Kernenergie

TERUGHome.html
Kernenergie - Kernreactors

Kernenergie - Kernreactors

Een kernreactor dient voor het omzetten van kernenergie in warmte-energie. Atoomkernen zijn opgebouwd uit de elementaire bouwstenen protonen en neutronen, die respectievelijk positief geladen en ongeladen (neutraal) zijn. Deze zogenaamde nucleonen (kerndeeltjes) worden door zeer sterke aantrekkingskrachten in de kern bijeengehouden. Omdat bij zwaardere kernen de onderlinge afstoting van de protonen een belangrijke rol gaat spelen, is de samenhang ervan minder stevig en zijn ze minder stabiel dan lichte kernen. Dit maakt het mogelijk om zware kernen, bijvoorbeeld uranium 235, te splitsen door ze met vrije neutronen te beschieten, zoals in fig. 1 is weergegeven. Een getroffen uranium 235-kern raakt daarbij in trilling, en deze vibraties kunnen zo heftig worden dat de kern in verschillende delen, bijvoorbeeld een barium- en een kryptonkern uiteenvalt.

Fig. 1 Splijting van een uranium-235-kern door een neutron

De splijtingsproducten vliegen met een grote snelheid uiteen en stoten ergens in de reactor op andere deeltjes, waar ze hun kinetische energie (= bewegingsenergie) als warmte aan afgeven. Hiermee is de omzetting van kernenergie in warmte een feit. Naast de splijtingsproducten en de warmte komen bij de uraniumsplijting bovendien nog twee neutronen vrij, die weer kunnen dienen om andere uraniumatomen te splijten. Zo verkrijgt men dan de kettingreactie die in fig. 2 is voorgesteld : het van links komende komende neutron treft de U-235-kern, vormt kortstondig het tussenprodukt uranium 236 dat echter spontaan uiteenvalt, in dit geval in strontium en xenon, waarbij drie neutronen overblijven. Om deze drie neutronen, die met grote snelheid uit de oorspronkelijke kern treden, voor nieuwe splijtingen te kunnen gebruiken moeten ze worden afgeremd. Langzame neutronen zijn namelijk veel effectievere kernsplijters omdat de interactietijd tussen kern en neutron veel langer is dan bij snelle neutronen, die te kort in de omgeving van de kern blijven om er een splijtingsreactie te kunnen veroorzaken. Men remt de neutronen af door ze het grootste deel van hun energieke laten verliezen bij botsingen met lichte atomen, die voor dit doel altijd in grote hoeveelheden in een reactor worden toegepast. Met name water en grafiet bestaan uit zulke lichte atomen. De zo afremde neutronen kunnen dan weer andere U-235-kernen splijten. Doordat bij elke splijting nieuwe neutronen vrijkomen kan de kettingreactie steeds voortgaan en de reactor continu energie blijven leveren.

Fig. 2 Kettingreactie en afremming van de neutronen

In fig. 3 is een schema van een met water onder druk werkende reactor weergegeven. De eigenlijke reactor, het hart of de 'core', is links in de tekening afgebeeld. Het uranium bevindt zich in de vorm van metalen staven in een met water gevuld vat, waar de splijting in plaats vindt. De hierbij vrijkomende neutronen diffunderen uit het uranium in het omgevende water, waarin ze ten gevolge van veelvuldige botsingen met de lichte waterstof- en zuurstofatomen worden afgeremd. Als langzame neutronen treffen ze dan met een bepaalde waarschijnlijkheid weer een uraniumstaaf, waar ze een nieuwe splijting teweeg brengen. De hierbij gevormde splijtingsproducten geven hun energie als warmte via het omgegevende uranium af aan het water, dat wordt rondgepompt en dat zijn warmte in een warmtewisselaar overdraagt op een normale secundaire warmtekringloop. Om zowel het uitdoven als een catastrofale, lawine achtige verhitting van de reactor te voorkomen moet de neutronenhuishouding zeer exact in de hand gehouden worden. Men doet dit met regelstaven, die bestaan uit een neutronenabsorberend materiaal en over een instelbare diepte in het reactorhart reiken. De diepte moet juist zo groot zijn, dat er per splijting gemiddeld maar één neutron voor een nieuwe splijting overblijft. Omdat de splijtingsproducten in de regel sterk radioactief zijn, is het noodzakelijk om de reactor te omgeven met een dikke betonnen afscheming. In de kokendwaterreactor fig. 4 gebeurt de verdamping van het water in de reactor zelf, de overhitting van de stoom vindt meteen in de primaire kringloop plaats, zodat een warmtewisselaar in principe overbodig is.

Fig. 3 Schema van een reactor met water onder druk

Fig. 4 Schema van een kokend-waterreactor

Drukwaterreactor


Drukwaterreactor (PWR, afkorting van Pressurized Water Reactor). De PWR is een eenvoudige thermische reactor waarin water tegelijkertijd als koelmiddel en als moderator (d.w.z. als neutronenremstof) dienst doet. De druk in de primaire kringloop en de daardoor veroorzaakte kookpuntsverhoging is zo groot dat er in de reactorkern geen stoomvorming kan optreden. De grootte van de druk en de daarvan afhankelijke maximumtemperatuur wordt begrensd door de technische realiseerbare afmetingen van het reactorvat. Als koelmiddel worden zowel gewoon water (H2O) als zwaar water (D2O) toegepast. Het water van de primaire kringloop wordt continu rondgepompt, waar ze met behulp van een turbine en een generator in elektrische energie wordt omgezet. Een voorbeeld van dit reactortype is de kerncentrale in Obrigheim aan de Neckar in West-Duitsland, die bij een thermisch vermogen van 907,5 MW een elektrisch vermogen van 283 MW levert. (fig. 5) De reactorkern is ingebouwd in een drukvat met een inwendige diameter van 3,27 m, met twee buisaansluitingen voor de toe- en afvoer van het koelwater. Het binnenkomende water wordt via een ringvormige spleet naar het onderste deel van het drukvat geleid, en doorstroomt dan de kern van beneden naar boven. Bij de ingang heeft het koelwater een temperatuur van 283°C; in de reactor wordt het 27°C verwarmd, zodat de uitgangstemperatuur 310°C bedraagt. In het stoomaggregaat wordt verzadigde stoom van 50 at en 263°C opgewekt. Als ´brandstof´ wordt in dit geval zwak verrijkt uraniumoxide (met gemiddeld 3% U-235) gebruikt, dat in gasdicht afgesloten zircaloyhuizen is ´verpakt´. 180 van dergelijke splijtstofstaven zijn tot één splijtstofelement verenigd, en de gehele reactorkern telt 121 van dergelijke elementen. Voor het regelen van de activiteit op korte termijn beschilt men over 27 gelijkmatig over de reactorkern verdeelde regelstaven, die van boven af in de kern steken en waarvan men de hoogte kan variëren. Voor het instellen van de voor grote activiteit vereiste hoge begintemperatuur en voor de regeling op lange termijn wordt de boriumconcentratie in het koelmiddel veranderd.


Drukwaterreactor met buizen


Een zeer interessante en veelbelovende versie van de PWR is die met buizen. Het drukvat wordt hierbij vervangen door parallel verlopende perspijpen, waar het koelmiddel doorheen stroomt. In deze buizen bevinden zich de splijtstofelementen; aan de buitenzijde zijn ze door de moderator omgeven. Aangezien moderator en koelmiddel ruimtelijk van elkaar gescheiden zijn, kan men voor de moderator een veel lagere druk en temperatuur aanhouden dan voor het koelmiddel. Verder kan bijna altijd elk willekeurig koelmiddel worden toegepast, en ook in de keuze van de maximale temperatuur van het koelmiddel is men op deze manier vrij. In het AKB-project van Siemens, dat ontwikkeld is uit een zwaar-water-reactor met buizen, wordt bijv. koolstofdioxide als koelmiddel gebruikt. De uitgangstemperatuur ligt zo hoog dat de temperatuur van de geproduceerde stoom bij deze 100 MW (elektrisch)-kerncentrale 530°C bedraagt, en de druk 105 at. Hierdoor is het mogelijk om voor de krachtopwekking moderne stoomturbogeneratoren te gebruiken. Als moderator past men in dit geval zwaar water toe; dit omgeeft de perspijpen en wordt contunu rondgepompt en gekoeld (fig. 6). In tegenstelling tot de Franse en Canadese constructies van hetzelfde type zijn de 351 koelkanalen hier verticaal geplaatst. In het bereik van de splijtingszone bestaan ze uit 2,7 mm dik zircaloz. De bovenste en onderste verlengstukken van de koelbuizen zijn van staal. Elke perspijp bevat één splijtstofelement, dat uit 19 splijtstofstaven is opgebouwd. De splijtstofstaven bestaan uit UO2-tabletten van minimaal verrijkt uranium in dunwandige stalen hulzen. (UO2 = uraniumoxide) Het bijregelen van de drukwater reactor met buizen geschiedt door het verhogen of verlagen van de moderatorspiegel. Het koelmiddel zwaar water staat hiertoe door middel van gecomprimeerd helium onder een geringe druk.

Fig. 5 Doorsnede van een drukwaterreactor

Kokend-waterreactor


(BWR, afkorting van Boiling Water Reactor) De kokend-waterreactor is genoemd naar de fasewisseling die het koelmiddel in dit type ondergaat. Wat de constructie betreft, wijkt dit type weinig af van drukwaterreactor. Het koelmiddel dient ook hier als moderator en de toegepaste splijtstofelementen vertonen een vergaande overeenkomst. Het reactorvat bezit in de regel boven de waterspiegel een stoomdom met contructies die de fasescheiding bevorderen en verhinderen moet dat grote hoeveelheden water uit de vloeibare fase met de stoom worden meegezogen; verder zorgt deze stoomdom voor het opvangen van kleine drukschommelingen. Als koelmiddel en moderator gebruikt men H2O (water), maar het is in principe ook mogelijk om D2O (zwaar water) te nemen. De reactor levert normaliter verzadigde stoom die hetzij rechtstreeks naar de turbine hetzij naar een stoomomvormer wordt geleid om daar secundaire stoom op te wekken. Al naar gelang er tussen reactor en turbine een hoofdwarmtewisselaar is opgesteld welke de totale energie overdraagt, spreekt men van een directe of indirecte kringloop. In fig. 4 is een installatie met directe kringloop getekend. Binnen de reactorkern stroomt het water, later stoomwatermengsel, van onderen naar boven. Na de scheiding van de beide fasen boven de kern wordt de verzadigde stoom direct naar de turbine geleid, terwijl de vloeibare fase via een cillindrische ommanteling naar beneden stroomt. Daar wordt aan het reservoir een hoeveelheid voedingswater toegevoegd die overeenkomt met de hoeveelheid opgewekte verzadigde stoom. De dynamische eigenschappen van het type kunnen verbeterd worden door de zgn. tweekringsysteem toe te passen. De waterafscheider ontvangt uit het drukvat een mengsel van stoom en water, waarvan de stoom via een afsluiter naar de turbine wordt gevoerd en het afgescheiden water met een pomp via de warmte wisselaar naar de reactorketel teruggeleid wordt. (fig. 6) Aan de secundaire kant van de warmtewisselaar wordt lage-drukstoom opgewekt, die via een afsluiter eveneens naar de turbine gaat. In Gundremmingen (BRD) werkt de kerncentrale volgens dit systeem; deze reactor levert bij 801 MW thermisch vermogen een elektrisch vermogen van 237 MW.

Fig. 6 Stromingsschema van een kokendwaterreactor met primaire en secundaire kringloop

Oververhitte-stoomreactor


Bij de kokend-waterreactor beschilt men over de mogelijkheid om de opgewekte verzadige stoom nog verder te verhitten door deze terug te voeren naar de reactorkern om daar opnieuw een hoeveelheid warmte op te nemen. Op deze manier kan men tot stoomtemperaturen en rendementen komen zoals die bij conventionele stoomgeneratoren (met bijv. kolen) gebruikelijk zijn. In tegenstelling tot de splijtstoflading van de kokend-waterreactor, die uit een aantal gewone splijtstofelementen is opgebouwd, bestaat de lading van de oververhitte-stoomreactor uit buizen met een dubbele wand, waartussen de splijtstof is opgesloten. Het geheel van 8 bij 8 buizen is precies als bij de kokend-waterreactor in een drukvat ondergebracht. Aan de buitenzijde worden de buizen gekoeld door kokend water, waarbij de verzadige stoom vrijkomt. Deze verzamelt zich boven de waterspiegel en wordt vandaar via een ringvormig verdeelstuk naar de buitenste buizen geleid, om er oververhitte stoom van te maken. De stoom wordt vervolgens door het inwendige van de buizen in eerste instantie naar beneden, naar de onderzijde van de kern geleid, waarbij ze de splijtstofelementen koelt en zodoende oververhit wordt. Aan de onderzijde van de kern wordt de stoom teruggeleid om bij de tweede passage door andere buizen naar boven te stromen. Hierbij treedt nog een verdere oververhitting op. De oververhitte stoom vloeit vervolgens via de binnenste van twee concentrisch geplaatste leidingen (de buitenste is voor de toevoer van de verzadigde stoom, zie fig. 7. Vandaar loopt een leiding naar de turbine (fig. 7). Bij de getekende installatie moet de stoom wegens het geringe vermogen van de reactor viermaal door de kern worden gevoerd; bij grotere installaties van dit type zal men voor het bereiken van de gewenste stoomtemperatuur wel kunnen volstaan met de stoom tweemaal door de reactorkern te voeren.

Fig. 7 Splijtstoflading van een oververhitte-stoomreactor (schematisch)

Gasgekoelde reactor (Calder Hall-type)


De reactor met gaskoeling van het Calder Hall-type behoort met de kokendwater-reactor en de drukwaterreactor tot de uitvoeringen die hun waarde in de praktijk hebben bewezen. Als splijtstof gebruikt men bij het Calder Hall-type natuurlijk uranium, als moderator grafiet en als koelgas koolstofdioxide (CO2). Het schema ervan is in fig. 8 afgebeeld. De reactorkern bestaat uit een groot cilindrisch blok grafiet met een aantal kanalen. De staafvormige splijtstofelementen zijn zo in een deze kanalen opgehangen dat tussen kanaalwand en splijtstofelement een spleet vrij blijft waar het koelgas doorheen stroomt. De hoeveelheid warmte die het gas in de reactorkern opneemt, wordt in een buiten het drukvat opgestelde warmtewisselaar overgedragen aan een secundaire water-stoomkringloop. Hierin wordt verzadigde stoom opgewekt waarmee een speciale turbine wordt aangedreven (fig. 9). Koeling met gas heeft het voordeel boven vloeistofkoeling dat men geen last heeft van corrosieproblemen. Een nadeel is echter de grote hoeveelheid energie die nodig is om door blazers het koelgas rond te voeren. Om dit verlies te reduceren kan men de gasdruk opvoeren, waaraan echter grenzen zijn gesteld door de maximaal toelaatbare belasting van het drukvat.


De Calder Hall-reactor levert bij een thermisch vermogen van 180 MW een elektrisch vermogen van 34,5 MW. De inwendige diameter van het drukvat bedraagt 11,3 m, de hoogte 21,8 m en de wanddikte circa 50 mm. Binnen dit drukvat is op een rooster het uit 58.000 blokken opgebouwde grafietlichaam geplaatst met daarin 1696 verticaal verlopende splijtstofkanalen. De splijtstofelementen bestaan uit natuurlijk uranium, opgesloten in een magnesium huls met spiraalvormige ribben. Het koelgas stroomt in de kanalen langs de splijtstofelementen cirkelend naar boven. De uraniumstaven hebben een diameter van circa 30 mm en een lengte van circa 1 m. De reactor wordt bestuurd door 160 regelstaven die van boven af in de kern steken en waarvan men de hoogte kan regelen. Het koelgas staat onder een druk van 6,8 at. De ingangstemperatuur van het koelgas is 140°C, bij het verlaten van de kern is deze temperatuur gestegen tot 345°C. Na Calder Hall zijn er nog andere krachtcentrales van hetzelfde type gebouwd, waarbij men de gasdruk geleidelijk tot 28 at en de uitgangstemperatuur van het koelgas tot 414°C heeft opgevoerd. Bij de laatste twee centrales is het drukvat niet meer uit staal maar uit voorgespannen beton vervaardigd.

Fig. 8 Stromingsdiagram van een gasgekoelde reactor van het type Calder Hall

Fig. 9a Doorsnede van de Calder Hall-reactor

Fig. 9b Bovenzicht van de Calder Hall-reactor

Gasgekoelde reactor met hoge werktemperatuur AGR, Advanced Gas-Cooled Reactor


De AGR is een verdere ontwikkeling van het Calder Hall-type, die gekenmerkt wordt door een verhoging van de koelmiddeltemperatuur van 414°C tot meer dan 600°C. Hierdoor wordt het mogelijk om de verse stoom een temperatuur en druk te geven die niet onderdoen voor de waarden daarvan bij conventionele krachtcentrales. Het bereiken van deze hoge temperaturen is mogelijk geworden door het gebruik van gesinterd UO2 als splijtstof en corrosiebestendig staal als materiaal voor de splijtstofhulzen. Het eerste grote krachtstation van dit in Engeland ontwikkelde type is de centrale in Dungeness, die een elektrisch vermogen van 1200 MW heeft, dat geleverd wordt door twee reactoren resp. twee turbogeneratoren. De reactor met kern, koelgasblazer en warmtewisselaar is ondergebracht in een cilindrisch drukvat van voorgespannen beton (fig. 10). De constructie van de reactorkern is gelijk aan die van het Calder Hall-type; de kern is omgeven door een stalen tank die coaxiaal in het drukvat is gezet. Dete stalen tank verdeelt het inwendige van het drukvat in een ´koude´ en een ´warme´ afdeling. In de ringvormige ruimte tussen de stalen tank en de cilindrische betonnen ommanteling van het drukvat zijn vier parallelgeschakelde warmtewisselaars geplaatst waarin stoom wordt geproduceerd. Onder elke warmtewisselaar bevindt zich een blazer voor het koelgas. Het geheel van grafietblokken wordt gedragen door een stalen constructie die in de betonnen bodem van het drukvat is verankerd. Als koelgas gebruikt men bij de AGR weer CO2. Het koude gas wordt door de vier blazers van de vier warmte wisselaars aangezogen en naar een ringvormig kanaal aan de onderzijde van de tank gevoerd. Vandaar stroomt het door openingen in de tankwand via de ringvormige spleet tussen tank en reactorkern naar boven. Voor de koeling van de moderator voert men het dan eerst naar beneden, om dan vanuit de ruimte onder de reactor langs het rooster (voor de grafietblokken) en de splijtstofelementen weer omhoog te stromen. Bij het binnengaan van de koelkanalen bedraagt de temperatuur van het koelgas 318°C, terwijl de uitgangstemperatuur 675°C is. De afkoeling geschiedt in de vier warmtewisselaars, die van boven naar beneden doorlopen worden. De hoogste gasdruk is 34,3 at. Als splijtstof gebruikt men keramisch uraniumoxide met een verrijkt U-235-gehalte van 1,47% à 1,76%. Als materiaal voor de hulzen heeft men roestvrij staal gekozen. Elk element bestaat uit 36 binnen een grafiethuls opgesloten splijtstofstaven. De elementen kunnen tijdens het bedrijf met een hijsinstallatie worden verwisseld via standpijpen op het drukvat welke toegang bieden tot elk afzonderlijk splijtstofelement. Voor de regeling beschikt men over 53 regelstaven die van boven af in de kern steken en waarvan men de hoogte kan variëren.



Hoge-temperatuurreactor HTGR, High Temperature Gas-cooled Reactor


De hoge-temperatuurreactor met gaskoeling en grafiet als moderator is in wezen ook een ontwikkeling van het Engelse Call Hall-type. Kenmerkend voor dit type zijn de toepassing van koolstofdioxide als koelgas en het gebruik van splijtstofelementen met een metalen omhulling; de vermogensdichtheid ervan ligt omstreeks bij 1 MW/m3. Kenmerkende voor de HTGR zijn het gebruik van helium als koelgas, het gebruik van splijtstofelementen zonder metalen omhulling en vermogensdichtheden tot 10 MW/m3. De koelgastemperaturen liggen bij deze reactor boven 700°C, zodat men voor de stroomopwekking moderne turbogeneratoren kan toepassen.

Het feit dat men vanwege de hoge temperaturen moet afzien van een metalen huls voor de splijtstofelementen, heeft twee belangrijke gevolgen. De neutronenverliezen is de kern worden er zeer laag door, zodat er meer neutronen over blijven voor de produktie van nieuw splijtbaar materiaal. Deze goede omzettingseigenschappen van de HTGR maken het mogelijk om de splijtstof langere tijd te gebruiken en vrijwel alle energie ervan te genutten. Hier staat tegenover dat het ontbreken van een omhulling voor de splijtstofelementen grote problemen met zich meebrengt in verband met het vrijkomen van splijtingsprodukten. Om dit binnen de perken te houden en zodoende te voorkomen dat de primaire kringloop sterk radioactief zou worden, worden de splijtstofkorrels stuk voor stuk omhuld door een ondoorlatend materiaal. Als splijtstof gebruikt men in dit geval een mengsel van uranium- en thoriumcarbide, als omhulselmateriaal pyrolytisch neergeslagen koolstof. De carbiddeeltjes hebben een doorsnede van 200 µm , de omhullende laag heeft een dikte van 100 µm. Deze korrels worden tezamen met grafietpoeder in de voor het splijtstof benodigde vorm geperst. Men past zowel staaf- als bolvormige elementen toe.

Het element ziet eruit als een massieve grafietstaaf van circa 3,7 m lengte en 9 cm doorsnede, met aan de bovenkant een grafietknop voor de grijper waarmee de elementen worden verwisseld. In het actieve deel van deze holle staaf bevinden zich een aantal losse splijtstofringen, die om een massieve grafietstang zijn geschoven. De kern bestaat uit 804 van dergelijke cilinders, die omgeven zijn door een 60 cm dikke reflector van grafiet. Het drukvat van de reactor heeft een hoogte van circa 9 m en een doorsnede van circa 4 m. De 36 regelstaven en de 19 neutronenabsorptiestaven voor noodsituaties worden van onderen af in de kern geschoven. De leidingen waardoor het helium de reactor bereikt en weer afgezogen wordt, zijn dubbelwandig uitgevoerd: binnen stroomt het hete gas naar de warmtewisselaar en buiten het koude gas, afkomstig van de blazer en op de terugweg naar de reactor. Het koude gas stroomt langs de tankwand omlaag en vervolgens door de kern omhoog, waarbij het onder een druk van 24 at van 350°C tot 720°C verhit wordt. In twee buiten het drukvat gebouwde warmtewisselaars voor stoomopwekking, die elke helft van het vermogen voor hun rekening nemen, wordt stoom gevormd van 538°C en 100 at. De centrale levert bij een thermisch vermogen van 115 MW een elektrisch vermogen van 40 MW. Het drukvat is afgesloten met een deksel met een aantal verticale pijpen die voor het verwisselen van de splijtstofelementen bedoeld zijn. Dan wordt de reactor stilgelegd en door de centrale opening een speciale laadinstallatie in het drukvat gebracht. Met dit apparaat kan men elk splijtstofelement bereiken om de positie ervan te veranderen of het te vervangen door een nieuw element dat dan door de andere openingen wordt aangevoerd.


In Duitsland werkt de AGR-reactor daarentegen met bolvormige splijtstofelementen, waarbij het mogelijk is om de elementen zonder onderbreking van de reactorwerking toe te voegen en ook uit de kern te verwijderen. Behalve bedrijfstechnische voordelen levert deze continue toevoer van splijtstof ook de mogelijkheid om de radioactiviteit van de afvalproducten op een zeer laag peil te brengen en het omzettingsrendement van de HTGR zo nog verder op te voeren. Het element van de AGR (fig. 11) bestaat uit een holle bol van grafiet die afgesloten wordt door een stop met schroefdraad. De diameter is 6 cm, de wanddikte 1 cm. De bol wordt gevuld met een zgn. matrix, van sterk verrijkt uranium in de vorm van uranium-thoriumdicarbidedeeltjes vermengd met grafietpoeder. De reactorkern wordt gevormd door een lading van 100.000 van die kogels, omgeven door een 50 cm dikke reflector van grafiet. De bollen worden van boven via toevoerbuizen pneumatisch (met luchtdruk) naar de kern geleid en aan de onderzijde via een afvoerbuis weer uit de kern verwijderd. De lading heeft een diameter van 3 m en een hoogte van 3 m. Vanuit de reflector van grafiet steken over de gehele hoogte vier verticale lijsten in radiale richting naar binnen; deze bevatten elk een kanaal voor de geleiding van een remstaaf, die van onderen af in de kern wordt geschoven als er een noodsituatie is. De reflector van grafiet is om redenen van warmte-isolatie en voor de afscherming van de radioactieve straling omgeven door een mantel van koolsteen en een hitteschild. De uitwendige bouw wordt bepaald door het uitgangspunt om alle delen van de primaire kringloop inclusief de warmtewisselaar in één drukvat onder te brengen. De reactorkern bevindt zich in het onderste deel van dit vat, met erboven de warmtewisselaar voor stoomproduktie. Het koelgas wordt gecirculeerd door middel van twee blazers die zich in de zgn. blazerkoepel bevinden. Het koelgas wordt via het rooster waarop de kern staat en kanalen in de bodemreflector naar het bed van splijtstofelementen gevoerd. Nadat dit doorstroomd is, komt het gas door spleten in de dekplaat van grafiet boven de kern bij de warmtewisselaar. De terugvoer van het gas van de warmtewisselaar naar de ingang van de blazer verloopt langs de wand van het drukvat. Als koelgas gebruikt men helium van 10 at, dat in de reactorkern van 175°C tot 850°C wordt verhit. De warmtewisselaar levert oververhitte stoom van 505°C en 75 at. De installatie levert bij een thermisch reactorvermogen van 46 MW een elektrisch vermogen van 15 MW.

Fig. 11 Doorsnede van een splijtstofelement voor de AGR-reactor

Natrium-grafietreactor


Om de in de reactor vrijkomende warmte bij zo hoog mogelijke temperatuur te kunnen afvoeren zonder daarbij gebruik te maken van drukvaten met extreem dikke wanden, moet men als medium voor de warmteoverdracht metalen met een laag smeltpunt en een hoog kookpunt gebruiken. Een koelmiddel dat hiervoor in aanmerking komt, is natrium, dat bij de toepassing echter ook nadelen met zich meebrengt. Door de bestraling met neutronen wordt natrium in de reactor namelijk sterk radioactief gemaakt. Bij een met natrium gekoelde reactor kan men de warmtewisselaar daardoor niet rechtstreeks aansluiten aan de primaire kringloop. Er is een secundaire kringloop nodig die tussen de beide kringen wordt geschakeld om te voorkomen dat er radioactief materiaal in de omgeving van het verdampen water komt. Als medium voor de secundaire kringloop past men eveneens natrium toe (fig. 12). Een ander nadeel is de reactie van natrium voor water en zuurstof in de lucht. Hier komt ook nog bij dat reeds geringe percentages natriumoxide de corrosie van de roestvrij staalsoorten die als constructiemateriaal in aanmerking komen, erg doet toenemen. Vergeleken met moderatorstoffen heeft natrium een betrekkelijk grote effectieve doorsnede voor neutronen, hetgeen het nodig maakt om speciale voorzorgen te treffen tegen een ontsnappen van het natrium uit de reactorkern, want dan zou een plotselinge versterking van de kettingreactie optreden. Als moderator voor de natriumgekoelde reactors die in de VS ontwikkeld zijn, komt in de eerste plaats grafiet in aanmerking. Men moet er daarbij wel rekening mee houden dat vloeibaar natrium het grafiet kan penetreren, hetgeen een aanzienlijke stijging van de schadelijke neutronenabsorptie in de moderator tot gevolgen zou hebben. De graietelementen van de moderator worden om deze reden in zirconiumhulzen gekapseld. Men kan deze omhulling vermijden door als moderator zirconiumhydride te nemen (zoals gebruikt in een KNK-reactor).

Fig. 12 Stromingsdiagram van een natrium-grafietreactor

De reactorkern van de KNK-reactor bevindt zich in een stalen tank van 1,9 m diameter. Het koelmiddel stroomt van onder naar boven door de 66 splijtstofelementen in de kern. Elke element bestaat uit twee cilindrisch uitgevoerde splijtstofstaven, waarbij de centrale opening en de ringvormige tussenruimte beide gevuld zijn met zirconiumhydridedeeltjes. Het zirconiumhydride vormt de moderator; bij de wisseling van de splijtstofelementen blijven ze in de kern. De regelstaven zijn tussen de splijtstofelementen ingevoegd. Als reflector gebruikt men een mantel van roestvrijstaal met een wanddikte van 13 cm. De twee warmtewisselaars van elk 29 MW thermisch vermogen leveren oververhitte stoom van 510°C en 85 at.

Kweekreactors


Het feit dat bij kernsplijting per splijting door één neutron meer dan één neutron vrijkomt, maakt het niet alleen mogelijk om de kettingreactie in stand te houden, maar onder bepaalde omstandigheden ook nog nieuw splijtbaar. Het is gebleken, dat dit theoretisch zal werken, maar in de praktijk is het niemand nog gelukt om een kweekreactor daadwerkelijk op te starten.