Kjernekraftverk

I et kjernekraftverk produseres høytrykksdamp ved hjelp av den varmen som oppstår i uranbrenselet. Dampen føres til en turbin som driver en generator. I følge dette prinsippet er et kjernekraftverk et varmekraftverk på samme måte som for eksempel et gasskraftverk.

Kjernekraftverket Pipl-03-TVO

Kjernekraftverk benyttes i dag i første rekke til produksjon av elektrisk energi. Det er imidlertid anlegg i drift og under utvikling der varmen skal utnyttes direkte til fjernvarme, til kombinert fjernvarme/ elektrisitetsproduksjon eller til industriell prosessvarme.

Kjernekraftverket i Lovisa, Finland

I mange land arbeides det med å utvikle reaktorer som kan levere høytemperatur prosessvarme til industrien, for eksempel i forbindelse med produksjon av hydrogen (Mange land satser også på kjernekraft for å redusere utslippene av CO₂

Kjernekraftverk/hovedtrekk

I et kjernekraftverk benyttes forskjellige typer av kjernereaktorer, men de fleste reaktorene som i dag er i drift og under bygging er såkalte termiske reaktorer dvs. at spaltningsreaksjonene er basert på termiske eller modererte (nedbremsete/”langsomme”) nøytroner. 

I en hurtig reaktor er spaltningsreaksjonene basert direkte på de hurtige nøytronene som dannes i spaltningsprosessen. Prinsippet for en termisk reaktor er at de hurtige nøytronene fra spaltningsprosessen avgir det meste av sin bevegelsesenergi til de lette atomene i bremsemediet (moderatoren) før de på nytt forårsaker spaltning.

Siden sannsynligheten for kjernespaltning øker sterkt når nøytronenergien avtar, blir det mulig å holde kjedereaksjonen i gang selv med ganske lave konsentrasjoner av isotopen uran-235 i brenselet.

I de såkalte lettvannsreaktorene er det ”vanlig vann” eller lettvann (i motsetning til tungtvann) som virker som moderator eller bremsemedium for nøytronene. I en slik reaktor kan kjedereaksjonen holdes i gang med ca.3 % uran-235 i brenselet, resten består av uran-238. Siden naturlig uran inneholder kun 0,7 % uran-235, må brenselet først anrikes, dvs. at konsentrasjonen av uran-235 må økes på bekostning av uran-238. Anvendes derimot tungtvann som moderator kan brenselet være naturlig uran.

Under drift produserer uran-235 i brenselet energi og omdannes til spaltningsprodukter. En liten del av isotopen uran-238 omdannes til plutonium, som også produserer energi. I brukt brensel finner vi, avhengig av anrikningsgraden, nærmere 96 % uran-238 og ca. 3 % spaltningsprodukter samt til sammen drøyt 1 % spaltbart uran og plutonium.

De termiske reaktorene deles gjerne inn i to hovedgrupper: vannkjølte/vannmodererte reaktorer og gasskjølte/grafittmodererte reaktorer. I tillegg finnes det visse mellomtyper, som f.eks. den russiske vannkjølte/grafittmodererte reaktoren (Tsjernobyl-type).

De fleste reaktorene som i dag er i drift er vannkjølte/vannmodererte -lettvannsreaktorer (Light Water Reactor-LWR). Denne bygges i to varianter, kokvannsreaktoren (Boiling Water Reactor-BWR) og trykkvannsreaktoren (Pressurized Water Reactor-PWR). I dag dominerer trykkvannsreaktorene.

Se figurer (pdf) kjernespalting, kokvannsreaktor og trykkvannsreaktor.

De siste nyheter relatert til status om kjernekraftverk finnes her på nettstedet til IAEA.

De viktigste komponentene i en kjernereaktor er:

• brensel (spaltbart materiale)
• kontrollstaver
• moderator
• kjølemiddel

Brenselet finnes i form av små briketter av uran-dioksid (UO₂) med en diameter på ca. 1 cm. Disse brikettene er innesluttet i ca. 4 m lange gasstette brenselstaver.

Brenselstavene er satt sammen til brenselelementer. I en reaktor finnes flere hundre brenselelementer. Figuren viser en brenselstav fra en lettvannsreaktor

Kontrollstavene regulerer reaktoreffekten. Kontrollstavene består av et materiale som absorberer nøytroner effektivt, f. eks. bor eller kadmium. Reaktoreffekten varieres ved å føre kontrollstavene inn og ut av reaktorkjernen.

Moderatoren bremser ned de hurtige nøytronene som dannes i spaltningsprosessen slik at de lettere fanges inn av nye urankjerner. Moderatoren består av et materiale med lav atomvekt, f. eks. lettvann eller tungtvann, eller grafitt.

Kjølemiddelet skal føre bort den varmeenergien som produseres i brenselet. Kjølemiddelet kan være lettvann, tungtvann eller en gass, f. eks. karbondioksid eller helium. I de såkalte hurtige breeder-reaktorene (formeringsreaktorene) anvendes gjerne et flytende metall som kjølemiddel. I en lettvannsreaktor har vannet en dobbeltfunksjon, som kjølemiddel og som moderator.

Reaktorkjernen, kontrollstavene og moderatoren/kjølemiddelet er innelukket i en reaktortank. Denne tanken kan være av stål eller betong. Fra reaktortanken føres det oppvarmede kjølemiddelet som damp til turbinen ( kokvannsreaktor), eller som vann til en dampgenerator der dampen til turbinen produseres (trykkvannsreaktor).

Store deler av et kjernekraftanlegg bygger på konvensjonell teknikk. Den egentlige kjerneteknikken finner vi i den energiproduserende delen av anlegget, dvs. selve reaktortanken med reaktorkjernen og tilhørende systemer. Disse komponentene skal fungere i et strålingsmiljø, noe som setter spesielle krav til konstruksjonsmaterialer og tekniske løsninger.