science >> Wetenschap >  >> Fysica

Hoe een kernsmelting werkt

Afbeeldingengalerij:rampen met kernsmelting Reactor 2 sluimert op de voorgrond van de kerncentrale Three Mile Island in Pennsylvania. Bekijk meer foto's van rampen met kernsmeltingen. John S. Zeedick/Getty Images

De term "nucleaire kernsmelting" is synoniem geworden voor worstcasescenario's. Dit is waar, of je het nu hebt over de figuurlijke ineenstorting van je baas op kantoor of over de zeer reële zorgen rond gebeurtenissen als de ramp met de kerncentrale in Fukushima Daiichi in 2011.

Inderdaad, aangezien kerncentrales geen nucleaire ontploffing in Hiroshima-stijl kunnen produceren, een kernsmelting is ongeveer net zo erg als maar kan. Gedurende het atoomtijdperk van de mensheid hebben zich talloze kernsmeltingen voorgedaan, hoewel gelukkig slechts vier grootschalige evenementen ooit hebben plaatsgevonden in civiele fabrieken. De eerste vond plaats in de Zwitserse Lucens-reactor in 1969. Het ongeval op Three Mile Island vond tien jaar later plaats, gevolgd door de ramp in Tsjernobyl in Rusland in 1986 en de puinhoop van Fukushima Daiichi in 2011.

De International Atomic Energy Agency (IAEA) rangschikt nucleaire gebeurtenissen op een schaal van nul tot zeven, variërend van een loutere afwijking zonder veiligheidsbelang (niveau 0) tot een zwaar ongeval (niveau 7) zoals Tsjernobyl waarbij wijdverbreide gezondheids- en milieuschade optreedt. Dat creëert verlaten steden en monumenten van vernietiging zoals de voet van een olifant.

Interessant genoeg, noch de IAEA, noch de U.S. Nuclear Regulatory Commission erkent officieel de term "nucleaire kernsmelting, " maar de woorden blijven angst inboezemen. In dit artikel, we zullen uiteenzetten hoe een kernreactor werkt en hoe een kernsmelting kan optreden.

Maak je niet al te veel zorgen over complexe vergelijkingen, want de hele situatie draait uiteindelijk om hitte. Goed gecontroleerde warmte in een reactor helpt bij het genereren van stroom. Uit de hand gelopen hitte, anderzijds, kan de reactor zelf doen smelten en de omgeving verontreinigen met gevaarlijke straling.

Ga nu naar de volgende pagina om te leren wat er gebeurt in een gezonde reactor.

Inhoud
  1. In een functionele kernreactor
  2. Binnen een nucleaire kernsmelting
  3. Hoe een kernsmelting te stoppen?

In een functionele kernreactor

Dit is een overzicht van een kerncentrale, maar stap binnen en volg een rondleiding om te zien hoe men werkt. © 2011 HowStuffWorks.com

Warmte maakt het verschil. Dat is de sleutel om te begrijpen hoe een gezonde kernreactor werkt en hoe een kernsmelting optreedt in een gecompromitteerde.

Eerst, laten we eens kijken naar een elementaire kolengestookte elektriciteitscentrale:we verbranden kolen om warmte te creëren. Die warmte kookt water om uit te zetten, stoom onder druk die naar een turbine gaat, die een generator laat draaien om die waardevolle vonk te produceren.

Een kerncentrale werkt op dezelfde manier, alleen de warmte komt van een geïnduceerde splijtingsreactie dat gebeurt in de reactor. splijting verwijst naar wanneer de atomen van een materiaal gestaag in tweeën splitsen, veel energie en warmte vrijgeven die we noemen verval warmte . Zien, uranium en andere radioactieve elementen ondergaan al spontane splijting tegen zeer lage snelheden zonder enige menselijke hulp. In een kerncentrale, operators stimuleren kunstmatig, of induceren, die splijtingsreactie door de met uranium gevulde splijtstofstaven te bombarderen met neutronen van eerdere splijtingsreacties. Dit betekent meer warmte om water tot stoom te koken.

Natuurlijk, je wilt niet dat de temperatuur in de kernreactor te hoog wordt, opdat ze de reactor niet beschadigen en schadelijke straling vrijgeven. Dus, het koelmiddel (vaak water) in de kern van de reactor dient ook om de temperatuur van de splijtstofstaven te matigen.

Het is net als autorijden:je wilt de motor niet oververhitten, want dat kan het beschadigen. Het verschil, echter, is dat je een voertuig kunt uitschakelen en de motor kunt laten afkoelen. Een auto genereert alleen warmte tijdens het rijden en mogelijk nog korte tijd daarna.

De radioactieve stoffen in een kernreactor, echter, zijn een ander verhaal. Het uranium en zelfs uitgestraalde gereedschappen en onderdelen zullen vervalwarmte blijven genereren, zelfs als fabrieksoperators alle geïnduceerde splijtingsreacties stopzetten. Wat ze in minuten kunnen doen.

Op de volgende pagina, we gaan naar een nucleaire kernsmelting.

Binnen een nucleaire kernsmelting

Terwijl we bespreken wat een kernsmelting is, het is ook belangrijk om te praten over wat een kernsmelting niet is. Het is geen nucleaire explosie. Noch zal een kernsmelting een gat door het centrum van de aarde verbranden, zoals gepopulariseerd in de rampenfilm 'The China Syndrome' uit 1979.

Bij een kernsmelting, we worden geconfronteerd met een uit de hand gelopen reactor, tot het punt waar het schade oploopt door zijn eigen hitte. Typisch, dit komt voort uit een verlies van koelvloeistof ongeval ( LOCA ). Als de koelmiddelcirculatie door de reactorkern vertraagt ​​of helemaal stopt, de temperatuur gaat omhoog.

De eerste dingen die smelten zijn de splijtstofstaven zelf. Als fabriekspersoneel de koelvloeistofcirculatie op dit punt kan herstellen, het ongeval kwalificeert als een gedeeltelijke kernsmelting . Het Three Mile Island-incident in 1979 valt onder deze categorie:de kern van de reactor van Unit 1 smolt, maar de beschermende behuizing rond de kern bleef intact. In feite, De Unit 2-reactor van de kerncentrale van Three Mile Island blijft stroom produceren in de schaduw van zijn gedeactiveerde tegenhanger.

Indien niet aangevinkt, echter, een gedeeltelijke kernsmelting kan verergeren tot een totale kernsmelting . Dergelijke situaties worden een race tegen de klok wanneer noodteams proberen de kernresten af ​​te koelen voordat ze door de lagen van de beschermende behuizing en zelfs het insluitingsgebouw zelf smelten. In 1986, Russische teams joegen de gesmolten overblijfselen van de reactorkern van de kerncentrale van Tsjernobyl naar de kelder van de faciliteit, het met water overstromen om de materialen af ​​te koelen voordat ze door het insluitingsgebouw kunnen verbranden en het grondwater kunnen vervuilen.

In maart 2011 De Japanse kerncentrale Fukushima Daiichi kreeg te maken met een verlies van koelvloeistof toen een krachtige aardbeving de back-upgeneratoren beschadigde die stroom leverden aan de waterkoelvloeistofpompen van de fabriek. De gebeurtenissen die volgden, illustreren enkele van de bijkomende complicaties die kunnen optreden tijdens een kernsmelting.

Straling in enkele oververhitte reactoren van Fukushima Daiichi (de faciliteit had er zes) begon het water te splitsen in zuurstof en waterstof. De resulterende waterstofexplosies braken door de secundaire insluitingsstructuren (of het tweede beschermingsniveau) van ten minste drie reactoren, waardoor nog meer straling kan ontsnappen. Een daaropvolgende explosie deed een eenheid zo hard schudden dat de primaire insluitingsstructuur van een reactor werd beschadigd.

Dus hoe voorkom je dat een nucleaire kernsmelting optreedt of erger wordt? Ontdek het op de volgende pagina.

Hoe een kernsmelting te stoppen?

Sterk uitgestraalde helikopters die in 1986 werden gebruikt om beton en water op de reactor van Tsjernobyl te dumpen, lagen in een veld nabij het Oekraïense dorp Rosoha. Daniel Berehulak/Getty Images

Opnieuw, nucleaire meltdowns komen neer op hitte en de vitale behoefte aan een werkend koelsysteem om de omstandigheden onder controle te houden. De ramp in Fukushima Daiichi herinnert ons eraan dat dit systeem van cruciaal belang is, zelfs als alle splijtingsactiviteiten zijn stopgezet. De Japanse fabriek dompelde de splijtstofstaven automatisch onder toen verhoogde seismische activiteit plaatsvond, effectief stoppen van alle splijtingsreacties binnen 10 minuten. Maar die staven produceerden nog steeds vervalwarmte waarvoor een functioneel koelsysteem nodig was.

Dit is ook de reden waarom hoogradioactief afval, zoals bestraalde of gebruikte splijtstof voor kernreactoren, baart zo'n zorgen. Het duurt tienduizenden jaren voordat deze materialen zijn vervallen tot veilige radioactieve niveaus. Gedurende een groot deel van deze tijd, ze vereisen een koelsysteem of voldoende inperkingsmaatregelen. Anders, ze branden door alles waar je ze in stopt.

Eerdere ontwerpen van kerncentrales bleken nog vatbaarder voor meltdowns, echter. Ten tijde van de respectievelijke ongevallen, de energiecentrales van Fukushima Daiichi en Three Mile Island gebruikten water niet alleen als koelmiddel, maar ook als a moderator . Een moderator verlaagt de snelheid van snelle neutronen, waardoor ze meer kans hebben om te botsen met splijtbare brandstofcomponenten en minder kans om te botsen met niet-splijtbare brandstofcomponenten. Met andere woorden, een moderator vergroot de kans op splijting in de reactor. Wanneer het water uit de kern van zo'n reactor wegstroomt, daarom, splijting stopt automatisch.

Tsjernobyl, anderzijds, gebruikt massief grafiet als moderator. Als de koelvloeistof wegloopt, de moderator blijft achter. Als zodanig, verlies van water in een reactor van het Tsjernobyl-type kan de splijtingssnelheid zelfs verhogen.

Om te voorkomen dat een koelvloeistofverlies in een meltdown verandert, exploitanten van installaties moeten de kern van de reactor afkoelen. Dit betekent dat er meer koelvloeistof door de oververhitte brandstofstaven moet worden gespoeld. Hoe nieuwer de brandstofstaven zijn, hoe sneller deze afkoeling zal plaatsvinden.

Als een gedeeltelijke meltdown begint op te treden, de staven zullen slapheid . Indien niet aangevinkt, de inzakkende staven zullen dan smelten en zich op de bodem van de reactorkern verzamelen in een groot gesmolten slib. Dat radioactief slib zou een nog grotere uitdaging vormen voor de koeling. Het is niet alleen een enkele massa (in tegenstelling tot meerdere onafhankelijke staven), een kant ervan wordt tegen de bodem van de reactorkern gedrukt, gestaag er doorheen branden via de warmte die het produceert.

In het geval van Tsjernobyl, noodteams pompten honderden tonnen water in om de reactorkern te koelen. Volgende, ze dumpten boor, klei, dolomiet, lood en zand per helikopter naar de brandende kern om de branden te blussen en het opstijgen van radioactieve deeltjes in de atmosfeer te beperken. In de maanden die volgden, ze omhulden de verwoeste plant in een betonnen afscherming die vaak wordt aangeduid als a sarcofaag .

Opnieuw, kerncentrales komen uiteindelijk neer op warmteopwekking, en hun onderhoud hangt af van een goede regeling van die warmte. Als het koelsysteem uitvalt, omstandigheden kunnen gestaag uit de hand lopen.

Bekijk de links op de volgende pagina voor nog meer informatie over kernenergie.

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Hoe de Japanse nucleaire crisis werkt
  • Hoe kernonderzeeërs werken
  • Hoe kernenergie werkt
  • Hoe nucleaire detectives werken
  • Hoe kernbommen werken
  • Hoe zou de nucleaire winter eruit zien?
  • Hoe nucleaire straling werkt
  • Hoe kernfusiereactoren werken
  • 5 grootste kernreactoren

Meer geweldige links

  • Nuclear Regulatory Commission van de Verenigde Staten
  • Wereld Nucleaire Associatie

bronnen

  • Amos, Jonathan. "Lang spel in de kerncentrale van Japan." BBC-nieuws 29 maart 2011. (5 april, 2011) http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-12896690
  • "Ongeval in Tsjernobyl." Wereld Nucleaire Associatie. Maart 2011.http://www.world-nuclear.org/info/chernobyl/inf07.html
  • Chua-Eoan, Howard. "Hoe een kernsmelting te stoppen." TIJD. 12 maart, 2011. (5 april, 2011) http://www.time.com/time/world/article/0, 8599, 2058615, 00.html
  • Grietje, Pieter. Kernsmelting 101:Wat is een kernsmelting van een kernreactor? Christelijke Wetenschapsmonitor. 14 maart, 2011. (5 april, 2011) http://www.csmonitor.com/USA/2011/0314/Meltdown-101-What-is-a-nuclear-reactor-meltdown
  • "Japanners vluchten terwijl waarschuwingen voor kerncentrales ernstig worden." NPR. 15 maart, 2011. (maart, 15, 2011) http://www.npr.org/2011/03/15/134552919/stunned-japan-struggles-to-bind-its-wounds
  • Marder, Jenny. "Mechanica van een nucleaire kernsmelting verklaard." PBS Nieuwsuur. 15 maart, 2011. (5 april, 2011) http://www.pbs.org/newshour/rundown/2011/03/mechanics-of-a-meltdown-explained.html
  • Sobel, Michaël. "Kernongevallen." Brooklyn College. (5 april, 2011) http://academic.brooklyn.cuny.edu/physics/sobel/Nucphys/acc.html
  • Sorenson, Kirk. "Uitlegger:wat veroorzaakte het incident in Fukushima-Daiichi." Forbes. 15 maart, 2011. (maart, 15, 2011) http://blogs.forbes.com/christopherhelman/2011/03/15/explainer-what-caused-the-incident-at-fukushima-daiichi/
  • "Wereld kernenergiereactoren en uraniumvereisten." Wereld Nucleaire Associatie. 2 maart, 2011. (15 maart, 2011) http://www.world-nuclear.org/info/reactors.html
  • Zyga, Lisa. Hoe werkt een kernsmelting? Physorg.com. 17 maart, 2011. (5 april, 2011) http://www.physorg.com/news/2011-03-nuclear-meltdown-video.html

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Saharastof:het goede,
  2. Functie van T-cellen in de Thymus Gland
  3. Geen zoetekauw meer? Wetenschap schakelt het verlangen naar suiker bij muizen uit
  4. Trucs voor het onthouden van dierenfylum
  5. Hoe een prokaryotisch celmodel te maken
  6. Hoe komen de spermacellen in een stuifmeelkorrel aan bij de eicelklus in een plant-ovule?
  7. Nieuwe studie toont aan dat cannabis het geheugen van oudere muizen verhoogt
  8. Wat zijn de belangrijkste functies van Cilia & Flagella?
  9. Biosfeer: definitie, hulpbronnen, cycli, feiten en voorbeelden

Wetenschap