kjernereaktor

Brenselselementene er utskiftbare enheter som består av fra femti til noen få hundre brenselstaver. Hver stav er 3–4 meter lang og 1–2 centimeter (cm) i diameter. Kjernebrenselet, som regel små briketter av urandioksid (UO₂), er innkapslet i stavene. Kapslingen skal hindre radioaktive fisjonsprodukter i å slippe ut. Den må tåle sterk stråling og høy temperatur. Spesielle typer rustfritt stål eller legeringer av stål og zirkonium, kalt zirkaloy, er utviklet for dette formål. Hver stav inneholder 1–2 kilogram uran. Reaktorkjernen bygges opp av noen hundre utskiftbare brenselselementer. Den totale mengden uran i en 1000 megawatt (MWₑ) termisk reaktor er i størrelsesorden 150 tonn, hvorav 2–3 tonn ²³⁵U.

Under drift forbrukes ²³⁵U, og det dannes radioaktive fisjonsprodukter i stavene. Når innholdet av ²³⁵U er blitt for lavt og forurensningene for store, etter 3–4 års drift, må brenselselementene skiftes. For å få jevn forbrenning, skiftes en del av elementene hvert år. De brukte elementene sendes til reprosessering. Radioaktive fisjonsprodukter fjernes og tas vare på etter strenge regler. Noen av produktene kan skilles ut og benyttes for forskjellige formål, men det meste – cirka 10 tonn i året fra en 1000 MWₑ reaktor – betraktes som avfall. Dette blir først lagret under overvåkning i noen tiår, mens det er varmt og til dels flytende. Når mesteparten av radioaktiviteten er dødd ut, blir det overført til langtidslagring på utilgjengelige og sikre steder, der aktiviteten vil holde seg i årtusener.

Aktiviteten i reaktoren reguleres ved hjelp av kontrollstaver som absorberer nøytroner.

Kontrollstavene lages av bor eller kadmium, som lett absorberer nøytroner. Når disse stavene står inne i reaktoren, mellom brenselselementene, vil de suge til seg så mange nøytroner at reaktoren blir underkritisk. Når stavene trekkes passe langt tilbake, blir reaktoren kritisk. Man kan så regulere reaksjonshastigheten og reaktoreffekten ved forsiktig bevegelse av kontrollstavene omkring den kritiske stillingen. Ved eventuelle reaktoruhell skal sikringsanordninger sørge for at kontrollstavene straks blir ført inn i reaktoren slik at kjedereaksjonen stanser. Likevel vil det fortsatt være energiutvikling i reaktoren, som følge av en rask radioaktiv nedbrytning av de fisjonsproduktene som er dannet. Dette omtales som restvarme. Temperaturen kan derfor fortsette å stige selv om kjedereaksjonen er stanset.

Moderator brukes i termiske reaktorer for å bremse nøytronene. Bremsingen foregår ved støt mot lette atomkjerner, og moderatoren må derfor inneholde mye lette atomer. Vanlig vann, tungtvann og grafitt blir mest brukt. I vanlig vann er nøytronabsorpsjonen imidlertid så stor at naturlig uran ikke kan brukes som brensel. Først ved en anrikning til 2–3 prosent ²³⁵U vil kjedereaksjonen holdes i gang. Med tungtvann eller grafitt som moderator kan naturlig uran brukes som brensel. Siden grafitt er brennbar, vil muligheten for brann i reaktorkjernen være til stede i en grafittmoderert reaktor.

Kjølemiddel er en viktig komponent i enhver energiproduserende reaktor. I den primære kjølekretsen ledes varme ut fra reaktorkjernen og overføres så gjennom en varmeveksler til et sekundært kjølesystem hvor det produseres damp som driver turbin og strømgenerator. Kjølemiddelet kan være i form av gass eller væske. Når vann brukes som moderator, brukes det samme vannet som regel også som kjølemiddel. For å oppnå høy temperatur og derved bedre virkningsgrad ved elektrisitetsproduksjon, holdes vannet under høyt trykk.

De komponentene som er nevnt ovenfor blir bygd inn i en reaktortank som må kunne motstå både høyt rykk og høy temperatur, og ikke ødelegges av den intense nøytronstrålingen som ofte fører til forandring av stoffenes kjemiske struktur og mekaniske egenskaper. Som regel benytter man en ståltank med 15–20 cm tykke vegger. For en 1000 MW reaktor vil tanken ha en diameter på over 5 meter, høyden kan være 15–20 meter og vekten over 500 tonn. Utenom reaktortanken bygges vegger som absorberer nøytron- og gammastråling, og alt sammen blir bygd inn av en lufttett bygningskonstruksjon, en reaktorinneslutning, som skal stoppe enhver lekkasje av radioaktiv gass eller væske.

• Termisk reaktor. Disse bruker termiske nøytroner, det vil si nøytroner som er bremset ned av en moderator.
• Hurtigreaktor, som ikke trenger moderator, men er avhengig av høy konsentrasjon av fissilt materiale.
• Formeringsreaktor (kan både være termisk og hurtigreaktor), som er innrettet slik at den produserer mer fissilt materiale enn den bruker.

Termiske reaktorer deles inn etter hva slags moderator som tas i bruk:

• Grafittmoderert reaktor
• Tungtvannsreaktor
• Lettvannsreaktor

• Lettvannsreaktor som omfatter både trykkvannsreaktor og kokvannsreaktor
• Tungtvannsreaktor
• Flytende metall, for eksempel blykjølt reaktor, natriumkjølt reaktor
• Gasskjølt reaktor, for eksempel pebble bed-reaktor
• Saltsmeltereaktor

• Førstegenerasjonsreaktor: de første forsknings- og demonstrasjonsanlegg fra 1950- og 1960-tallet.
• Annengenerasjonsreaktor: Kommersielle reaktorer som ble bygd opp mot 1990-tallet.
• Tredjegenerasjonsreaktor: Videreutvikling av annengenerasjonsreaktoren med blant annet forbedret sikkerhet og høyere virkningsgrad.
• Fjerdegenerasjonsreaktor: Ny generasjon reaktorer som er under utvikling under Gen IV-programmet.