Kjernereaktor

Kjernereaktor, fisjonsreaktor, kjerneenergireaktor, uranreaktor eller atomreaktor er ei innretning der ein fisjonsprosess (kjernespaltingsprosess) vert oppretthalden ved ein kontrollert kjedereaksjon. Reaktorar vert nytta for utvikling av varme som kan nyttast direkte eller omsettast til elektrisk energi, som då vert kalla kjerneenergi, produksjon av radioaktive stoff for medisinsk og teknisk bruk (radioaktivitet), produksjon av fissilt stoff som kan nyttast til kjernevåpen og som brensel i andre reaktorar, forsking innan kjernefysikk, faststoff-fysikk og mykje meir.

Prinsipp
Ein kjedereaksjon startar ved ein tilfeldig spalting av ein atomkjerne, ein fisjon, der det òg blir sendt ut 2–3 nøytron. Viss eitt av nøytrona treffer ein annan fissil (spaltbar) kjerne, kan det få han til å fisjonere slik at prosessen gjentek seg, sjå kjerneenergi. Ved kvar fisjon blir ei viss mengd energi eller varme frigjort, ca 210 MeV per fisjon. For at reaksjonen skal gå med jamn fart, må i gjennomsnitt éit nøytron frå kvar fisjon forårsake éin ny fisjon. Reaktoren er då kritisk. Viss nøytrona frå ein fisjon i gjennomsnitt gjev mindre enn éin ny fisjon, er reaktoren underkritisk, og kjedereaksjonen døyr etter kvart ut. Gjev kvar fisjon meir enn éin ny fisjon, er reaktoren overkritisk. Reaksjonssnøggleiken vil då auke, temperaturen i reaktoren vil stige, og reaktoren vil, om han ikkje igjen blir gjort kritisk eller underkritisk, smelte eller eksplodere.

Kjedereaksjonen vil gå så lenge det er tilstrekkeleg mengd og konsentrasjon av fissilt material i reaktoren. Reaksjonssnøggleiken avheng av korleis det fissile stoffet er fordelt og kva for andre nuklidar det er blanda med eller omgjeve av. I kvar fisjon blir det frigjort i gjennomsnitt omkring 2,5 nøytron. Berre éit av dei er naudsynt for å oppretthalde kjernereaksjonen. Dei andre må absorberast på andre måtar eller forsvinne ut av reaktoren. For å konstruere og kontrollere ein reaktor slik at han arbeider i eller nær det kritiske området, er det naudsynt å vita korleis nøytrona blir omsett i reaktoren.

Sidan 235U er den einaste naturleg hendande fissile nukliden, er det denne som vanlegvis blir brukt for å drive reaktorar. Nuklidane 233U og 239Pu kan produserast av 232Th eller 238U, som vert ført inn i eller omkring reaktoren. Når reaktoren på denne måten produserer meir fissilt stoff enn han sjølv forbrukar, blir kalla han ein formeiringsreaktor (eng. breeder-reactor).

Etter verkemåten skil ein mellom to hovudtypar av reaktorar. I hurtige reaktorar baserer ein seg på å bruke nøytron med den energien dei får i fisjonsprosessen, direkte. Dette kan ein berre få til viss reaktorbrenselet inneheld forholdsvis sterk konsentrasjon av fissilt stoff, t.d. uran som er opprika til 15–20 % 235U.

I ein termisk reaktor bremsast først nøytrona ned til låg, termisk fart ved hjelp av ein moderator. Ved låg fart blir sannsynet for at nøytrona skal fangast inn av fissile kjernar stor, og kjedereaksjonen kjem lettare i gang. Ein termisk reaktor kan difor arbeide med mindre konsentrert brensel enn ein hurtig, t.d. med naturleg uran.

Reaktortypar 

Av mange ulike variantar av forsøksreaktorar har det etter kvart utvikla seg nokre få typar av energiproduserende reaktorar. Nesten alle desse er termiske reaktorar. Dei ulike typane vert vanlegvis namngjevne etter moderator og kjølemiddel.

Mest brukt er kokvass- og trykkvassreaktorar med vanleg vatn både som moderator og kjølemiddel. Dei er utvikla i USA og blir brukt der og i land som har hatt nært samarbeid med USA. Canada utvikla tidleg tungtvassreaktorer, trykkvassreaktorar med tungtvatn som moderator og kjølemiddel. I Storbritannia utvikla ein og brukar gasskjølte, grafittmodererte reaktorar. I Frankrike brukte ein først gasskjølte reaktorar, men er etter kvart gått over til trykkvassreaktorar. I landa i det tidlegare Sovjetunionen har ein ved sida av trykkvassreaktorar utvikla vasskjølte grafittmodererte reaktorar.

Av omsyn til lønsamheit blir dei fleste reaktorane no bygd for ein elektrisk effekt på 1000–1200 MW, og ofte fleire reaktorar omkring same elektrisitetsverk.

Formeiringsreaktorer

Formeiringsreaktorar basert på omdanning av 238U til 239Pu må vere hurtigreaktorar. Dette medfører at dei i utgangspunktet må bruke høgt opprika 235U som brensel. Etter kvart kan så dette erstattast av plutonium. I ei rekkje land er det utvikla forsøksreaktorar med ein elektrisk effekt på 200–300 MW av denne typen. Berre Frankrike har bygd ein formeiringsreaktor i økonomisk lønsam storleik. Superphénix, med ein elektrisk effekt på 1200 MW, vart teke i bruk i 1986, men problem i samband med kjølinga med flytande natrium har ført til at han ikkje er kome i regulær drift. Vidare utbygging av formeiringsreaktorar vil avhenge av resultat med denne reaktoren.

Oppbygging
Som hovudkomponentar av ein reaktor reknar ein brenselselement, kontrollstavar, moderator, kjølemiddel, reaktortank, styrings- og kontrollutstyr, strålingsskjerming og reaktorinneslutning.

Brenselselement

Brenselselementa er utskiftbare einingar som består av frå femti til nokre få hundre brenselstavar. Kvar stav er 3–4 m lang og 1–2 cm i diameter. Brenselet, som regel små brikettar av urandioksid, er innkapsla i stavane. Kapslingen (eng. cladding) skal hindre radioaktive fisjonsprodukter i å sleppe ut. Han må tole sterk radioaktiv stråling og høg temperatur. Spesielle typar rustfritt stål eller legeringar av stål og zirkonium, zirkaloy, er utvikla for dette formålet. Kvar stav inneheld 1–2 kg uran. Reaktorkjernen blir bygd opp av nokre hundre utskiftbare brenselselement. Den totale mengda uran i ein 1000 MW termisk reaktor er av storleiken 150 tonn, derav 2–3 tonn 235U.

Under drift blir det forbrukt 235U, og det blir danna radioaktive spaltingsprodukt i stavane. Når innhaldet av 235U er vorte for lågt og forureiningane for store, etter 3-4 års drift, må brenselselementa skiftast. For å få jamn forbrenning, blir ein del av elementa skifta kvart år. Dei brukte elementa blir sende til reprosessering. Radioaktive fisjonsprodukt blir fjerna og blir teke vare på etter strenge reglar. Nokre av produkta kan skiljast ut og nyttast for ulike formål, men det meste – ca 10 tonn i året frå ein 1000 MW reaktor – blir rekna som avfall. Dette blir først lagra under overvaking i nokre tiår, medan det er varmt og til dels flytande. Når mesteparten av aktiviteten er døydd ut, blir det overført til langtidslagring på utilgjengelege og sikre stader, der aktiviteten vil halde seg i mange tusen år.

Kontrollstavar

Kontrollstavane blir laga av bor eller kadmium, som lett absorberer nøytron. Når desse stavane står inne i reaktoren, mellom brenselselementa, vil dei suge til seg så mange nøytron at reaktoren blir underkritisk. Når stavane blir trekt tilbake passe langt, blir reaktoren kritisk. Ein kan så regulere reaksjonssnøggleiken og reaktoreffekten ved forsiktig rørsle av kontrollstavane omkring den kritiske stillinga. Ved eventuelle reaktoruhell skal tryggleiksinnretningar sørge for at kontrollstavane straks blir ført inn i reaktoren slik at kjedereaksjonen stansar. Likevel vil det vere energiutvikling i reaktoren på grunn av sterk radioaktivitet. Temperaturen kan difor fortsetje å stige sjølv om kjedereaksjonen er stansa.

Moderator

Moderator blir brukt i termiske reaktorar for å bremse nøytrona. Bremsinga føregår ved støyt mot lette atomkjernar, og moderatoren må difor innehalde mykje lette atom. Vanleg vatn, tungtvatn og grafitt blir mest brukt. I vanleg vatn er nøytronabsorpsjonen likevel så stor at naturleg uran ikkje kan brukast som brensel. Først ved ein oppriking til 2–3 % 235U vil kjedereaksjonen haldast i gang. Med tungtvatn eller grafitt som moderator kan naturleg uran brukast som brensel. Sidan grafitt er brennbart, vil høvet for brann i reaktorkjernen vere til stades i ein grafittmoderert reaktor.

Kjølemiddel

Kjølemiddel er ein viktig komponent i kvar og ein energiproduserande reaktor. I den primære kjølekretsen blir varmen ført ut frå reaktorkjernen og så overført gjennom ein varmevekslar til eit sekundært kjølesystem der det blir produsert damp som driv turbin og straumgenerator. Kjølemiddelet kan vere gass eller væske. Når vatn blir brukt som moderator, blir det same vatnet som regel òg brukt som kjølemiddel. For å oppnå høg temperatur og med det betre verknadsgrad ved elektrisitetsproduksjon, haldast vatnet under høgt trykk.

Ein skil mellom trykkvassreaktorar, der vatnet sirkulerer under eit trykk på ca 150 atm og med ein utgangstemperatur på over 300 °C, og kokvassreaktorer, der vatnet inne i reaktoren kokar under eit trykk på 70–80 atm og ein temperatur omkring 300 °C. Òg grafittmodererte reaktorar kan vere vasskjølte, men ein gjer dei oftast gasskjølte. Som kjølemiddel brukar ein karbondioksid eller helium. Gasskjølte reaktorar arbeider under eit mykje lågare trykk, 20–40 atm og ved høgare utgangstemperatur, 400–700 °C. Hurtige reaktorar, utan moderator, er freista kjølt med flytande natrium (smeltepunkt 98 °C) som blir oppvarma til 600–700 °C i reaktoren.

Reaktortanken

Reaktortanken som omsluttar dei nemnde komponentane, må kunne motstå høgt trykk og høg temperatur og må ikkje øydeleggjast av den intense nøytronstrålinga som ofte fører til forandring av den kjemiske strukturen og mekaniske eigenskapane til til stoffa. Som regel nyttar ein ein ståltank med 15–20 cm tjukke vegger. For ein 1000 MW reaktor vil tanken ha ein diameter på over 5 meter, høgda kan vere 15–20 meter og vekta over 500 tonn. Utanom reaktortanken blir det bygd veggar som absorberer nøytron- og gammastråling, og alt saman blir bygd i eit tett hus, ein reaktorinneslutning, som skal stoppe kvar og ein lekkasje av radioaktiv gass eller væske.

Tryggleiksinnretningar

Reaktorar samanliknast ofte med kjernevåpen der faren består både i den eksplosive sprengverknaden, den direkte strålinga under eksplosjonen og den langvarige verknaden av radioaktive fisjonsprodukt. I prinsippet blir energi frigjort på same måte i ein reaktor og ei bombe, og både stråling og radioaktive produkt frå reaktoren representerer stor fare. Derimot er faren for ein brå kjernefysisk eksplosjon ved at reaktoren går løpsk, ikkje til stade. Viss kontrollstavane av einkvan grunn skulle bli fjerna, vil reaktoren rett nok bli overkritisk, og reaksjonssnøggleik og temperatur vil stige. Men fordi konsentrasjonen av fissilt material er låg (0,7–3 % i termiske reaktorar, ca 20 % i hurtige, over 90 % i bombar), vil brenselet ikkje eksplodere. Når temperaturen når nokre tusen grader, smeltar reaktorkjernen. Det kan då tenkjast at han smeltar seg gjennom tanken og reaktorinneslutningen, slik at radioaktive stoff treng ut og forgiftar jordbotnen og grunnvatnet. Ei slik ulukke er vorte kalla Kina-syndromet, fordi ein sa at kjernen ville fortsetje å synke til han kom ut på den motsette sida av jordkloten. Kjernesmelting blir rekna som den verst tenkjelege reaktorulukka. Andre faremoment ved reaktorar er lekkasje av radioaktiv gass eller væske etter eksplosjonar eller sprekkdanningar i kjølesystem eller reaktortank.

Reaktorulukker

Det blir rapportert årleg om ei rekkje feil og uhell ved reaktorar. Når dette sjeldan fører til alvorlege ulukker, kjem det av at tryggleiksforskrifter og sikringsmekanismar stort sett er så gode at feil blir oppdaga før det oppstår skadar. Inntil 2011 er det rapportert om fire større reaktorulukker, derav berre éin har medført direkte tap av menneskeliv. Ulukkene i 1979 og 1986 inntrefte som ei følgje av menneskeleg svikt, ved at tryggleiksforskrifter ikkje vart følgt og sikringsutstyr sett ut av funksjon.

I 1954 oppsto det brann i ein grafittmoderert reaktor i Windscale i Nord-England i samband med igangsetjinga av reaktoren. Brannen medførte så store mengder utslipp av 131I at det i nokre veker måtte setjast restriksjonar for bruk av matvarer frå eit nærliggande område for at ikkje fastsette grenser for strålebelastning skulle overskridast.

I mars 1979 svikta pumpene for kjølevatnet til ein lettvannsreaktor på Three Mile Island, nær Harrisburgh i Pennsylvania i USA. Reaktoren stoppa automatisk slik at kjedereaksjonane døydde ut straks pumpene svikta. Men av ein total termisk effekt på 2500 MW kom 200 MW frå radioaktive reaksjonar som fortsette å gå ei tid etter at reaktoren var stansa. Temperaturen i reaktoren fortsette difor å stige i eit par døgn, og så lenge temperaturen steig, var faren for eksplosjon av reaktortanken til stades. Dette kunne har ført til store utslepp av radioaktive produkt. Det vart difor treft tiltak for evakuering av folkesetnaden, utan at dette vart naudsynt. Då trykket i reaktortanken steig, opna nokre tryggleiksventilar seg og radioaktiv gass byrja å sive ut, men i så små mengder at det ikkje representerte nokon fare for folkesetnaden. Ulukka førte likevel til store materielle skadar. Reaktoren var totalt øydelagt. Ved oppreinsinga, som tok 10 år og kosta omkring éin milliard dollar, konstaterte ein ein delvis smelting av brenselstavane.

I april 1986 oppstod det brann i ein grafittmoderert, vasskjølt reaktor i Tsjernobyl i Ukraina i samband med eksperimentering med turbogeneratorane som vart drive av reaktoren. Reaktoren var køyrt ned for årleg vedlikehald og var ikkje i ordinær drift. For å gjennomføre eksperimenta gjekk operatøren utanom dei fastsette rutinane for start av reaktoren, og han kom ut av kontroll. I løpet av fire sekund steig den termiske effekten til over 3200 MW, som han var konstruert for å yte. Sidan kjølinga samstundes var nedsett, fordampa kjølevatnet, og brenselet vart pulverisert i den sterke varmen. Det oppsto ein dampeksplosjon i reaktoren og reaktorbygningen. Dermed fekk grafitten tilgjenge på luft, og det oppsto ein eksplosjonsarta brann. Reaktoren i Tsjernobyl skilde seg frå amerikanske og vesteuropeiske ved at han ikkje var bygd i inneslutningstank. Dette er seinare vorte påbode òg for reaktorar i Russland og andre land i det tidlegare Sovjetunionen. Òg på ei rekkje andre område er det gjort endringar av tryggleiksanordningar og -reglar for å hindre nye ulukker. Sjå òg Tsjernobylulukka.

I mars 2011 vart Japan ramma av eit jordskjelv med påfølgjande tsunami. Fukushima-kraftverket på nordaustkysten av Japan vart ikkje øydelagt av sjølve jordskjelvet, men som følgje av den påfølgjande tsunamien svikta straumforsyninga til anlegget. Dieseldrivne naudaggregat vart òg slått ut av tsunamien, og mangel på kjøling medførte brannar og eksplosjonar i fleire reaktorar. Dette medførte spreiing av radioaktive stoff til omgivnadene. Reaktorane var vorte automatisk avstengt etter jordskjelvet, men sekundærprodusert radioaktivt material i reaktoren medfører energiutvikling og behov for kjøling i lang tid etter at kontrollstavar var sett inn og reaktoren avstengt. I mai 2011 pågjekk enno arbeidet med å kjøle ned reaktorane og avgrense spreiing av radioaktivitet.

På ubåtar
Undervassbåtar med atomreaktor ombord har mellom anna gått ned i 2003 sørvest for Bjørnøya.

Noreg

Det er vorte starta 4 kjernereaktorar i Noreg, 3 av dei på Kjeller i Akershus: JEEP I og NORA vart skifta ut, og JEEP II kom til.

Institutt for Energiteknikk dreiv forskingsreaktoren JEEP II på Kjeller. Etter ei stenging i 2018, vedtok styret i 2019 at reaktoren ikkje skulle starta opp igjen.

Ein kjernereaktorar vart starta i Halden. Halden-reaktoren vart midlertidig stengd då to tryggleiksventila rauk i mars 2018. Tungtvannsreaktoren vart vedteken nedlagt 27. juni 2018.

Sjå òg 
 Kjerneenergi

Kjelder

 reaktor – prosessutstyr. (27.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/prosessutstyr
 reaktor – prinsipp. (28.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/prinsipp
 reaktor – reaktorulykker. (28.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/reaktorulykker
 reaktor – oppbygging. (28.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/oppbygging
 reaktor – sikkerhetsanordninger. (27.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/sikkerhetsanordninger
 reaktor – reaktortyper. (27.02.2013) I Store norske leksikon. Henta frå: http://snl.no/reaktor/reaktortyper

Bakgrunnsstoff
https://snl.no/tungtvannsreaktor

 
Energiomforming
Kjerneteknologi
Energiverkteknologi
Trykkammer
Nøytronkjelder