En kärnreaktor (i äldre svenska atommila eller mila"Mila". Synonymer.se. Läst 2012-09-26.) är en anordning där en kontrollerad kedjereaktion med kärnklyvning upprätthålls. Kärnreaktorer finns för olika användningsområden och med olika konstruktionsprinciper.
Reaktorer för olika ändamål Den vanligaste användningen av kärnreaktorer är som landbaserad energikälla för att producera elkraft, men i vissa fall även för att driva fartyg. Värmen från kärnreaktionen alstrar ånga som driver ångturbiner som i sin tur driver generatorer eller propellrar. Vid omvandlingen av värmeenergi till mekanisk energi går normalt cirka 2/3-delar av energin förlorad i spillvärme, medan cirka 1/3-del nyttiggörs för elproduktion eller propulsion.
En forskningsreaktor är en speciell typ av kärnreaktor där man primärt är intresserad av reaktorn som neutronkälla, medan den termiska effekten kan vara låg och av underordnad betydelse. De bildade neutronerna kan användas för att bestråla material för att producera isotoper eller för att göra olika typer av experiment och undersökningar.
En reaktor för att producera vapenplutonium är arrangerad så att neutronerna från den primära fissionsprocessen av Uran-235 träffar omkringliggande material innehållande Uran-238, som då kan fånga in neutroner och omvandlas till Plutonium-239. Efter en tid tas det bestrålade materialet ut från reaktorn, och Plutonium-239 separeras från Uran-238 med kemiska processer. Plutonium-239 kan klyvas på liknande sätt som Uran-235 och kan användas i kärnladdningar, men också som bränsle i reaktorer, ofta uppblandat med U-235 och då kallat MOX-bränsle.
Funktionsprincip thumb|Klyvning av U-235En neutron absorberas av en uran-235 atomkärna, som i sin tur delar sig till två nya atomkärnor eller fissionsprodukter, samt ett antal fria neutroner. I en kärnreaktor sker kärnreaktioner varvid energi frigörs. Den vanligaste reaktionen är klyvning av atomer av uran-235, men processen är möjlig även med uran-233 samt plutonium-239.
Klyvningen åstadkoms genom att atomkärnorna träffas av neutroner. När en atomkärna träffas av en neutron med lämplig hastighet kan den klyvas till två lättare atomkärnor samt 2-3 stycken nya neutroner. Dessa neutroner från den primära klyvningsprocessen uppstår oerhört snabbt (inom omkring 10-14 sekunder) och kallas prompta neutroner, och kan då träffa nya atomer och skapa en kedjereaktion. Klyvnings- eller fissionsprodukterna har en lägre bindningsenergi än urankärnorna och neutronerna, och därmed frigörs energiöverskottet som värmeenergi.
Klyvningsprodukterna är i allmänhet instabila och avger ytterligare strålning och energi, samt i vissa fall även neutroner, när de i sin tur omvandlas till stabila isotoper. De neutroner som bildas i den sekundära sönderfallsprocessen kallas fördröjda neutroner och uppstår i tidsskalan sekunder till minuter efter den primära klyvningen. De fördröjda neutronerna kan utgöra uppemot 1 % av det totala antalet neutroner, men trots den ringa andelen är dessa fördröjda neutroner avgörande för möjligheten att reglera reaktorn.
Vid drift vid en viss effektnivå kommer varje kärnklyvning i medeltal ge upphov till en neutron, som orsakar en ny klyvning, och det sker ett konstant antal klyvningar per tidsenhet. Skulle varje klyvning ge upphov till mer än en ny klyvning så accelererar processen och ger en ökande effekt, och processen är överkritisk vilket måste begränsas innan effekten blivit alltför hög. Omvänt riskerar processen att dö ut, om andelen klyvningsinducerande frigjorda neutroner är för låg.
Skulle varje klyvning ge upphov till mer än en klyvning av prompta neutroner blir reaktorn prompt överkritisk och effekten ökar extremt snabbt och blir i praktiken omöjlig att reglera. Enligt flera internationella bedömningar blev reaktor 4 i Tjernobyl prompt kritisk vilket gav en effektrusning som inom sekunder ökade effekten till mellan 10 och 100 gånger maxeffekten vilket snabbt ödelade reaktorn.
För att reglera kvoten använder man styrstavar, som kan föras in i härden och minska mängden klyvningsbenägna neutroner. Stavarna innehåller neutronabsorberande ämnen, till exempel bor, kadmium eller hafnium, vilka har förmågan att bromsa upp neutronerna så att klyvning begränsas eller förhindras. Stavarna är anordnade så att de vid oförutsedda händelser automatiskt skjuts in i härden för att göra reaktorn underkritisk. Många reaktorer har även kompletterande system för att mata in borerat vatten..
Reaktorgenerationer Allt efter anläggningarnas ålder och tekniska status brukar man tala om skilda generationer.
Generation 1: Den första generationens reaktorer avser försöks- och demonstrationsanläggningar från 1950- och 60-talen. Dessa har i allmänhet tagits ur drift. Generation 2: De äldre kommersiella, fullskaliga kärnkraftverk med olika typer av säkerhetssystem, som i dag är i produktion, är andra generationens reaktorer. Samtliga svenska kärnkraftverk hör till denna kategori, men har fått förbättrad säkerhet genom haverifilter (drifttaget 1989) och oberoende härdkylning (planerad drifttagning 2021). Generation 3: Den tredje generationens reaktorer är modernare anläggningar som har säkerhetssystem som även under stora störningar ska kunna klara stora härdskador med små utsläpp samt till exempel påflygning med trafikflygplan. Exempel på denna reaktortyp är EPR som 2019 tagits i drift i Kina samt (2019) är under uppförande i Flamanville i Frankrike och Olkiluouto i Finland. Generation 4: Den fjärde generationens reaktorer är fortfarande (2019) på forskning och utvecklingsstadiet och väntas kunna utnyttja bränslet upp till 100 gånger effektivare än dagens reaktorer och ge mindre mängder långlivat avfall.
Reaktortyper Inom de olika generationerna finns ett antal skilda reaktortyper och de kan delas upp på flera olika sätt.
Typ av kärnreaktion Dagens kärnreaktorer använder fission för att producera energi och man kan använda en moderator för att få termiska neutroner (termisk reaktor) eller utan moderator för snabba neutroner (snabb reaktor). Andra klyvbara ämnen som torium kan användas i kärnkraftverk tillsammans med uran. Tidigare forskning har bedrivits i Tyskland och USA, men idag är Indien med sina stora toriumreserver det land, som mest intensivt forskar kring att använda torium som kärnbränsle i stor skala. Indiens kärnkraftsprogram är inriktat på att slutligen uteslutande använda torium och fasa ut uran. Carlo Rubbia har också förespråkat en kommande generation baserad på torium. En variant baseras på acceleratordrivna system med en underkritisk reaktor.
Väte kunde i teorin användas som kärnbränsle, med fusion, men de praktiska problemen har inte lösts. Forsknings- och enstaka demonstrationsanläggningar för fusion finns, men de kan inte producera något nettotillskott av energi.
Vedertagna, oftast engelskspråkiga, förkortningar anges med versaler nedan.
Typ av moderatormaterial Vattenmodererade Lättvatten; Lättvattenreaktorer Tryckvattenreaktor (PWR) VVER Kokvattenreaktor (BWR) Avancerad kokvattenreaktor (ABWR) Tungt vatten; Tungvattenreaktorer SGHWR CANDU-reaktor
Grafitmodererad reaktor Magnox-reaktor Avancerad gaskyld reaktor (AGR) RBMK Pebble bed-reaktor (PBMR) Smält salt-reaktorer (MSR)
Icke modererade, snabba SSTAR Flytande metall-reaktorer (LMFR) Bridreaktor
Typ av kylmedel Vatten Tryckvattenreaktor (PWR) Kokvattenreaktor (BWR) Flytande metall (LMFR) Bridreaktor Natriumkylda reaktorer Blykylda reaktorer Gaskyld Reaktor (HTGR) Gas (GCR) Luftkylda reaktorer Koldioxidkylda reaktorer Magnox Avancerad gaskyld reaktor Heliumkylda reaktorer Pebble bed modular reactor (PBMR)
Indelning efter bränslets fas Fast Flytande Gas
Användningsområde Elproduktion i kondenskraftverk (99 %) Kombinerad produktion av el och fjärrvärme (1 %), för närvarande endast Bilibino kärnkraftvärmeverk Produktion av Bränsle till kärnvapen Bridreaktorer Radionuklider till medicinska tillämpningar Forskning Forskningsreaktorer Mobila reaktorer SSTAR Flytande kärnkraftverk Framdrift av fartyg
Enligt kylmedium och moderator Om man sorterar efter kylmedium och moderator, kan man skapa nedanstående tabell. Observera att de båda utgörs av samma ämne i många vanliga reaktortyper.
Vattenkylda reaktorer (Lättvatten om inte annat anges) Lättvattenmodererade (LWR) Kokvattenreaktor (BWR) Tryckvattenreaktor (PWR) Tungvattenmodererade (HWR) Exempel CANDU (Finns både med tung- och lättvatten som kylmedium) Exempel SGHWR (Lättvattenkyld) Grafitmodererade Exempel RBMK Gaskylda reaktorer (GCR, oftast grafitmodererade) Hög Temperatur Gaskyld Reaktor (HTGR) Luftkylda reaktorer Koldioxidkylda reaktorer Exempel Magnox Heliumkylda reaktorer Exempel PBMR Smält salt-reaktorer (MSR, oftast grafitmodererade) Småskalig modulär reaktor Flytande metall-reaktorer (LMFR, som också arbetar med snabba neutroner och därför saknar moderator) Blykylda reaktorer Natriumkylda reaktorer
Se även Fjärde generationens reaktor Forskningsreaktor Kärnkraftverk Slutförvaring av radioaktivt avfall Kärnfusion
Referenser
Noter
Kategori:Kärnkraft