Ett kärnkraftverk i Grafenrheinfeld, Tyskland. De ikoniska tornen är bara för kylning, kärnreaktorn finns i den sfäriska inneslutningsbyggnaden. |

Kärnfission

Kärnklyvning är en process med kärnkraftsnedbrytning där en instabil kärna delar sig upp i två mindre kärnor (känd som "klyvningsfragment"), och ett par neutroner och gammastrålar släpps också. Det vanligaste bränslet som används för kärnreaktorer är uran. Naturligt uran består av U-235 och U-238. U-235 kan induceras till klyvning genom att absorbera en lågenergin neutron (känd som en termisk neutron och har en kinetisk energi på cirka 0, 025 eV). U-238 kräver emellertid mycket mer energiska neutroner för att inducera en klyvning, och därmed refererar kärnbränsle verkligen till U-235 i uranet.

En kärnklyvning släpper vanligtvis cirka 200 MeV energi. Detta är tvåhundra miljoner mer än kemiska reaktioner, som att bränna kol, som bara släpper några få eV per händelse.

Vad är en eV?

En energienhet som vanligtvis används i kärnkrafts- och partikelfysik är elektronspänningen (symbol eV). Det definieras som energin som uppnåtts av en elektron som accelereras över en potentialskillnad på 1V, 1 eV = 1, 6 × 10-19 J. En MeV är kortfattad för en miljon elektron volt.

En möjlig formel för neutroninducerad fission av en U-235-atom.

Fission produkter

Vart går den betydande energin som frigörs i klyvningen? Den frigjorda energin kan kategoriseras som antingen snabb eller försenad. Fråga energi frigörs omedelbart, och försenad energi frigörs av fissionprodukter efter fission har inträffat, denna fördröjning kan variera från millisekunder till minuter.

Fråga energi:

  • Klyvningsfragmenten flyger isär i hög hastighet; deras kinetiska energi är Me 170 MeV. Denna energi kommer att deponeras lokalt som värme i bränslet.
  • De snabba neutronerna kommer också att ha en kinetisk energi på Me 2 MeV. På grund av deras höga energi kallas dessa neutroner också för snabba neutroner. I genomsnitt släpps 2, 4 snabbneutroner i en U-235 fission, och följaktligen är den totala energin för snabbneutroner ≈ 5 MeV. Neutronerna kommer att förlora denna energi i moderatorn.
  • Snabba gammastrålar släpps ut från klyvningsfragmenten med en energi ≈ 7 MeV. Denna energi absorberas någonstans i reaktorn.

Försenad energi:

  • De flesta klyvningsfragment är neutronrika och kommer att försvinna efter en tid, detta är källan till försenad energi.
  • Betapartiklar (snabbelektroner) släpps ut med en energi på 8 MeV. Denna energi deponeras i bränslet.
  • Beta-sönderfall kommer också att producera neutrino, med en energi på Me 10 MeV. Dessa neutrinoer och därmed deras energi kommer att undkomma reaktorn (och vårt solsystem).
  • Gamma-strålar kommer sedan att släppas ut efter dessa beta-sönderfall. Dessa försenade gammastrålar har en energi på ≈ 7 MeV. Liksom de snabba gammastrålarna absorberas denna energi någonstans i reaktorn.

Criticality

Som tidigare nämnts kan U-235 fissioneras av neutroner av vilken energi som helst. Detta tillåter fission av en U-235-atom för att inducera fission i omgivande U-235-atomer och sätta igång en kedjereaktion av fissioner. Detta beskrivs kvalitativt av neutronmultiplikationsfaktorn ( k ). Denna faktor är det genomsnittliga antalet neutroner från en fissionreaktion som orsakar en annan fission. Det finns tre fall:

  • k <1, Subkritisk - en kedjereaktion är ohållbar.
  • k = 1, kritisk - varje fission leder till en annan fission, en stabil tillståndslösning. Detta är önskvärt för kärnreaktorer.
  • k> 1, Supercritical - en språng kedjereaktion, till exempel i atombomber.

Reaktorkomponenter

Kärnreaktorer är komplexa konstruktionsdelar, men det finns några viktiga funktioner som är gemensamma för de flesta reaktorer:

  • Moderator - En moderator används för att minska energin för snabba neutroner som släpps ut från fissioner. Vanliga moderatorer är vatten eller grafit. De snabba neutronerna tappar energi genom spridning av moderatoratomer. Detta görs för att föra ner neutronerna till en termisk energi. Moderering är avgörande eftersom U-235-klyvningstvärsnittet ökar för lägre energier och följaktligen är en termisk neutron mer sannolik att klyvningen U-235 kärnor än en snabb neutron.
  • Kontrollstavar - Styrstavar används för att kontrollera fissionens hastighet. Kontrollstavar är gjorda av material med ett högt neutronabsorptionstvärsnitt, såsom bor. Då fler av styrstängerna sätts in i reaktorn absorberar de därför mer av neutronerna som produceras i reaktorn och minskar risken för fler klyvningar och minskar därmed k . Detta är en mycket viktig säkerhetsfunktion för att kontrollera reaktorn.
  • Bränsleberikning - Endast 0, 72% av naturligt uran är U-235. Berikning avser att öka denna andel U-235 i uranbränslet, detta ökar den termiska klyvningsfaktorn (se nedan) och gör att k är lika med en lättare. Ökningen är betydande för låg anrikning men inte mycket av en fördel för hög anrikning. Uran av reaktorkvalitet är vanligtvis 3-4% anrikning men en 80% anrikning skulle vanligtvis vara för ett kärnvapen (kanske som bränsle för en forskningsreaktor).
  • Kylvätska - En kylvätska används för att avlägsna värme från kärnreaktorkärnan (den del av reaktorn där bränslet lagras). De flesta aktuella reaktorer använder vatten som kylvätska.

Fyra faktor formel

Genom att göra stora antaganden kan en enkel formel med fyra faktorer skrivas ned för k . Denna formel antar att inga neutroner undviker reaktorn (en oändlig reaktor) och antar också att bränslet och moderatorn är intimt blandade. De fyra faktorerna är olika förhållanden och förklaras nedan:

  • Termisk fissionfaktor ( η ) - Förhållandet mellan neutroner som produceras av termiska fissioner och de termiska neutronerna som absorberas i bränslet.
  • Fast fission factor ( ε ) - Förhållandet mellan antalet snabba neutroner från alla fissioner och antalet snabba neutroner från termiska fissioner.
  • Resonansflukt sannolikhet ( p ) - Förhållandet neutroner som når termisk energi till snabba neutroner som börjar sakta.
  • Termisk användningsfaktor ( f ) - Förhållandet mellan antalet termiska neutroner som absorberas i bränslet och antalet termiska neutroner som absorberas i reaktorn.

Sex faktor formel

Genom att lägga till två faktorer till fyra faktorformeln kan läckage av neutroner från reaktorn redovisas. De två faktorerna är:

  • p FNL - Fraktionen av snabba neutroner som inte läcker ut.
  • p ThNL - Fraktionen av termiska neutroner som inte läcker ut.

Neutron livscykel

Negativa ogiltiga koefficienter

När kokning sker i en vattenmodererad reaktor (såsom en PWR- eller BWR-konstruktion). Ångbubblor ersätter vattnet (beskrivs som "tomrum"), vilket minskar mängden moderator. Detta minskar i sin tur reaktorns reaktivitet och leder till en effektnedgång. Detta svar är känt som en negativ tomrumskoefficient, reaktiviteten minskar med ökningen av tomrum och fungerar som ett självstabiliserande beteende. En positiv tomrumskoefficient innebär att reaktiviteten faktiskt kommer att öka med ökningen av tomrum. Moderna reaktorer är specifikt utformade för att undvika positiva ogiltiga koefficienter. En positiv tomrumskoefficient var ett av reaktorfel vid Tjernobyl (mer om det senare).

Temperaturkoefficienter

I en god reaktorkonstruktion bör reaktiviteten också minska om temperaturen ökar. Detta kan hända naturligt eftersom en ökning av moderatortemperaturen kommer att öka neutronenergin och förskjuta tvärsnittspektrumet mot högre energier (en process som kallas spektrumhärdningen). Denna höjning av temperaturen minskar sedan fissionstvärsnittet och reaktiviteten. Detta kan ses på tomten nedan.

Ett diagram över U-235-fissionstvärsnittet mot neutronenergin. De vassa topparna i mitten kommer från kärnresonanser, dessa blir snabbt för nära avstånd och ersätts med en genomsnittlig linje för höga energier. |

Reaktorgifter

Vissa klyvningsfragment (eller fusionsfragmentens dotterkärnor) har mycket hög neutronabsorptionstvärsnitt. Närvaron av dessa nuklider har en negativ effekt på reaktorns reaktivitet och följaktligen är de kända som reaktorgifter. Xenon-135 är det viktigaste exemplet på ett reaktorgift. Neutronabsorptionstvärsnittet är över 2 miljoner lador, ett häpnadsväckande stort antal. Nedbrytningskedjan som leder till xenon-135 visas nedan. Under normala driftsförhållanden är koncentrationen av xenon-135 i jämvikt. När reaktorn stängs av fortsätter xenon att produceras och byggas upp i reaktorn. Detta leder till en kraftigt reducerad reaktivitet och kan förhindra att reaktorn startar igen. Efter att ha väntat ungefär en dag kommer xenon att ha förfallit tillräckligt för att återuppta reaktorn.

Förfallskedjan som producerar xenon-135 i en kärnreaktor.

En graf över koncentrationen xenon-135 mot tiden sedan reaktorstängningen. Medan reaktorn är igång är xenonet i ett stabilt tillstånd. Ursprungligen efter avstängning ökar koncentrationen men xenon försvinner så småningom bort.

Det finns andra reaktorgifter, som samarium-149. Vissa gifter kan endast tas bort genom att "bränna" dem med neutroner eller i extrema fall tanka reaktorn.

Tjernobyl

Operatörer vid Tjernobylkraftverket i Ukraina inledde ett lågkraftsturbintest den 26 april 1986. För testet inaktiverades det automatiska styrstavssystemet och manövrerades styrstavarna manuellt; detta gjordes för att övervinna en extremt låg effektnivå från xenonförgiftning. Kokningen började på grund av en långsammare flödeshastighet. Reaktorn var en RBMK sovjetisk reaktor som hade en positiv tomrumskoefficient. Därför började reaktiviteten öka. Kontrollstavar infördes automatiskt men systemet hade bara kontroll av 12 av 211 styrstavar. En avstängning initierades men reaktiviteten ökade fortfarande när xenon brändes från reaktorn. Ytterligare kontrollstavar sattes in men de ökade faktiskt reaktiviteten initialt på grund av att styrstavarna hade grafitspetsar som förträngde vattnet.

Det fanns en massiv kraftpik och kärnan började överhettas. Ångan byggdes upp och ledde till en stor explosion som blåste ett hål i reaktorhallens tak. Kedjereaktionen avbröts men en grafitbrand startade och en stor mängd radioaktivt material blåste ut ur reaktorn. Olyckan klassificerades senare som en nivå 7-händelse på INES-skalan, en viktig händelse, och är fortfarande den värsta kärnkraftsolyckan i historien. Det fanns tre huvudorsaker till olyckan:

  • Reaktordesign - RBMK-designen hade flera fel. Den hade en positiv tomrumskoefficient, kontrollstavarna hade grafitspetsar och reaktorn hade inget inneslutningsskal. Instrumentationen kunde inte heller mäta de höga strålningsnivåerna efter olyckan.
  • Drift - Säkerhetsstandarder följdes inte och operatörerna tog dåliga beslut under testet.
  • Sovjetkultur - Olyckan täcktes ursprungligen av sovjetiska myndigheter och detta ledde till ökad exponering för medborgarna.

Fukushima

Olyckan i Fukushima i mars 2011 är den enda andra kärnkraftsolyckan som är rankad som nivå 7-händelse. Den 11 mars inträffade en jordbävning med en storlek 9 på den nordöstra kusten av Japan. Reaktorerna vid anläggningen i Fukushima stängdes automatiskt av och styrstavarna sattes helt in. Extern kraftförsörjning förstördes av jordbävningen. Backupdieselgeneratorer startade för att fortsätta kylprocessen. Sönderfallsvärmen är fortfarande betydande efter reaktorstängning på grund av försenad sönderfall av fissionprodukter. Senare slog en tsunami och lyckades översvämma dieselgeneratorerna. Detta berodde på en försumlig placering av generatorerna och en otillräckligt hög havsvägg. Nu kunde sönderfallsvärmen inte tas bort och reaktorkärnorna började värmas upp. Vätgas avluftades som en nödåtgärd som ledde till explosioner och en betydande frisättning av strålning.