Kernenergiecentrales benutten de energie die vrijkomt door kernsplijting en gebruiken deze om generatoren aan te drijven die elektriciteit produceren. Hoewel kernenergie slechts ongeveer 20 procent van de elektriciteit genereert die wordt opgewekt in de Verenigde Staten, is de nucleaire capaciteit van het land het hoogste van een ander land - 101 gigawatt in 2010.
Gemeenschappelijke componenten van kernenergie
Kernreactoren hebben deze componenten gemeen:
Brandstof - Uranium, een radioactief erts uit zware metalen, is de meest voorkomende brandstof voor kernreactoren. Na het verrijkingsproces wordt uranium een zeer geconcentreerde brandstof.
Een commerciële kernreactor vereist duizenden kilo verrijkte uraniumbrandstof om te kunnen werken. In de Verenigde Staten kopen civiele kerncentrales ongeveer 50 miljoen pond uranium (U3O8-equivalent) brandstof op, waarvan het grootste deel afkomstig is uit het buitenland.
Uranium wordt gedolven op locaties over de hele wereld, voornamelijk in Kazachstan, Canada, Australië en Afrika. De Verenigde Staten behoren tot de top 10 van uraniumproducenten.
Controlestaven - Gemaakt van een neutronenabsorberend materiaal zoals cadmium, hafnium of boor, worden regelstaven ingebracht of uit de kern verwijderd om de reactiesnelheid te regelen of om deze zo nodig te stoppen.
Moderator - Materiaal in de reactorkern dat de neutronen die uit de splijting vrijkomen vertraagt, waardoor ze meer splijting veroorzaken.
De moderator is meestal gewoon (licht) water, maar kan zwaar water (D20) of grafiet zijn.
Koelmiddel - vloeistof of gas dat door de kern circuleert om de warmte ervan af te voeren. In lichtwaterreactoren functioneert de watermoderator ook als het primaire koelmiddel.
Inperking - Kernreactoren zijn ingekapseld in zwaar gewapende betonnen constructies om te voorkomen dat radioactiviteit de atmosfeer binnendringt.
Basisproces van kernenergie
Kernfysica is zeer technisch, maar het basisproces voor het produceren van elektriciteit met kernenergie is als volgt:
De reactorkern produceert warmte en radioactiviteit in een proces dat splijting wordt genoemd, algemeen bekend als atom-splitsen. In de reactorkern bevindt zich uranium-kernbrandstof. Als de kernen van de uranium splitsen, geven ze neutronen vrij. Wanneer de neutronen andere uraniumatomen raken, splitsen die kernen zich ook op, waardoor hun neutronen vrijkomen om andere atomen te treffen, waardoor meer splijting ontstaat. Deze continue atoomsplitsing is een kettingreactie.
De warmte van gecontroleerde splijtingsreacties wordt gebruikt om stoom uit water te produceren, hetzij direct als in de kokend-waterreactor (BWR), of indirect zoals in de drukwaterreactor (PWR), die een stoomgenerator bevat.
De stoom drijft een turbine aan die een generator aandrijft.
De generator produceert elektriciteit die wordt gedistribueerd naar het elektriciteitsnet.
Nuclear Reactor Types
Wereldwijd worden verschillende soorten kernreactoren gebruikt. De meest voorkomende typen zijn echter waterreactoren onder druk (PWR) en kokend-waterreactoren (BWR), die zijn geclassificeerd als lichtwaterreactoren. In de Verenigde Staten zijn PWR en BWR de enige twee soorten commerciële kerncentrales die in bedrijf zijn.
- Kokend-waterreactor (BWR) - In dit type reactor produceert splijtingscheiding warmte die water in de reactorkern kookt. Stoom uit het kokende water voedt een turbine die een generator aandrijft om elektriciteit te produceren. De reactoren in de fabriek van Fukushima Naiishi in Noordoost-Japan die zijn beschadigd bij de aardbeving in maart 2011 en de tsunami zijn BWR's.
- Drukwaterreactor (PWR) - Dit type reactor is het meest gebruikelijk voor de productie van energie. Het gebruikt water als koelmiddel en moderator, een middel dat de snelheid van kernsplijting helpt beheersen. In het gesloten primaire koelmiddelsysteem wordt het water, verwarmd door thermische energie van kernsplijting terwijl het door de kern stroomt, onder hoge druk gehouden en daarom kookt het niet. Stoom wordt geproduceerd in een secundaire koelmiddellus en wordt gebruikt om een turbine aan te drijven die een elektrische generator aandrijft.
- CANDU en gematigde reactoren met zwaar water - Deze ontwerpen gebruiken zwaar water als moderator. Het zware water - met deuterium ter vervanging van de twee waterstofatomen - als moderator vertraagt neutronen in het splijtingsproces en maakt het gebruik van natuurlijk uranium mogelijk, in plaats van verrijkt uranium als brandstof.
- Modulaire kiezelsteenreactor - Een hoge-temperatuurreactor die helium-koelmiddel en brandstof gebruikt die zijn ingesloten in bollen grafiet en siliciumcarbide om splijtingsproductinsluiting en weerstand tegen meltdown te waarborgen.