Hur fungerar ett kärnkraftverk?

Kan ni förklara hur ett kärnkraftverk fungerar?

En kärnreaktion inträffar när en atomkärna reagerar med någon annan partikel, vilket resulterar i att dess massa, energi eller laddning ändras. Grunden för kärnkraftstekniken är att de sammanhållande krafterna i en atomkärna varierar, beroende på hur många partiklar kärnan består av. Denna bindningsenergi är som störst vid omkring 50 partiklar, vilket kan sägas ungefärligen motsvara grundämnet järn.
Detta innebär att det finns två typer av kärnreaktioner som kan tänkas frigöra energi: att slå ihop lätta atomkärnor (fusion) och att klyva tunga atomkärnor (fission). I båda fallen skapas atomer med större bindningsenergi och därmed har energi frigjorts. Fusion av vätekärnor är vad som pågår i solen, men att skapa en fusionsprocess innebär stora tekniska problem och har än så länge krävt mer energi än vad det gett i de försök som genomförts. Istället är de kärnreaktorer som finns i bruk idag av fissionstyp.
Bränslet i en kärnreaktor är normalt uran, som med atomnummer 92 är det tyngsta naturligt förekommande grundämnet. Uranet är inkapslat i långa stavar, vilka sitter ihop i knippen. Den uranisotop som utnyttjas för reaktionen är uran-235, som innehåller 92 protoner och 143 neutroner. Det är nämligen så att atomkärnor som innehåller ett udda antal neutroner har visat sig vara enklare ett klyva. Uran-235 utgör dock endast 0,7 % av naturligt uran, som till 99 % består av uran-238. Därför uppnår man bättre resultat genom att anrika uranet, alltså öka halten av uran-235 i det.
Uranet bombarderas av neutroner, vilka är elektriskt neutrala och därför har stor genomträngningsförmåga. Vid klyvningen frigörs 2-3 neutroner per atom. Massan hos de två atomer och de lösa neutroner som bildas är mindre än massan hos den ursprungliga uran-235-atomen. Denna skillnad i massa har omvandlats till energi utifrån Einsteins välkända formel E=mc^2.
En kedjereaktion sätts igång genom att de frigjorda neutronerna i sin tur klyver nya atomer etc. Vid normal drift är idealet att en av neutronerna från varje fission startar en ny fission. Reaktionen kan kontrolleras med hjälp av så kallade styrstavar, vilka innehåller något ämne som absorberar neutroner, till exempel kadmium. Man använder även en moderator, exempelvis grafit, tungt vatten eller vanligt vatten, till att bromsa neutronernas hastighet med.
Det mesta av energin som frigörs i reaktionen är rörelseenergi, som omvandlas till värme. Värmen överförs till ett kylmedium, normalt vatten. Vattnet blir till ånga och strömmar genom en ångturbin. Turbinen driver i sin tur en generator, vilken genererar elektricitet. Detta gäller en så kallad kokvattenreaktor. I en tryckvattenreaktor är trycket på vattnet i reaktorn så högt att det inte kokar. Istället värmer det en annan vattenkrets som driver ångturbinen.
Genom att anrika uranet får man större valfrihet vad gäller moderator, kylmedium och konstruktionsmaterial. Exempelvis kan vanligt vatten användas till såväl moderator som kylmedium.
I Sverige finns det fyra kärnkraftverk – Barsebäck, Forsmark, Oskarshamn och Ringhals – med tillsammans 12 reaktorer, varav 11 är i drift. Tre av dessa är tryckvattenreaktorer och resten av kokvattentyp.

► Läs mer: http://www.analys.se/svekk/kreaktor.pdf

Material från
Allt om Vetenskap nr 4 2005

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter