijkt op het eerste zicht eenvoudiger (ontbreken van één watercircuit), maar is in feite complexer in het normaal gebruik en onderhoud.

Een paar kernrampen worden hier besproken. Altiojd leuk om te weten wat je te wachten staat als je in Antwerpen woont.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's