Kerncentrale of kernenergiecentrale

We kunnen elektrische energie genereren door middel van kernenergie. In een kerncentrale wordt elektrische energie gegenereerd door kernreacties. Hier worden zware radioactieve elementen zoals Uranium (U235) of Thorium (Th232) onderworpen aan kernsplijting. Deze splijting vindt plaats in een speciaal apparaat dat reactor genoemd wordt.

Wat is kernsplijting?

Tijdens het splijtingsproces worden de kernen van zware radioactieve atomen in twee bijna gelijke delen gebroken. Tijdens deze breuk van kernen wordt een enorme hoeveelheid energie vrijgegeven. Deze vrijgave van energie is te wijten aan een massa-defect. Dat betekent dat de totale massa van het beginproduct tijdens de splijting zou verminderen. Dit verlies aan massa tijdens de splijting wordt omgezet in warmte-energie volgens de beroemde vergelijking van Albert Einstein.

Het basisprincipe van een kerncentrale is hetzelfde als dat van een conventionele thermische centrale. Het enige verschil is dat, in plaats van de warmte die door steenkoolverbranding wordt opgewekt, hier in een kerncentrale de warmte die door kernsplijting wordt opgewekt wordt gebruikt om stoom uit water in de ketel te produceren. Deze stoom wordt gebruikt om een stoomturbine aan te drijven.

Deze turbine is de primaire drijver van de alternator. Deze alternator genereert elektrische energie. Hoewel de beschikbaarheid van kernbrandstof niet groot is, kan een zeer kleine hoeveelheid kernbrandstof een enorme hoeveelheid elektrische energie genereren.

Dit is de unieke eigenschap van een kerncentrale. Een kilogram uranium is equivalent aan 4500 metric ton hoogwaardige steenkool. Dat betekent dat de complete splijting van 1 kilogram uranium evenveel warmte kan produceren als de complete verbranding van 4500 metric ton hoogwaardige steenkool.

Daarom, hoewel kernbrandstof veel duurder is, is de kosten voor kernbrandstof per eenheid elektrische energie nog steeds lager dan de kosten van energie die wordt opgewekt door middel van andere brandstoffen zoals steenkool en diesel. Om de huidige crisis met conventionele brandstoffen te boven te komen, kunnen kerncentrales de meest geschikte alternatieven zijn.

Voordelen van een Kerncentrale

1. Zoals we al zeiden, is de brandstofconsumptie in deze centrale vrij laag, waardoor de kosten voor het genereren van een eenheid energie aanzienlijk lager zijn dan bij andere conventionele methoden voor energieopwekking. De hoeveelheid benodigde kernbrandstof is ook kleiner.

2. Een kerncentrale beslaat veel minder ruimte in vergelijking met andere conventionele centrales van dezelfde capaciteit.

3. Deze centrale vereist geen grote hoeveelheden water, waardoor het niet noodzakelijk is om de installatie nabij natuurlijke waterbronnen te bouwen. Deze vereist ook geen grote hoeveelheden brandstof, waardoor het ook niet nodig is om de installatie nabij een steenkoolmijn of een plek met goede vervoersfaciliteiten te bouwen. Daarom kan de kerncentrale dicht bij het belastingscentrum worden gevestigd.

4. Er zijn grote voorraden kernbrandstof wereldwijd, waardoor deze installaties de continue levering van elektrische energie voor komende duizenden jaren kunnen garanderen.

Nadelen van een Kerncentrale

1. De brandstof is niet gemakkelijk verkrijgbaar en is erg duur.

2. De initiële kosten voor de bouw van een kerncentrale zijn aanzienlijk hoog.

3. De oprichting en inbedrijname van deze installatie zijn veel complexer en verfijnder dan bij andere conventionele centrales.

4. De afscheidingen van de splijting zijn radioactief van aard en kunnen leiden tot hoge niveaus van radioactieve vervuiling.

5. De onderhoudskosten zijn hoger en er is meer personeel nodig om de kerncentrale te bedienen, omdat gespecialiseerde getrainde mensen nodig zijn.

6. Plotselinge fluctuaties in belasting kunnen niet efficiënt worden opgevangen door kerncentrales.

7. Aangezien de afscheidingen van de kernreacties zeer radioactief zijn, is het een groot probleem om deze afvalstoffen te lozen. Ze kunnen alleen diep in de grond of in zee, ver van de kust, worden gedeponeerd.

Verschillende Componenten van een Kerncentrale

Een kerncentrale heeft voornamelijk vier componenten.

1. Kernreactor

2. Warmtewisselaar

3. Stoomturbine

4. Alternator

Laten we deze componenten een voor een bespreken:

Kernreactor

In een kernreactor wordt Uranium 235 onderworpen aan kernsplijting. Het reguleert de kettingreactie die begint wanneer de splijting plaatsvindt. De kettingreactie moet worden geregeld, anders zal de snelheid waarmee energie wordt vrijgegeven zo snel zijn dat er een grote kans op explosie bestaat. Tijdens de kernsplijting worden de kernen van kernbrandstof, zoals U235, gebombardeerd door een langzame stroom neutronen. Door deze bombardering breekt de kern van Uranium, wat een enorme hoeveelheid warmte-energie vrijgeeft en tijdens het breken van de kernen worden ook een aantal neutronen uitgestoten.

Deze uitgestoten neutronen worden fissionsneutronen genoemd. Deze fissionsneutronen veroorzaken verdere splijting. Verdere splijting creëert meer fissionsneutronen, die de snelheid van de splijting opnieuw versnellen. Dit is een cumulatief proces.

Als het proces niet wordt geregeld, wordt de snelheid van de splijting binnen een zeer korte tijd zo hoog dat er zo'n enorme hoeveelheid energie wordt vrijgegeven, dat er een gevaarlijke explosie kan ontstaan. Deze cumulatieve reactie wordt een kettingreactie genoemd. Deze kettingreactie kan alleen worden geregeld door fissionsneutronen uit de kernreactor te verwijderen. De snelheid van de splijting kan worden geregeld door de snelheid van het verwijderen van fissionsneutronen uit de reactor te veranderen.

Een kernreactor is een cilindervormig, verstevigd drukvat. De brandstofstaven zijn gemaakt van kernbrandstof, namelijk Uranium, en worden overdekt door moderatoren, die meestal gemaakt zijn van grafiet. De moderatoren vertragen de neutronen voordat ze botsen met de uraniumkernen. De regelstaven zijn gemaakt van cadmium, omdat cadmium een sterke absorber van neutronen is.

De regelstaven worden in de splijtkamer ingevoerd. Deze cadmiumregelstaven kunnen naar wens omlaag geduwd of omhoog getrokken worden. Wanneer deze staven voldoende omlaag worden geduwd, worden de meeste fissionsneutronen door deze staven geabsorbeerd, waardoor de kettingreactie stopt. Als de regelstaven weer omhoog worden getrokken, neemt de beschikbaarheid van fissionsneutronen toe, wat de snelheid van de kettingreactie verhoogt.

Het is dus duidelijk dat door de positie van de regelstaven te verstellen, de snelheid van de kernreactie kan worden geregeld en daarmee de productie van elektrische energie kan worden aangepast aan de belastingsvraag. In de praktijk worden de bewegingen van de regelstaven door een automatisch feedbacksysteem geregeld, afhankelijk van de belastingsvraag. Het wordt niet handmatig geregeld. De warmte die tijdens de kernreactie wordt vrijgegeven, wordt door middel van een koelmiddel, bestaande uit natriummetaal, naar de warmtewisselaar getransporteerd.

Warmtewisselaar

In de warmtewisselaar wordt de warmte die door natriummetaal wordt meegevoerd, afgevoerd in water en wordt het water omgezet in hoge-drukstoom. Na het afgeven van warmte in het water komt het natriummetaalkoelmiddel terug naar de reactor door middel van een koelmiddelpomp.

Stoomturbine

In een kerncentrale speelt de stoomturbine dezelfde rol als in een steenkolenkrachtcentrale. De stoom drijft de turbine op dezelfde manier. Na het doen van zijn werk komt de uitgeputte stoom in een stoomcondensor, waar het wordt gecondenseerd om ruimte te bieden aan de stoom achter het.

Alternator