Voorkennis: je kunt eerst de interactieve bijles Kernsplijting bestuderen.
Je hebt na het bestuderen van deze bijles inzicht gekregen in de volgende begrippen:werking eenvoudig reactorvatregelstavenvermenigvuldigfactor (k-getal)
Op de themapagina Kernfysica/radioactiviteit vind je meer materiaal dat aansluit bij deze bijles.
Lage Flux Reactor
In de meeste reactoren is het de bedoeling een flinke hoeveelheid energie om te zetten in warmte en vervolgens in elektrische energie. Maar in de Lage Flux Reactor (LFR), van het Energie Centrum Nederland in Petten is dat juist niet het doel. Deze reactor voert de ontstane warmte geheel af via het koelsysteem en gebruikt de neutronen die bij de kernsplijting van het 235U vrijkomen voor verschillende wetenschappelijke onderzoeken.
Recept voor een kernreactor
Een recept voor een splijtingsreactie in een kernreactor is eenvoudig te bedenken:
- zorg voor voldoende splijtbare 235U-kernen. Zorg ervoor dat de vrijkomende neutronen afgeremd kunnen worden tot de juiste snelheid;
- je een aantal neutronen kunt laten absorberen, zodat je kernreactor niet in één keer al zijn energie kan vrijmaken (de gevolgen kun je je wel voorstellen);
- je de vrijkomende energie kunt afvoeren om te voorkomen dat je reactor te heet wordt.
Werking van de LFR
De warmte van de reactor in Petten wordt afgevoerd door een tweetal koelsystemen, gevuld met water. Het water van het primaire systeem loopt langs de brandstofplaten en werkt daarmee als koelmiddel, maar ook als moderator. Het secundaire systeem is voor de veiligheid gescheiden van het eerste circuit en voert de opgewekte warmte daarna verder af.
In de onderstaande flashlet kun je zelf aan de slag als operator van een eenvoudige reactor. Je kunt met de regelstaven en de snelheid van de pomp in het primaire koelsysteem de werking van de reactor nabootsen. Je kunt het debiet (het aantal liters koelwater per seconde) regelen tussen nul en 1,33 l/s; de regelstaven zijn in te stellen tussen helemaal in- (stand 0) en helemaal uitgeschoven (stand 100). De temperatuur van het aangevoerde koelwater is T1 en die van het afgevoerde koelwater T2. Ook worden het vermogen van de reactor in kW en de neutronenflux (het aantal neutronen dat per seconde en per m2 vrijkomt) in een bundelkanaal weergegeven. Met de neutronen uit dit kanaal kun je dan verschillende onderzoeken doen. In dit model is trouwens het temperatuureffect van de moderator niet verwerkt. Als het water warmer wordt, zal de remwerking voor de neutronen minder worden. Dat betekent natuurlijk extra veiligheid, want als de reactor oververhit dreigt te raken, kunnen er minder neutronen splijtingen veroorzaken.
De reactor is al voor je aan het werk met een constant vermogen. Het k-getal dat ook gegeven wordt is hier 1. Er worden zoveel neutronen geabsorbeerd in de regelstaven dat er per splijtingsreactie precies één neutron overblijft voor een volgende reactie (en daarom is het vermogen natuurlijk constant). Dit model is een vereenvoudiging van de werkelijke reactor. De waarden kunnen dus iets afwijken van de realiteit.
De regelstaven
De regelstaven die je in de animatie terugvindt, kunnen goed neutronen absorberen. Dat gaat vaak volgens de volgende kernreactie:
Dus een Cadmiumkern neemt een neutron op, verandert in een andere Cadmiumkern en zendt een hoeveelheid straling uit in de vorm van een γ-foton. Je kunt dit ook verkort noteren: 113Cd(n,γ)114Cd.
Een paar vragen
a) Voer het vermogen voorzichtig op tot 10 kW. Welke stappen moet je nemen?
b) Wat is de stand van de regelstaven bij een stabiel vermogen van 10 kW? En de k-waarde?
c) Hoe groot is nu het temperatuurverschil van het in- en uitgaande primaire koelwater?
d) Hoeveel warmte voert het koelwater dus per seconde af?
e) Waar blijft de rest van de warmteproductie?
f) Wat gebeurt er als de primaire pomp zou stilvallen?
Kritische massa
Even een beetje kernfysica voor aanvang van dit proces. De splijtingsreactie heb je al gezien, maar je moet ook weten dat er bij het starten van deze reactor 2000 gram 235U in de reactor gebracht is toen deze voor het eerst werd opgestart. Als deze massa met 27 gram afgenomen is door de splijtingen, kan de reactor niet meer kritisch gemaakt worden. De k-waarde komt dan namelijk niet meer boven de 1.
Nog een paar vragen
g) Je kunt nu berekenen hoe lang deze brandstof in theorie kan meegaan. Doe dat maar.
h) Hoeveel energie heeft de reactor dan in totaal opgewekt?
Deze bijles is mede tot stand gekomen dankzij de Nuclear Research and consultancy Group (NRG). NRG richt zich op nucleair onderzoek en advisering voor overheid en bedrijfsleven. NRG is voorts de belangrijkste producent van radio-isotopen in Europa. De nucleaire expertise vormt een uitstekende basis voor dienstverlening aan andere hoogwaardige bedrijfstakken, waaronder de chemie, olie- en gaswinning en de medische sector.
