Energie & reactoren

Kernreactoren

Kerncentrale in Doel

De bekendste toepassing van kernenergie is de productie van elektriciteit in kerncentrales. Met de warmte die vrijkomt bij de splitsing van atoomkernen wordt stoom gemaakt. Deze stoom drijft een turbine aan die gekoppeld is met een generator voor de productie van elektriciteit. Kernreactoren worden ook gebruikt in vliegdekschepen, ijsbrekers en onderzeeërs.

De mogelijkheden om een kernreactor als energiebron in ruimtetuigen te gebruiken worden nog altijd verder onderzocht.

In Japan en Kazachstan heeft men aangetoond dat de warmte, opgewekt in commerciële kernreactoren, kan gebruikt worden om drinkwater uit zeewater te halen (ontzilten).

Kerncentrales die naast elektriciteitsproductie ook voor stadsverwarming zorgen, vinden we vooral in Oost-Europa en de Russische Federatie, maar ook in China en Zwitserland.

Productie van electriciteit in een kerncentrale

In een kerncentrale wordt energie geproduceerd door kernsplitsing. Hiervoor is brandstof nodig: uranium of plutonium.

Natuurlijk uranium komt voor in de aardkorst in bepaalde ertsen of mineralen. Die kan men o.a. vinden in Canada, Zuid-Afrika, Australië en Congo. Natuurlijk uranium is ongeschikt als splijtstof (de brandstof) voor de Belgische kernreactoren. Het bevat maar 0,72 % van het goed splijtbare isotoop uranium-235 ( ²³⁵U).

Om als splijtstof te kunnen dienen moet het gehalte aan ²³⁵U verhoogd worden tot ongeveer 4 à 5 %. Dit noemt men verrijking. Dit proces gebeurt in daarvoor speciaal ontworpen fabrieken. Bij splitsing van ²³⁵U komt ongeveer 1 à 2,5 miljoen keer zoveel energie vrij als bij verbranding van een vergelijkbare hoeveelheid fossiele brandstof.

De werking van een kernreactor

In het reactorvat van een Belgische kerncentrale zit water rond de uraniumstaven (splijtstofelementen). Dat water wordt verwarmd door de energie die vrijkomt door de kernsplijtingsreactie. De temperatuur bereikt ongeveer 300°C, maar door de grote druk gaat het water net niet koken. Dit is het primaire circuit.

Het primaire water wordt door dunne buisjes langs het tweede, secundaire circuit gepompt in de warmtewisselaar/stoomgenerator. Het secundaire water wordt hierdoor opgewarmd. Het staat onder minder hoge druk en gaat daarom wel koken en daarbij komt stoom vrij. De stoom blaast tegen een turbine die vast zit aan een enorme dynamo. Die werkt net als een fietsdynamo, alleen is de dynamo in de centrale zo groot als een huis. Uit die dynamo komt stroom en die stroom gaat via verdeelpunten naar de stopcontacten in de huizen.

Om de kernreactie in de hand te houden worden controlestaven gebruikt. Deze staven hebben de eigenschap om neutronen sterk te absorberen. De geabsorbeerde neutronen kunnen dan geen kernsplitsing meer veroorzaken. Dergelijke staven worden ook gebruikt als er een noodstop van de reactor moet plaatsvinden.

Men heeft ook een moderator nodig, dat is een stof die snelle neutronen afkomstig van kernsplijtingen afremt. Afgeremde neutronen splijten een uraniumkern gemakkelijker dan snelle neutronen. In Belgische centrales, speelt het water van het primaire circuit ook de rol van moderator.

Naar boven

De splijtstofcyclus

1. Ontginning van uraniumerts

2. Verwerking en verrijking van het uranium
In natuurlijk uranium dat ontgonnen wordt, is de hoeveelheid splijtbaar ²³⁵U te weinig om een watergekoelde reactor kritisch te krijgen (0,7 %). Om meer ²³⁵U in het uranium te krijgen, wordt dit verrijkt tot 4 à 5 % voor het gebruik in kerncentrales.

3. Fabricage van splijtstof
De omzetting naar uraniumdioxide, de vervaardiging van splijtstofstaven (dat zijn dichtgelaste metalen buizen gevuld met splijtstoftabletten) en de assemblage van splijtstofelementen (een uit meerdere splijtstofstaven samengestelde constructie).

4. Kerncentrale
De splijtstofstaven blijven 4 jaar in de reactor voor de productie van elektriciteit. De kern van een typische Belgische reactor van 1 000 MW bevat ongeveer 80 ton uraniumsplijtstof. De bestraalde splijtstof blijft na gebruik tijdelijk opgeslagen op de vestigingsplaatsen van de kerncentrales in afwachting van transport naar de opwerkingsfabriek of naar een centrale stockageplaats.

5. Opslag
Het opwerkingsafval wordt tijdelijk opgeslagen bij Belgoprocess in Dessel. De niet- opgewerkte bestraalde splijtstof blijft op de vestigingsplaatsen van de centrales of gaat in een toekomstige centrale stockageplaats in afwachting van de definitieve berging in geologische lagen.

Optioneel

6. Transport naar de opwerkingsfabriek

7. Opwerkingsfabriek
Bij opwerking wordt de bestraalde splijtstof gescheiden in het overblijvende uranium (96 % van het totaal), het gevormde plutonium (1 %) en het afval (3 %), gevormd door het splijten van uraniumatomen.
In de MOX-fabriek recycleert men het plutonium in de vorm van mengoxidebrandstof, MOX-brandstof. MOX is een mengsel van verarmd uranium (92 %) en plutonium (8 %).

Open of gesloten splijtstofcyclus

Het al dan niet recycleren van de gebruikte splijtstof bepaalt of de splijtstofcyclus open of gesloten is. In de gesloten cyclus werkt men de gebruikte splijtstof op om er nog splijtbaar materiaal uit te halen (uranium en plutonium). In de open cyclus recycleert men niet en slaat men dus punten 6 en 7 over.

Naar boven