De kernreactor

Op deze bladzijde zullen de belangrijkste types kernreactoren beschreven worden. Allereerst zal in het algemeen de principiële werking van een kernreactor aan de orde komen, gevolgd door de meest gebruikte, de Pressurised Water Reactor (PWR), ook wel Drukwater reactor genoemd. Dan komt de kweekreactor (het principe van kweken wordt beschreven in de bladzijde "De achtergrond") aan de beurt en vervolgens een kleine reactor, de mPower van Babcock and Wilcox.

Principe

Een kernrector is in principe niets meer dan een vat van dik staal, waarin zich splijtstof (ook brandstof genoemd) in metalen buizen bevindt, zie figuur. De splijtstof bestaat in het eenvoudigste en meest toegepaste geval uit uranium waarvan het gehalte uranium-235 lichtelijk verrijkt is. De met splijtstof gevulde metalen buizen (splijtstofstaven genoemd) staan zo dicht bij elkaar in bundels gemonteerd dat de splijtstof een superkritische massa (zie woordenlijst) vormt.  

     (Bron: European Nuclear Socioety)

Teneinde een kernreactie te beheersen kunnen tussen de splijtstofstaven zogenaamde regelstaven bewogen worden. De regelstaven zijn vervaardigd van metalen of legeringen van metalen die gevoelig zijn voor de absorptie van neutronen. Is de kernreactor buiten gebruik, dan zij alle regelstaven tussen de splijtstofstaven geschoven Tijdens productie zijn zoveel regelstaven verwijderd dat de kernreactor precies kritisch is.

Bij het splijten van uranium-235 worden de neutronen met een snelheid van ca. 14000 km/s uitgestoten. Het blijkt uit proeven dat uranium deze neutronen beter absorbeert (waarna splijting volgt) als zij een lagere snelheid hebben. Daarom is een kernreactor voorzien van een zogenoemde moderator. Deze moderator  bestaat uit atomen die een massa in de buurt van die van een neutron hebben. Beweegt een neutron door een dergelijke moderator dan vermindert zijn snelheid na een aantal botsingen tot zijn energie gelijk is aan die van de genoemde atomen. De snelheid kan zo verminderd worden tot ongeveer 2,2 km/s bij kamertemperatuur. Zoals in de eerste alinea vermeld is staan de splijtstofstaven met voldoende uranium zo dicht bij elkaar dat de splijtstof ktitisch is. Echter in aanwezighei van de hier genoemde moderator.

De bedoeling van een kernreactor is dat hij energie produceert. Deze energie doet zich voor als warmte, die bij de splijting ruimhartig vrijkomt, en dient uit de reactor verwijderd en verderop gebruikt te worden, in de meeste gevallen om elektriciteit te produceren. Daarom is de kernreactor ook nog voorzien van een koeling met een koelmiddel dat de warmte opneemt en die naar buiten afvoert.

De gelukkige omstandigheid doet zich voor dat het meest gebruikte koelmiddel, water, tevens een goede moderator is, zodat de functies modereren en koelen in de meeste kernreactoren gecombineerd worden.

Om zeker te stellen dat eventuele straling bij de reactor blijft is rondom de reactor een barriere van tenminste een meter dik beton opgetrokke

                                              (Bron: U.S. Nuclear Regulartory Commission)

De wanden zijn van voorgespannen beton, de koepel heeft een dikte van 1 meter, het cilindrische gedeelte van11/2 meter. Zoals in de figuur hier direct boven te zien is, bezit het primaire circuit vier stoomgeneratoren (blauw). Dat betekent dat er ook vier verschillende koelwateromlopen zijn met vier pompen (groen). 

Enige overige gegevens:

     Diameter reactorvat ca. 4,5 m

     Hoogte 12 m

     Wanddikte  20-25 cm

     Diameter containment 40 m

     Hoogte 66 m

De getallen hier gegeven gelden voor de bestaande kernreactoren van het PWR type van Westinghouse.

De boiling water reactor (BWR)

De BWR is net zo als de PWR een lichtwater reactor, d.w.z. hij wordt gekoeld en gemodereerd met gewoon water. De BWR verschilt van de PWR daarin dat het water in de kernreactor in één keer tot stoom gebracht wordt dat naar de elektriciteit opwekkende turbines gevoerd wordt.  Een ander kenmerk is dat de regelstaven van onder ingebracht worden. Dit omdat het water bovenin kookt en zich heftig beweegt zodat modereren daar onnauwkeurigheden geeft. We hebben gezien dat in de PWR een tussenwarmtewisselaar (de stoomgenerator) gebruikt wordt, die water onder druk tot 325 ^oC opwarmt waarmee in de stoomgenerator stoom wordt gemaakt. In de BWR bestaat geen stoomgenerator, het water wordt direct in de reactor tot koken gebracht. De druk is bij het verlaten van de reactor 75 bar en de temperatuur 290 ⁰C.

1 reactorvat; 2 splijtstof; 3 regelstaaf; 4 regelstaaf; 5 aandrijving regelstaaf; 6 stoomleiding; 7 gekoeld water toevoer; 8 hoge druk turbines; 9 lage druk turbine 10 elektriciteit generator; 11 magnetisch veld opwekapparaat; 12 condensor; 13 koelwater; 14 heater; 15 koelwater pomp; 16 condensor koelwaterpomp; 17 containment wand; 18 elektriciteit.

Plaatje:Wikipedia                              Stroomschema van een BWR

Een BWR reactorvat is forser dan dat van een PWR (PWR: l/d= 13,36 m/4,39 m; BWR: 22/6,4). Een BWR heeft namelijk een kern van grotere diameter. De BWR heeft namelijk meer verwarmend oppervlak (V.O.) nodig omdat het water in de reactor overgaat in stoom en stoom aanmerkelijk slechtere warmteoverdracht eigenschappen heeft dan water.  Bovenin de reactor zitten waterafscheiders en stoomdrogers, wat de reactor ook nog extra hoog maakt. Om de warmteoverdracht in de kern te verbeteren is bij een BWR een recirculatie omloop ontworpen met de pomp buiten de reactor, die het water sneller door de kern doen stromen, zie figuur.

                                        Recirculatie van koelwater over de kern van BWR

                                        Plaatje: Wash-1400

Het geheel maakt de reactor zo groot en vooral breed dat een containment zoals dat van de PWR te groot zou worden. Daarom wordt  dicht om de reactor en zgn. primair containment gebouwd, dat bij oplopende binnendruk door stoomvorming het stoom wegdrukt naar een waterbad (in een vat dat condensatiekamer genoemd wordt) waar het condenseert.

BWR containments

De constructie van BWR containment is in de loop van de tijd geevolueerd.

Het Mark I containment

Aangezien een BWR kernreactor veel groter gedimensioneerd is dan een PWR was toepassing van de PWR werkwijze (een ruim gedimensioneerd containment met alle ruimte en sterkte om hoge stoomophoping en een waterstofexplosie op te vangen) te omvangrijk in kosten en ruimte. Daar de hoge drukken in een containment voornamelijk van stoomdruk komen, besloot men tot een ontwerp waarin de stoom direct na zijn ontstaan gecondenseerd wordt. Het Mark I containment, zie figuur 1, geeft weer hoe dit werkt.

                                                  Figuur 1: Het Mark 1 containment

Het containment bestaat uit een primair deel bestaande uit de gloeilampvormige constructie (drywell) en een condensatiekamer (het torusvormige vat onder de drywell), en het secundaire containment (de behuizing van het geheel). Mocht door een ongelukssituatie geen energie meer afgevoerd worden naar de turbines, dan moet de in het reactorcircuit voortgebrachte energie in het primair containment verwerkt worden. Deze energie manifesteert zich als stoom. Overigens is in een dergelijke noodsituatie de kernreactie door een veiligheidssysteem uitgeschakeld en men heeft nog alleen de warmte voortgebracht door de splijtingsproducten te verwerken. De druk loopt daardoor op in deze van stalen mantel voorziene kamer van voorgespannen beton waardoor de stoom in de condensatiekamer of pressure suppression pool (wetwell) geperst wordt. Dit vat is tot de helft gevuld met water en de stoom wordt onder het wateroppervlak binnengebracht en condenseert, als de watervoorraad voldoende groot is. Bij een ongeluk met de kernreactor dat leidt tot  verlies van koeling op de kern van de reactor (LOCA), kan waterstof gevormd worden uit de reactie van stoom met het hete metaal van de hulzen waarin de kernsplijtstof verpakt zit. Voorts kan het gebrek aan koeling leiden tot beschadiging van de hulzen waardoor radioactiviteit vrijkomt. De ontwerper heeft rekening te houden met deze factoren. In deze ongelukssituatie vormt zich dus een mengsel van stoom, waterstof en radioactiviteit in de drywell. Na condensatie van de stoom in de suppression pool blijft waterstof en radioactiviteit over. Deze worden in een afvoerkanaal van gehard staal naar buiten geleid, waarbij onderweg de radioactiviteit wordt afgefilterd. Het Mark I werd achteraf, in opdracht van de U.S.NRC nog voorzien van een aparte aflaat, om (te) hoog opgelopen druk af te voeren naar de condensatiekamer. De ontwerpdruk van het primaire gedeelte bedraagt 3,5-4 bar overdruk. De drywell wordt afgesloten door een stalen hoed.

Mark II 

De werking van het Mark II containment is vergelijkbaar met die van MarkI. De reactor is geplaatst in drywell die zich recht boven de condensatiekamer bevindt. Dit gedeelte van het primaire containment, dat evenals dat van de Mark I onder inerte omstandigheden bedreven wordt, is voorzien van een stalen mantel. Verticale pijpen brengen stoom onder het water in de ronde condensatiekamer (wetwell). De ontwerpdruk van het primair containment is ca. 3 bar. 

                                                                     Figuur 2: Het Mark II containment

Mark III

Het mark III containment heeft een primair containment en een ruim bemeten  wetwell.   1. betonnen schild; 2. vrijstaand stalen containment; 3. dompelbad; 6. reactorvat; 7. stoomleiding; 8. voedingswaterleiding; 9. circulatie circuit;                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        10. condensatekamer; 12. druk aflaat; 13. primair containment.

                                                                                                                                       Figuur 3:  Mark III containment

De Mark III constructie kent geen secundair containment. Het buitenschild is de wand van de zeer ruim bemeten wetwell. De ontwerpdruk van het primaire containment bedraagt 1 bar (overdruk).

De containments vinden toepassing in de volgende BWR types:

                                      Mark I:    BWR 1-4

                                      Mark II:   BWR 4-5

                                      Mark III   BWR 6

 Generatie III en III+ kernreactoren

Naar aanleiding van de ongelukken op Three Mile Island en Tsjernobyl zijn de constructeurs gaan nadenken over het veiliger maken van kernreactoren. Met name moet dan gedacht worden aan de opeenvolgende gebeurtenissen bij een ongeluk. Het meest ernstige ongeluk in een kernreactor is de LOCA oftewel de loss of coolant accident, het verlies van koeling (op de kern) ongeval. De kern raakt dan oververhit. In een kernreactor zijn hiertoe veiligheidssystemen ingebouwd. Wordt de kern te heet dan worden de regelstaven snel tussen de splijtstofstaven ingebracht waarop de kernreactie volledig stil wordt gelegd. Tevens komt een noodkoelsysteem op gang. De stilgelegde kernreactor produceert echter nog warmte, omdat de splijtingsproducten (van uranium) verder vervallen. Deze kan enige dagen voortduren en de kern moet doorgaand door de noodkoeling afgekoeld worden. Hapert er iets in de noodkoeling dan kan de kern smelten en  hij kan door de bodem van het reactor vat en door de bodem vam het containment smelten. Tegen deze laatste verschijnselen heeft de conventionele kernreactor (generatie II) geen afweer. De nieuwe, zoals de AP-1000 van Toshiba-Westinghouse en de EPR van het Franse Areva wel. Dit zijn de zgn. Generator III en III+ kernreactoren.

De European Pressure Reactor (EPR) van Areva

Kenmerken van deze kernreactor zijn de dubbele wand van het containment, waarvan de buitenwand bestand is tegen neerstortende vliegtuigen en de binnenwand tegen overmatige inwendige druk en een zgn. core catcher, die ingeval van kernsmelten de smelt opvangt en koelt.

Het reactorgebouw van de EPR. Zichtbaar is de dubbele wand van het containment en onder het reactorvat de goot die de gesmolten kern naar een groot vat afvoert waar hij kan koelen

De AP-1000 van Toshiba-Westinhouse

De AP-1000 wordt in geval van een LOCA volledig gekoeld door middel van natuurlijke circulatie. Men maakt gebruik van de zwaartekracht en van natuurlijk ontstane- en vooraf aangelegde drukverschlillen. Kenmerk is een grote watervoorrraad hoog in het containment, waarmee gedurende de LOCA onder meer de wand van de reactor en de die van het containment gekoeld worden. Voorts heeft de reactor slechts twee stoomgeneratoren.

    Een opengewerkte weergave van de AP-1000. Men ziet de watervoorrrad (4) boven in het containment. Het reactorvat (8) en de twee stoomgeneratoren (5) zijn eveneens goed zichtbaar.

De ABWR en de ESBWR

Voortbouwend op de BWR heeft de ontwerper/bouwer Hitachi/General Electric de ABWR  (Advanced Boiling Water Reactor) en de ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) ontworpen en voor wat betreft de ABWR reeds gebouwd.

De belangrijkste verbetering in de ABWR is de recirculatie, die niet meer buiten om loopt doch geheel in het reactorvat is gebouwd. Dit maakt dat het containment kleiner van afmeting kan zijn. Verder wordt het reactorvat als geheel gewalst en bestaat niet meer uit aan elkaar gelaste ringen.

De regelstaven kunnen zeer nauwkeurig gestuurd worden en het noodkoeling bestaat uit drie onafhankelijk van elkaar opererende systemen. Ook is het beheerssysteem volledig digitaal gemaakt. Naast deze verbeteringen van het veiligheidssysteem zijn er nog een aantal kleinere hier niet te noemen verbeteringen aangebracht. De ABWR wordt gerekend een generatie III reactor te zijn.

                                                                                  De ABWR;                                          Plaatje: Factsheet ABWR; GE/Hitachi

De impellers recirculatiepompen bevinden zich in de reactor, de motor van de pompen zit eronder, zoals te zien op de tekening

De nieuwste reactor behorend tot de BWR familie is de ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor). Deze reactor heeft evenals de AP-1000 een noodkoelsysteem dat  geheel passief zijn werk doet. Daardoor konden 11 systemen geëlimineerd worden en het aantal pompen en afsluiters  bedraagt 25% minder dan in de vorige uitvoering. De kernreactor behoort tot generatie III+. Zie figuur. 

                                 De ESBWR

.  Op diverse plekken ter wereld is reeds ervaring opgedaan met proef kweekreactoren en ook met commerciële uitvoeringen.  

.  Kweekreactoren bieden de mogelijkheid om ook afval uit gewone kerncentrales op te "branden".

Kweken in de praktijk

Er is kweekreactor ervaring opgedaan in Frankrijk, Duitsland, India, Japan, Ver. Konr., USA, en in Rusland.In alle westelijke landen zijn de projecten vroegtijdig gestopt merendeels onder druk van uitgebreide protesten. Frankrijk heeft nog korte tijd een 1200 MWe reactor in bedrijf gehad. Zie voor de achtergrond van het kweken "Achtergrond".

Rusland is op dit ogenblik het verst gevorderd met deze techniek. Na met een aantal experimentele reactoren uitgebreide ervaring te hebben opgedaan werd in 1980 de BN-600 snelle kweekreactor van 560 MWe met het net verbonden, die thans nog elektriciteit levert. Daarna werd de BN-800 gebouwd, goed voor 800MWe, die binnenkort in productie moet komen. Thans wordt ook een 1200MWe reactor gebouwd (de BN-1200) die in 2018 in bedrijf komt.

Tevens heeft  een internationale task force zich gebogen over ontwerp van een nieuwe generatie kweekreactoren, waarbij met name de volgende typen bekeken worden:

  -     natriumgekoelde-

  -     loodgekoelde-

  -     gasgekoelde kweekreactor

Kweekreactor

Een kweekreactor kenmerkt zich door de volgende zaken:

-  hij produceert energie uit uranium-238, waarvan het gehalte in natuurlijk uranium 99,3 % bedraagt. Een kweekreactor kan daardoor voor onafzienbare tijd voorzien in onze energiebehoefte (Lichtwater reactoren draaien op uranium-235 dat slechts voor 0,7% in natuurlijk uranium vertegenwoordigd is.),

-  hij wordt bedreven met snelle neutronen ten behoeve van de neutronen-economie,

-  hij wordt bedreven met plutonium omdat dit met de snelle neutronen bijdraagt aan de neutronen-economie,

-  hij heeft een zeer compacte kern om  om compensatie te bieden voor de, door de snelle neutronen veroorzaakte, verminderde werkzame doorsnede, 

-  hij beschikt niet over een moderator omdat de neutronen niet afgeremd mogen worden,

-  hij wordt gekoeld met vloeibaar natrium of met een ander vloeibaar metaal, zoals lood, eveneens om te voorkomen dat de neutronen afgeremd worden,

-  hij beschikt over niet twee, zoals de PWR, maar drie warmteoverdrachts-kringlopen; in de tweede en derde kringloop komen natrium en water met elkaar in contact en niet meteen in de eerste en tweede om te voorkomen dat eventueel contact van natrium en water in de nabijheid van de kern geschiedt.

Onderstaande figuur geeft een stroomschema van een kweekreactor.

Een kleine reactor

Babcock & Wilcox zijn makers van kernreactoren voor onderzeeboten. Op basis van hun expertise daar hebben zij een kernreactor, de B&W mPower, met een vermogen van 125 MWe ontworpen. De reactor kan ook in twee- of viervoud geïnstalleerd worden, zodat een vermogen van tot 500 MWe beschikbaar komt. De reactor, van het type PWR, bestaat uit een cilindrisch vat van 23 m lengte en 4,5 m diameter (zie figuur 1).

                                                                      Figuur 1: De B&W mPower reactor

Onderin bevindt zich de kern. Koelwater stroomt naar bovendoor de stoomgenerator. Anders dan in een standaard stoomgenerator stroomt het water langs de pijpen waarin stoom voor de elektrische generator wordt opgewekt. De splijtstofelementen zijn vrijwel gelijk aan die van een standaard PWR doch hebben de helft van de lengte. Figuur 2 toont de waterstroming.

                                                                      Figuur 2: Waterrondgang in mPower

De reactor is van het PWR type. Daar het water direct van de kern doorstroomt naar de stoomgenerator en de hele rondgang plaatsvindt binnen de reactor bestaat er geen mogelijkheid van pijpbreuk in het primaire koelsysteem. De kern bevindt zich onderin

zodat deze ook niet zonder water kan komen te zitten. Het is de bedoeling dat de kern vijf jaar achtereen in bedrijf is en dan in zijn geheel vervangen wordt. De reactorkern en het omliggende containment worden geheel ondergronds geïnstalleerd. Om de kern te vervangen wordt de bovenkant met een kraan opgetild en weggezet. Vervolgens wordt de pompenset weggetild, waarna de kern bereikbaar is. De reactor kan in viervoud geïnstalleerd worden en opgesteld worden in een daartoe ontworpen energiecentrale (figuur 3).

                                   Figuur 3: Een batterij van vier 125 MWe reactoren

B&W denkt deze centrale te kunnen leveren voor $ 3500/kW. Bouwtijd na goedkeuring door de autoriteiten kan volgens de firma in drie jaar. B&W biedt ook de mogelijkheid van een containment dat geheel ondergronds geïnstalleerd wordt, figuur 4.

                               Figuur 4: Het containment van de B&W mPower

             Figuur 5: Vier reactoren bij elkaar gebouwd tot een vermogen van 500 ME.

Wederom kunnen vier reactoren met containment bij elkaar gebouwd worden, figuur 5

Wanneer is een kernreactor kritisch?

In het voorgaande werd onder "Uranium" reeds melding gemaakt van de twee isotopen waaruit uranium bestaat. Het is vooral het isotoop uranium-235 (U-235), waar de belangstelling naar uit gaat omdat het splijtbaar is en omdat bij die splijting een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Splijting komt tot stand door de uraniumkern te beschieten met een neutron. Indien de kern het neutron absorbeert kan de verhoudig tussen de aantallen protonen en neutronen zodanig worden dat de kern instabiel wordt en splijt. Bij splijting geeft de kern gemiddeld 2,4 neutronen af die ieder op zich weer een volgende splijting kunnen veroorzaken. Bij die splijtingingen zal eveneens een enorme hoeveelheid energie geproduceerd worden. Een kernreactor beschikt over de mogelijkheid neutronen uit deze kettingreactie van splijtingen weg te nemen. Worden zoveel neutronen weggenomen dat er per splijting precies één overblijft, dan wordt een constante hoeveelheid energie geproduceerd. Men noemt de kernreactor dan kritisch.Kriticiteit.rtf (1,2 kB)

De evolutie van kernenergie

De ontwikkeling van kernenergie voor de opwekking van energie voor vreedzame doeleinden wordt vaak in perioden onderverdeeld; in iedere periode worden daarbij de bijbehorende generatie kernreactoren geplaatst. Zo kent men de volgende generaties:

Generatie I

Dit zijn kernreactoren die in de jaren vijftig min of meer als prototype werden gebouwd. Namen zijn de eerste reactor, de Fermi-reactor; Nautilus-reactor voor de eerste atoom onderzeeër,;de Magnox-reactor, een Engels type gemodereerd met grafiet en gekoeld met  CO₂  en enige met licht water gemodereerde reactoren.

Generatie II

De reactoren geïnstalleerd in de jaren zestig tot tachtig, in wezen de reactoren die nu nog in bedrijf zijn, zoals de Nederlandse reactor in Borsele

Generatie III

Deze generatie is gebaseerd op de vorige, waarbij met name het ongeluk op Three Mile Island van invloed is geweest op het ontwerp van extra veiligheidsvoorzieningen.

Generatie III+

Gelijk aan generatie III met extra veiligheidsvoorzieningen, onder meer noodkoeling d.m.v. natuurlijke circulatie van water, d.w.z. water tot stroming gebracht door de zwaartekracht of door temperatuur- en drukverschillen.

Generatie IV

Reactoren die thans ontworpen worden op basis van nieuwe concepten. In deze categorie komen o.m. kweekreactoren, met helium gekoelde reactoren, vloeibare splijtstoffen en splijtstof in de vorm van balletjes die aan één kant in verse vorm in de reactor gevoerd worden  en aan de andere kant in afgewerkte vorm de reactor verlaten.