Thermische reactor versus snelle reactor: verschil en vergelijking

Key Takeaways

1. Neutronensnelheid: Het fundamentele verschil tussen thermische reactoren en snelle reactoren is het energieniveau van de neutronen die splijting veroorzaken. Thermische reactoren gebruiken langzame of ‘thermische’ neutronen om de nucleaire kettingreactie in stand te houden, terwijl snelle reactoren hoogenergetische of ‘snelle’ neutronen gebruiken.
2. Brandstof en efficiëntie: Thermische reactoren gebruiken voornamelijk uranium-235 of plutonium-239 als brandstof, die splijtbaar zijn met zowel snelle als langzame neutronen. Snelle reactoren kunnen echter ook efficiënt gebruik maken van uranium-238, een veel voorkomende isotoop, en kunnen hieruit ook meer brandstof (plutonium-239) ‘kweken’, wat leidt tot een beter brandstofgebruik en minder afval.
3. Matiging en verkoeling: Thermische reactoren hebben een moderator nodig, zoals water of grafiet, om neutronen te vertragen tot thermische energie, die in veel ontwerpen ook als koelmiddel fungeert. Snelle reactoren gebruiken daarentegen geen moderator, omdat het doel is om de neutronensnelheid te behouden. In plaats daarvan gebruiken ze stoffen als vloeibaar natrium, lood of gesmolten zout voor koeling, die de neutronen niet vertragen.

Wat is een thermische reactor?

Een thermische reactor is een soort kernreactor die afhankelijk is van thermische neutronen om een ​​splijtingskettingreactie in stand te houden. Het is een cruciaal onderdeel van kerncentrales en onderzoeksreactoren. De term ‘thermisch’ verwijst naar het feit dat de neutronen die bij het splijtingsproces worden gebruikt, zijn vertraagd of gematigd om de energie te verlagen, waardoor ze effectiever zijn in het veroorzaken van splijting in bepaalde isotopen van uranium en plutonium.

Het basisprincipe achter een thermische reactor is het beheersen van de snelheid van kernsplijting door gebruik te maken van een moderatormateriaal, dat de snelle neutronen vertraagt ​​die tijdens de splijting worden geproduceerd. De meest gebruikte moderator in thermische reactoren is water (lichtwaterreactoren) of grafiet (grafiet-gemodereerde reactoren).

Wat is snelle reactor?

Een snelle reactor is een type kernreactor die snelle neutronen (neutronen met hogere kinetische energie) gebruikt om een ​​kettingreactie van kernsplijting in stand te houden. In tegenstelling tot thermische reactoren, die afhankelijk zijn van gethermaliseerde (vertraagde) neutronen, gebruiken snelle reactoren snelle neutronen om bepaalde isotopen van splijtstof, zoals plutonium-239 en uranium-233, te splijten. Snelle reactoren zijn ontworpen om kernbrandstof efficiënt te gebruiken en minder radioactief afval te produceren in vergelijking met conventionele thermische reactoren.

Snelle reactoren hebben verschillende voordelen, waaronder het potentieel voor een grotere brandstofefficiëntie, minder radioactief afval op de lange termijn en de mogelijkheid om bepaalde nucleaire brandstoffen te gebruiken die niet praktisch zijn in thermische reactoren. Snelle reactoren brengen echter ook technische uitdagingen en veiligheidsproblemen met zich mee, zoals het risico van snelle vermogenstoename (“prompt critical” events) en de corrosieve eigenschappen van vloeibare metaalkoelmiddelen.

Verschil tussen thermische reactor en snelle reactor

1. Neutronenenergie: Het belangrijkste verschil tussen thermische reactoren en snelle reactoren ligt in de energie van de neutronen die worden gebruikt om de kettingreactie van kernsplijting in stand te houden. Thermische reactoren gebruiken gethermaliseerde (vertraagde) neutronen, terwijl snelle reactoren snelle neutronen gebruiken (neutronen met hogere kinetische energie).
2. Brandstofgebruik: Thermische reactoren gebruiken verrijkt uraniumbrandstof; sommigen gebruiken mixed-oxide (MOX) brandstof die een combinatie van uranium- en plutoniumisotopen bevat. Snelle reactoren kunnen daarentegen een breder scala aan brandstoftypen gebruiken, waaronder plutonium-239 en uranium-233, en hebben het potentieel om een ​​grotere brandstofefficiëntie te bereiken en minder langlevend radioactief afval te genereren.
3. Neutronenmoderatie: In thermische reactoren wordt een moderator (bijvoorbeeld water of grafiet) gebruikt om neutronen te vertragen, wat de kans op splijting in bepaalde isotopen vergroot. Snelle reactoren werken zonder moderator of gebruiken minimale moderatie, waarbij ze voor splijtingsreacties afhankelijk zijn van snelle neutronen.
4. Veredelingsvermogen: Snelle reactoren hebben het potentieel om ‘kweekers’ te zijn, wat betekent dat ze meer splijtbaar materiaal kunnen produceren dan ze tijdens de werking verbruiken. Door niet-splijtbare isotopen (bijvoorbeeld uranium-238) om te zetten in splijtbare isotopen, zoals plutonium-239, kunnen snelle reactoren extra splijtstof genereren en tegelijkertijd energie opwekken. Thermische reactoren hebben geen significante kweekmogelijkheden.
5. Koelmiddel: Thermische reactoren gebruiken water als koelmiddel en soms als moderator. Snelle reactoren maken daarentegen gebruik van vloeibare metaalkoelmiddelen, zoals natrium of lood, die goede warmteoverdrachtseigenschappen hebben en op efficiënte wijze warmte uit de reactorkern kunnen verwijderen.

Vergelijking tussen thermische reactor en snelle reactor

Parameters van vergelijking:	Thermische reactor	Snelle reactor
Neutronen energie	Gethermaliseerde (vertraagde) neutronen	Snelle neutronen (hogere energie)
Brandstoftypes	Verrijkt uranium, MOX-brandstof	Plutonium-239, Uranium-233 en meer
Brandstofefficiëntie	Matige brandstofefficiëntie	Hogere brandstofefficiëntie (potentiële veredelaar)
Koelsysteem	Waterkoelvloeistof	Vloeibaar metaalkoelmiddel (bijv. natrium, lood)
Nucleair Afval	Produceert langlevend radioactief afval	Kan langlevend afval verminderen (potentiële veredelaar)

Referenties

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002954930900346X
2. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.13182/NT88-129

Laatst bijgewerkt: 18 augustus 2023