Grönarealisten

Jag misstänker att en vanlig uppfattning bland folk, iallafall bland de som överhuvudtaget någonsin fundera på det, är att en kärnreaktor är en fruktansvärt känslig och komplex apparat som måste kontrolleras delikat annars jävlar. Kliver man in i kontrollrummer till en reaktor så förbättras inte bilden direkt, miljörörelsens gamla påstående om att kärnkraft är ett ohyggligt invecklat och farligt sätt att koka vatten känns då nästan sant. Det är faktiskt sant att ett kärnkraftverk är en komplex maskin, men majoriteten av komplexiteten är inte på grund av att hålla styr på kärnreaktionen. Den beror snare på alla kringsystem som krävs för att omvandla värmeenergin från fissionen till användbar energi, kontrollrummet till ett kolkraftverk ser precis lika förjävligt ut :)

Att kontrollera själva kärnreaktionen är egentligen busenkel eftersom den för det mesta kontrollerar sig själv!
Fission, som alla förhoppningsvis vet, orsakas av att en klyvbar isotop(tex U233, U235. PU239) absorberar en neutron, efter absorbtionen så blir kärnan ostabila och klyvs.



Förutom att bara klyvas så skickas även ett antal nya neutroner ut, i genomsnitt runt 3 stycken. Dessa nya neutroner kan i sin tur klyva nya kärnor osv och man får en kedjereaktion. Allt det ger upphov till att man har ett kontinuerligt neutronflöde i reaktorn, neutronflödet styrs av antalet fissioner som sker per sekund och antalet fissioner per sekund styrs av neutronflödet. Vid drift av en reaktor har man ett konstant neutronflödet i reaktorn vilket uppstår då en neutron från varje fission ger upphov till en ny fission. De andra 2 neutronerna som skapas absorberas antingen av icke klyvbara isotoper eller läcker helt enkelt ut ur reaktorn.

Det är genom att manipulera neutronflödet som en reaktor styrs, vill man ha ut större effekt så höjder man flödet, vilket leder till fler fissioner vilket frigör mer energi. Men den viktigaste kontrollen sker genom alla naturliga processer som har ett starkt inflytande på neutronflödet, gör man någon slags förändring på reaktorn så kommer detta automatiskt påverka neutronflödet, förändringarna i flödet kan i sin tur jobba för att förstärka eller släcka ut den ursprungliga förändringen. Det kallas positiv och negativ återkoppling, återkoppling(feedback) beskrivs elegant av wikipedia som

"Feedback is a process whereby some proportion of the output signal of a system is passed (fed back) to the input. This is often used to control the dynamic behavior of the system. "

Eftersom reaktioner sker så pass fort i en reaktor så är det inte överhuvudtaget realistiskt att kunna kontrollera den manuellt utan man måste till stor del förlita sig på de naturliga återkopplingarna, just därför är det ett krav på reaktorer i väst att de negativa återkopplingarna ska dominera över de positiva i alla lägen. Dvs om reaktorns effekt börjar öka av någon anledning så ska den effektökningen leda till att neutronflödet minskar vilket i sin tur sänker effekten och den ursprungliga effekökningen elimineras.

Vilka återkopplingar som är mest dominanta beror på vilken sorts reaktor man har och vilket sorts bränsle man använder. Men ska försöka beskriva några återkopplingar iallafall.

Dopplereffekten

Kort sagt så innebär dopplereffekten att fler neutroner absorberas i icke klyvbara kärnor när temperaturen på bränslet ökar. Att fler neutroner absorberas innebär givetvis att neutronflödet sjunker, det sänker effekten vilket i sin tur sänker temperaturen. När temperaturen sjunker så absorberas återigen färre neutroner och systemet har blivit stabilt igen. Om man sänker temperature på reaktorn sker det motsatta, dvs en effektökning som höjer temperaturen tills man nått jämvikt igen. Ska försöka förklara hur dopplereffekten fungerar vilket kanske blir lättare sagt än gjort.

Värme är inget annat än rörelse, när man ökar temperaturen så börjar atomer röra sig allt snabbare. Nu råkar det även vara så att sannolikheten för att en kärnreaktion ska ske när en neutron växelverkar med en atomkärna helt och hållet beror på rörelseenergin hos neutronen och kärnan. Nedan är tex en bild på sannolikheten för att en uran-238 kärna ska absorbera en neutron beroende på neutronenergin.



När man höjer temperaturen på uranet så kommer urankärnorna börja vibrera med större energin. Det innebär att ibland så rör sig kärnan i riktning mot neutronen när de växelverkar, vilket är samma sak som om neutronen hade haft högre energi och ibland så rör sig kärnan i motsatt riktning vilket sänker energin. Reaktionen sprids alltså över ett energiintervall. Om man skulle rita en graf likadan som ovan, fast med uran-238 atomerna vid högre temperatur så hade man sett att alla toppar i grafen blir bredare och flatare. Varje topp symboliserar en reaktionsenergi där sannolikheten för absorbtion är väldigt stor, om topparna breddas kommer fler neutroner ha en chans att absorberas.

I pebble bed reaktorer är dopplereffekten den primära kontrollen. Den är faktiskt så stark i de reaktorerna att man till fullo kan utnyttja dopplern för att kontrollera effekten. Vill man ha ut högre effekt av reaktor så ökar man flödet av kylmedel(helium), det extra kylmedelsflödet kommer sänka temperaturen på reaktorn vilket ökar effekten tills temperaturen stigit igen. Om något händer med kylningen så kommer reaktorn automatiskt slå av sig själv eftersom temperaturen blir för hög för att kedjereaktionen ska kunnas hållas igång. Väldigt elegant och man behöver inte besvära sig med kontrollstavar eller liknande!


Moderator void

En moderator är ett material som sänker energin på neutronerna i reaktorn, när neutroner frigörs vid fission så har de väldigt hög energi. Vid höga energier så är sannolikheten låg för att neutronen ska orsaka en fission och därmed behövs betydligt mer bränsle ifall man vill ha en reaktor som utnyttjar de neutronerna. Om man istället saktar ner neutronerna så ökar sannolikheten för fission dramatiskt och man kan använda betydligt mindre bränsle. Neutronerna saktas ner genom att kollidera med lätta atomkärnor, vid varje kollision förlorar de en viss energi tills energin blivit så låg att den motsvarar den termiska(värme)energin hos moderatoratomerna.

Void betyder tomrum och när man skriver moderator void så menar man kort och gott att bubblor bildas i moderatorn, tex genom att moderatorn börjar koka om temperaturen i reaktorn stiger för högt. Detta är bara relevant för reaktorer med flytande moderatorer som tung och lättvattenreaktorer. När det bildas bubblor i moderatorn så sjunker medeldensiteten på vattnet i reaktorn, lägre densitet innebär att färre neutroner kommer kollidera i moderatorn och saktas ner. Eftersom de söliga neutronerna behövs för att hålla igång kärnreaktionen så kommer neutronflödet sjunka och temperaturen sjunker tills moderatorn slutar koka. Den här effekten är den ultimata garantin för att kedjereaktionen aldrig kan skena iväg i lättvattenreaktorer, men det är en relativt långsam effekt i jämförelse med dopplereffekten eftersom en stor mängd vatten måste värmas upp till sin kokpunkt.  Dopplern är alltså den viktigaste återkopplingen även i lättvattenreaktorer.

Moderator temperatur

Som jag skrev ovan så kommer neutronerna saktas ner i moderatorn tills dess att de har samma energi som termiska rörelseenergin hos moderatoratomerna. Rörelseenergin hos atomerna beroende på temperatur fördelas på det sätt som man ser på bilden nedan.



När man höjer energin kommer alltså allt fler modererade atomer ha högre energin(fler neutroner hamnar i "svansen" på fördelningarna ovan), det kan ha olika effekter beroende på vilket sorts bränsle man använder. I vissa bränslen kommer det innebär att fler neutroner fångas av fissionstoppar och i andra så innebär det att fler fångas i absorbtionstoppar. Om återkopplingen är negativ eller positiv från denna effekten beror alltså på valet av bränsle.

Bränsleexpansion

När man värmer bränslet så kommer det expandera, om expansionen ger en positiv eller negativ återkoppling är återigen beroende på bränsle och reaktortyp. I min favoritreaktortyp, molten salt reaktorer, så är bränsleexpansionen ett bekymmer eftersom bränslet är ett flytande salt som expanderar rätt rejält. När saltet expanderar kommer fler neutroner lyckas ta sig ut till moderatorn, efter att ha blivit modererade återvänder de sen till bränslet och skapar fler fissioner vilket ger en positiv återkoppling. I andra reaktorer så kan bränsleexpansion leda till att fler neutroner går förlorat från rektorn vilket leder till negativ återkoppling. Jag har för mig, men är inte helt säker, på att bränsleexpansion är en väldigt viktig kontrollmekanism för vissa snabba reaktorer. Dvs reaktorer utan moderator.

De som orkat läsa så här långt har jag nog tråkat ut redan så det får räcka med det! En stor del av en reaktorfysikers jobb är att undersöka alla återkopplingar och se till att summan av alla negativa återkopplingar är större än summan av de positiva. Om de är det så är reaktorn säker och kan aldrig skena iväg så som tex tjernobyl gjorde.