Atomreaktor: Hvordan virker den? Definition, brug og sikkerhed

Atomreaktor: Lær, hvordan den virker, hvilke brændsler og anvendelser den har, samt sikkerheds-, ulykkes- og affaldsudfordringer ved kernekraft.

En atomreaktor er en maskine, der bruger spaltning til at generere varme. Der findes forskellige konstruktioner, som anvender forskellige brændsler. Oftest er uran-235 eller plutonium-239 hovedbestanddelene i disse brændsler.

Hvordan virker en atomreaktor?

Kort fortalt frigiver en fissionsproces neutrons og energi, når tunge atomkerner spaltes. For at få en kontrolleret og vedvarende energi­produktion skal denne kædereaktion styres. De vigtigste komponenter i en kommerciel reaktor er:

• Brændselsstave: Indeholder det fissile materiale (f.eks. uran), arrangeret i stavform.
• Moderator: Et materiale (ofte vand eller tungt vand), der sænker neutronernes hastighed, så spaltningen fortsætter effektivt.
• Styringsstænger: Absorberer neutrons og kan føres ind i eller ud af reaktorens kerne for at regulere reaktionshastigheden eller slukke reaktoren (SCRAM).
• Kølesystem: Fjerner varmen fra reaktorkernen og fører den til en varmeveksler eller direkte til en turbine. Kølemidlet kan være almindeligt vand, tungt vand, gas eller flydende metal.
• Indkapsling/containment: En robust bygning eller struktur omkring reaktoren, som skal forhindre udsivning af radioaktivt materiale ved fejl.

Varmen fra reaktorkernen bruges i de fleste kraftværker til at opvarme vand til damp. Som teksten nedenfor beskriver, omdannes denne damp til mekanisk energi i turbiner, som igen driver generatorer og producerer elektricitet.

De fleste atomreaktorer bruges til at producere elektricitet. I kernekraftværker omdanner varmen fra fissionsreaktionerne i reaktoren vand til damp. Dampen bruges derefter til at drive elektriske turbiner, som producerer elektricitet. Som med andre dampmaskiner tager turbinerne energi fra dampens bevægelse.

Typer af reaktorer

Der findes flere hovedtyper af reaktorer, designet til forskellige formål og driftsforhold:

• Trykvandsreaktor (PWR): Bruger almindeligt vand som moderator og kølemiddel; vandet holdes under højt tryk, så det ikke koger.
• Kogevandsreaktor (BWR): Vandet koger direkte i reaktorkernen, og dampen ledes til turbinerne.
• Tungtvandsreaktor (CANDU): Bruger tungt vand som moderator, kan køre på naturligt uran.
• Hurtigreaktorer / breeder-reaktorer: Bruger hurtige neutroner og kan producere mere fissilt materiale (f.eks. plutonium) end de bruger.
• Forskningsreaktorer: Mindre systemer, optimeret til neutronproduktion til materialeforskning og isotopfremstilling.
• Små modulære reaktorer (SMR): Nye design med mindre enheder, der kan masseproduceres og forventes at have forbedrede sikkerhedsegenskaber.

Nogle reaktorer anvendes til andre formål. Nogle reaktorer fremstiller neutroner til videnskabelig forskning, mens andre fremstiller radioaktive isotoper. Nogle universiteter har små atomreaktorer for at lære de studerende, hvordan reaktorer fungerer.

Historie og udvikling

Den første atomreaktor blev bygget i 1942 af et hold forskere under ledelse af Enrico Fermi. Dette var en del af Manhattan-projektet, som havde brug for brændstoffet fra reaktoren til at lave atombomben. Den første atomreaktor, der producerede elektricitet, var en lille forsøgsreaktor, der blev bygget i Idaho i 1951. Den producerede lige nok elektricitet til fire lyskugler.

Sikkerhed, affald og økonomi

Det er dyrt at bygge atomreaktorer på grund af de mange sikkerhedsfunktioner, de skal have. Investeringen ligger i anlægget, omfattende sikkerhedsanordninger, personaleuddannelse og regulering. På den anden side kan driftsomkostningerne være lave, og reaktorer kan levere stort og stabilt energioutput over mange år.

Et af de største udfordringer er håndtering af radioaktivt affald fra brugte brændselsstave. Metoder til midlertidig og langsigtet håndtering omfatter:

• Spildbassiner: Koldt vand bruges først til at afkøle og afskærme brugt brændsel.
• Tør opbevaring (tørcasker): Efter nogle år i bassin kan brændslet flyttes til lufttætte metallic/konkret-beholdere.
• Genanvendelse/reprocessering: Nogle lande adskiller anvendte brændselskomponenter for at genbruge fissilt materiale.
• Dybdeoplag: Langtidsplaner omfatter geologiske depoter, der skal lagre højaktivt affald sikkert i tusinder af år.

Regulering, overvågning, nødberedskab og uddannelse af personale er centrale elementer i at reducere risici. Moderne reaktordesign fokuserer i stigende grad på passive sikkerhedssystemer, som kræver få eller ingen aktive indgreb for at forhindre ulykker.

Der er også et problem med den store mængde radioaktivt affald fra reaktorerne. Men de producerer elektricitet billigt og forurener ikke luften. Der har været alvorlige ulykker på flere atomreaktorer: Windscale (Det Forenede Kongerige) 1957, Mayak (Sovjetunionen) 1957, Three Mile Island (USA) 1979, Tjernobyl (Sovjetunionen) 1986 og Fukushima (Japan) 2011. Bekymringerne for sikkerheden har begrænset væksten i kernekraften. Der findes ca. 437 reaktorer rundt om i verden, som leverer ca. 5 % af verdens elektricitet.

Konsekvenser af ulykker og læring

De nævnte ulykker har haft forskellige årsager og konsekvenser:

• Windscale og Mayak var primært industrielle uheld med lokal kontaminering og sundheds- og miljøpåvirkninger.
• Three Mile Island var en delvis nedsmeltning uden store direkte dødelige følger, men førte til skærpet regulering og mistillid i offentligheden.
• Tjernobyl var en fuldstændig nedsmeltning og eksplosion, som førte til mange dødsfald og langvarig radioaktiv forurening over store områder.
• Fukushima blev udløst af et jordskælv og en efterfølgende tsunami, hvilket blokerede kølesystemer og førte til nedsmeltninger og udslip; det understregede behovet for ekstreme naturkatastrofer i designovervejelser.

Hver ulykke har ført til forbedringer i design, nødberedskab og regulativer. Internationale organer som IAEA arbejder for at sprede bedste praksis og sikkerhedsstandarder.

Nutid og fremtid

I dag er der over 400 kommercielle reaktorer i drift verden over, og de står for en væsentlig del af den stabiliserede lavemissions-elproduktion (omkring 10 % af verdens elektricitet afhængig af opgørelsesmetode og år). Der forskes i nye koncepter som små modulære reaktorer (SMR), avancerede hurtigreaktorer og bedre brændselscyklusser for at forbedre sikkerhed, økonomi og håndtering af affald.

Afsluttende bemærkninger

Atomreaktorer er komplekse maskiner, der kan levere store mængder stabil energi uden forbrænding og luftbårne emissioner, men de stiller også krav til sikker konstruktion, drift og langtidsplanlægning for affald og beredskab. Debatten om kernekraftens rolle i fremtidens energisystem balancerer disse fordele og udfordringer i forhold til klima-, sikkerheds- og økonomiske hensyn.

Spørgsmål og svar

Spørgsmål: Hvad er en atomreaktor?

Spørgsmål: Hvordan producerer en atomreaktor elektricitet?

Spørgsmål: Hvilke andre formål tjener nogle reaktorer?

Spørgsmål: Hvem byggede den første atomreaktor?

Sp: Hvornår blev den første atomreaktor brugt til at producere elektricitet?

Spørgsmål: Hvorfor er de dyre at bygge?

Spørgsmål: Hvilke problemer opstår der ved at bruge dem?

Søg efter bogstav