m. (-s, -toren), apparaat waarin een zichzelf in stand houdende kettingreactie plaatsvindt van splijting van atoomkernen door neutronen, een proces dat onder alle omstandigheden regelbaar moet zijn.
(e) Een kernreactor maakt gebruik van →kernsplijting van uraan. Het doel is om de daarbij vrijkomende energie of straling te benutten. Het ontwerp van een kernreactor is sterk afhankelijk van het specifieke doel dat men ermee nastreeft. Dit kan zijn:
1. Onderzoek, waarbij men de reactor hoofdzakelijk zal gebruiken als bron van neutronen en gammastraling. Voorbeelden van onderzoekreactors zijn de hoge en de lage fluxreactors van het Reactor Centrum Nederland (RCN) te Petten, de reactor van het Interuniversitaire Reactor Instituut
(IRI) te Delft en die van het Instituut voor de toepassing van Atoomenergie in de Landbouw (ITAL) te Wageningen.
2. Reactorontwikkeling.
3. Energieproduktie. De warmte die in een kernreactor vrijkomt kan worden omgezet in mechanische energie. Hierdoor kan elektriciteit geproduceerd worden (→kernenergiecentrale) of kunnen schepen voortgestuwd worden. De warmte kan ook gebruikt worden voor het verwarmen van steden of voor het ontzouten van zeewater.
Terwijl de fysische grondslag van de verschillende typen dezelfde is, is de technische uitvoering ervan sterk afhankelijk van de beoogde toepassing. Vele kernreactors bestaan uit een aantal splijtstofelementen, meestal bestaande uit een aantal staven waarin zich het splijtbare uraan bevindt, omgeven door een →moderator of remstof, veelal gewoon of zwaar water, soms ook grafiet (resp. een licht-water-, een zwaar-waterof een grafietreactor). De moderator remt de bij →kernsplijting vrijkomende energierijke (snelle) neutronen zoveel mogelijk af, om de kans dat zij een volgende kernsplijting teweeg kunnen brengen zo groot mogelijk te maken. Bij toepassing van water als moderator wordt dit meestal tevens gebruikt om de bij de splijting geproduceerde warmte af te voeren. Zowel aan de moderator als aan het koelmiddel moet de eis worden gesteld dat zij zo weinig mogelijk neutronen absorberen. De splijtstof is veelal niet direct met de moderator in aanraking, maar bevindt zich in een omhulling, vaak van zirkalloy of roestvrij staal.
Hiermee wordt voorkomen dat de gevormde sterk radioactieve splijtingsprodukten zouden kunnen ontsnappen; bovendien beschermt de omhulling de splijtstof tegen corrosie en geeft ze hieraan de gewenste stevigheid. Het aantal splijtstofen omhulling-combinaties wordt splijtstofelement genoemd. Tussen de meestal verticaal opgestelde elementen bevindt zich een aantal regelstaven, die uit een sterk neutronenabsorberend materiaal bestaan (b.v. cadmium, boor). Bij een bepaald vermogen van de reactor heerst er evenwicht tussen het aantal vrijkomende neutronen en het aantal neutronen dat verdwijnt. Als door een of andere oorzaak deze neutronenbalans verstoord wordt, dan kan deze weer hersteld worden door de regelstaven op of neer te bewegen. Moet de kernreactor worden gestopt dan worden de regelstaven in de kern gedreven.
Om de reactor te starten worden de regelstaven langzaam uit de kern bewogen, en wordt een extra neutronenbron gebruikt. Het proces heet ‘kritisch’ zodra het voldoende neutronen oplevert om zonder extra neutronenbron aan de gang te blijven. Splijtstof, moderator en regelelementen bevinden zich vaak in een goed afgesloten reactorvat van roestvrij staal of voorgespannen beton; dit vat is weer omgeven door een betonnen wand van ca. 2 m dikte die dient voor bescherming van het bedienende personeel tegen de sterke radioactieve straling. Het geheel staat opgesteld in een ruimte, die zoveel mogelijk luchtdicht van de buitenwereld is afgescheiden en alleen via luchtsluizen te betreden is; dit insluitingssysteem bestaat veelal uit een stalen koepel of bol, waaromheen zich een gebouw van beton bevindt. Binnen het insluitingssysteem is een lichte onderdruk zodat in geval radioactieve stoffen hierin zouden vrijkomen deze zich niet in de omgeving van het reactorgebouw kunnen verspreiden. Voorts zijn diverse stralingsmonitors opgesteld waarmee het stralingsniveau doorlopend wordt geregistreerd. Bovendien is al het personeel dat bij de reactor werkzaam is verplicht films bij zich te hebben waarmee een mogelijk ontvangen stralingsdosis naderhand kan worden vastgesteld.
Reactortypen. Omdat de kans op kernsplijting voor langzame neutronen veel groter is dan voor snelle neutronen, worden in de meeste in gebruik zijnde kernreactors de energierijke neutronen die bij splijting vrijkomen afgeremd door botsingen tegen de atoomkernen van de moderator. Dit afremmingsproces gaat zo lang door tot de neutronen een zelfde energie hebben als de atomen van de moderator. Men zegt dat de neutronen gethermaliseerd zijn en spreekt dan van ‘thermische neutronen’. Reactors waarin de splijting voornamelijk wordt veroorzaakt door deze neutronen, noemt men thermische reactors. Er zijn echter ook kernreactors zonder moderator, de snelle reactors.
De neutronen worden hierin niet afgeremd en zij moeten als snelle neutronen splijting tot stand brengen. Omdat de kans op splijting veel kleiner is hebben deze veel meer splijtstof nodig dan thermische reactoren. In een snelle reactor mag ook het koelmiddel de neutronen niet afremmen. Daarom wordt hiervoor vloeibaar natrium gebruikt. Een koelgas, b.v. helium, komt door zijn geringe dichtheid eveneens in aanmerking. Snelle kernreactors zijn aantrekkelijk door hun hoge conversieverhouding.
In een snelle kernreactor kan deze nl. groter dan 1 zijn, hetgeen betekent dat er meer splijtstof gemaakt wordt dan verbruikt. De neutronenopbrengst per in de splijtstof geabsorbeerd neutron neemt nl. toe van 2 bij lage neutronenenergie tot ca. 3 bij hogere neutronenenergie. Om een kettingreactie in stand te houden is per splijting één neutron nodig. De resterende neutronen kunnen b.v. in uraan-238 of in thorium-232 ingevangen worden om nieuwe splijtstof, plutonium-239 resp. uraan-233, te maken. Is een reactor gebouwd om op deze wijze nieuwe splijtstof te produceren dan spreekt men van een →kweekreactor. In de snelle kernreactors blijkt plutonium de aangewezen splijtstof te zijn. Dit type reactor is nog in het ontwikkelingsstadium.
Vooralsnog wordt veel aandacht besteed aan de technische perfectionering van de thermische kernreactor. In de VS zijn vooral druken de kokendwaterreactors ontwikkeld die alle werken met uraan dat licht verrijkt is tot uraan-235 (→verrijking). De drukwaterreactors zijn zeer geschikt gebleken om gebruikt te worden als scheepsreactor. Tot nu toe zijn, behalve een groot aantal onderzeeërs en militaire oppervlakteschepen, slechts enkele schepen met kernvoortstuwing in de vaart geweest. De beide typen waterreactors worden thans op grote schaal over de gehele wereld toegepast in kernenergiecentrales.
In Engeland en Frankrijk zijn grafiet-gemodereerde reactors ontwikkeld, waarbij C02 gebruikt wordt voor het afvoeren van de warmte. Een voordeel van dit type is dat men als splijtstof natuurlijk uraan kan gebruiken. De omhulling hiervan moet zo weinig mogelijk neutronen absorberen; hiertoe heeft men een speciale magnesiumlegering, magnox, ontwikkeld. Er is een aantal magnox-reactors in Europa in gebruik. Een bezwaar is echter dat de splijtstofelementen niet tegen hoge temperaturen bestand zijn, zodat het thermisch rendement van dit reactortype begrensd is. Men heeft daarom een geavanceerde gasgekoelde reactor ontwikkeld met splijtstof omhuld door roestvrij staal.
Aangezien dit veel meer neutronen absorbeert dan magnox, moet men hierbij uraan-235 toepassen. Gasgekoelde reactors met hoge temperatuur, waarbij helium als koelmiddel wordt gebruikt, zijn nog in ontwikkeling; hiervoor zijn bijzondere typen splijtstofelementen ontwikkeld die bestaan uit grafietlichamen waar speciale splijtstofkorrels zijn ingebed, waarbij geen metalen hulzen behoeven te worden toegepast. In Canada heeft de ontwikkeling zich geconcentreerd op zwaar-waterreactors, die daar op grote schaal worden toegepast. Dit voor wat betreft verschillende reactortypen voor energieopwekking. Onderzoekreactors hebben een constructie die gericht is op de specifieke eisen die het speurwerk stelt. Voor het meeste fysische onderzoek, waarbij de reactor voornamelijk een bron van neutronen is, gaat het erom te beschikken over een stroom van thermische neutronen van zo groot mogelijke intensiteit.
Zo’n bundel neutronen is beschikbaar wanneer vanaf de reactorkern dwars door de dikke betonnen wand zgn. bestralingsbuizen aanwezig zijn, waardoorheen neutronen in de experimenteerhal kunnen komen. Met deze neutronenstroom kunnen b.v. verschillende →kernreacties worden bestudeerd. Een belangrijke toepassing is ook de studie van neutronenverstrooiing aan de samenhangende materie, b.v. kristallen of vloeistoffen, door middel van verstrooiingsproeven. Voor het onderzoek gericht op een studie van de fysische grondslagen van kernreactors is het van belang te kunnen beschikken over een min of meer alzijdige stroom van thermische neutronen. Deze kunnen worden verkregen in een grote ruimte in de buurt van de reactorkern, gevuld met grafiet, thermische kolom genoemd. De snelheidsverdeling van de neutronen in deze kolom komt ongeveer overeen met een thermisch spectrum.
Tenslotte kan ook onderzoek gedaan worden in kleine ruimten in de directe nabijheid van de reactorkern. Hier is de intensiteit van de neutronen en de gammastraling het grootst, zodat in deze ruimte materialen bestraald kunnen worden waarbij de invloed van straling op hun eigenschappen het doel van het onderzoek is. Tevens is de produktie van radioactieve isotopen mogelijk. Meestal worden de te bestralen preparaten pneumatisch in deze ruimte geschoten en er ook weer uit verwijderd. De onderzoekreactors worden meestal gekarakteriseerd niet door hun vermogen maar door de neutronenflux. Dit is het aantal neutronen dat per seconde een oppervlakje met een doorsnede van 1 cm2 passeert.
Zo worden de twee onderzoekreactors in Petten genoemd de lage fluxen de hoge fluxreactor, waarbij in de laatste de neutronendichtheid ongeveer duizend maal zo groot is. Terwijl genoemde kernreactors alle stationair werken, zijn er ook typen in ontwikkeling die periodiek kritisch zijn, de gepulseerde kernreactor.
LITT: J.Rotblat (red.), Nuclear reactors (1977); J. Weisman, Elements of nuclear reactor design (1977).
