How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Vertaald door: Oeds Eilander Nagekeken door: Peter van de Ven

Op een decembernamiddag in Chicago, middenin de Tweede Wereldoorlog

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

kraakten wetenschappers de kern van een uraniumatoom

en zetten nucleaire massa herhaaldelijk in energie om.

and turned nuclear mass into energy over and over again.

Dit geschiedde door het creëren van een kettingreactie

They did this by creating for the first time

a chain reaction inside a new engineering marvel:

in een nieuw technologisch hoogstandje:

the nuclear reactor.

de kernreactor.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

De mogelijkheid om veel energie uit uraniumkernen te winnen

heeft er sindsdien toe geleid

has led some to bill nuclear power

dat sommigen kernenergie aanprijzen als onuitputbare, utopische energiebron.

as a plentiful utopian source of electricity.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

Een moderne kernreactor genereert genoeg elektriciteit uit één kilogram splijtstof

to power an average American household for nearly 34 years.

om een doorsnee Amerikaans huishouden bijna 34 jaar van energie te voorzien.

But rather than dominate the global electricity market,

Kernenergie is de elektriciteitsmarkt echter niet gaan domineren:

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

het is afgenomen van 18% op het hoogtepunt in 1996

to 11% today.

tot 11% vandaag de dag.

And it's expected to drop further in the coming decades.

En er wordt een verdere afname in de komende decennia verwacht.

Wat is er met deze veelbelovende technologie gebeurd?

What happened to the great promise of this technology?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Het is gebleken dat kernenergie veel hindernissen kent,

including high construction costs

waaronder hoge constructiekosten

and public opposition.

en maatschappelijk verzet.

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

En naast deze problemen ligt een reeks unieke technologische uitdagingen.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

Kernenergie steunt op het splijten van uraniumkernen

and a controlled chain reaction

en op een gecontroleerde kettingreactie

die voor het splijten van andere atoomkernen zorgt.

that reproduces this splitting in many more nuclei.

In de atoomkern zitten protonen en neutronen dicht opeengepakt,

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

bound by a powerful nuclear force.

samengehouden door een nucleaire kracht.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

De meeste uraniumatomen hebben in totaal 238 protonen en neutronen,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

maar ruwweg 1 op de 140 mist drie neutronen,

en dit lichtere isotoop is minder sterk gebonden.

and this lighter isotope is less tightly bound.

Compared to its more abundant cousin,

Vergeleken met zijn vaker voorkomende neefje

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

laat de 235U-kern zich door een klap met een neutron gemakkelijk splijten

into lighter, radioactive elements called fission products,

tot lichtere, radioactieve elementen, splijtingsproducten genaamd,

in addition to two to three neutrons,

met daarnaast twee à drie neutronen,

gamma rays,

gammastraling

and a few neutrinos.

en enkele neutrino's.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Tijdens het splijten verandert een beetje nucleaire massa in energie.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

Een fractie van de nieuwe energie drijft snelbewegende neutronen aan

and if some of them strike uranium nuclei,

en als enkele daarvan uraniumkernen treffen,

fission results in a second larger generation of neutrons.

resulteert splijting in een tweede, grotere generatie neutronen.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Als deze tweede generatie neutronen meer uraniumkernen treft,

more fission results in an even larger third generation, and so on.

resulteert splijting in een derde, nog grotere generatie, enzovoort.

Maar in een kernreactor

But inside a nuclear reactor,

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

wordt deze oplopende reactie getemperd door middel van regelstaven,

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

gemaakt van elementen die overtollige neutronen vangen

en de aantallen onder controle houden.

Via een gecontroleerde kettingreactie

With a controlled chain reaction,

a reactor draws power steadily and stably for years.

produceert een reactor jarenlang gestaag en stabiel energie.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

De neutron-aangedreven kettingreactie is een effectief proces,

but there's a catch that can result

maar er is een valkuil

die tot specifieke vereisten in de splijtstofproductie kan leiden.

in unique demands on the production of its fuel.

Gebleken is dat het gros van de door splijting ontstane neutronen

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

te snel is om door uraniumkernen gevangen te kunnen worden.

to be captured by uranium nuclei.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

De splijtingsgraad is te laag en de kettingreactie sterft weg.

De eerste in Chicago gebouwde kernreactor gebruikte grafiet als moderator

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

to scatter and slow down neutrons just enough

om neutronen in voldoende mate te verspreiden en vertragen

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

om zo de vangst door uranium te verhogen en daarmee de splijtingsgraad.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Moderne reactoren gebruiken gewoonlijk gezuiverd water als moderator,

maar de verspreide neutronen zijn nog steeds iets te snel.

but the scattered neutrons are still a little too fast.

To compensate and keep up the chain reaction,

Om de kettingreactie op gang te houden,

the concentration of U-235 is enriched

wordt de concentratie 235U ter compensatie verrijkt

to four to seven times its natural abundance.

tot vier à zeven maal zijn natuurlijke hoeveelheid.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

Tegenwoordig vindt verrijking vaak plaats

door een gasvormig uraniummengsel door centrifuges te leiden

through centrifuges

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

om zo het lichtere 235U van het zwaardere 238U te scheiden.

Maar dit proces kan worden voortgezet

But the same process can be continued to highly enrich U-235

om het 235U tot wel 130 maal zijn natuurlijke aanwezigheid te verrijken

up to 130 times its natural abundance

and create an explosive chain reaction in a bomb.

en in de vorm van een bom een explosieve kettingreactie te creëren.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Methodes als centrifugeren moeten nauwgezet worden gereguleerd

to limit the spread of bomb-grade fuel.

om de hoeveelheid voor bommen geschikte splijtstof te beperken.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Onthoud dat slechts een fractie van de splijtingsenergie

goes into speeding up neutrons.

opgaat in de versnelling van neutronen.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

De meeste kernenergie

gaat op in de kinetische energie van de splijtingsproducten.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

Deze worden als hitte opgevangen door een koelvloeistof,

meestal gezuiverd water.

usually purified water.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

Deze hitte dient uiteindelijk

om net buiten de reactor met een stoomturbine stroom op te wekken.

just outside the reactor.

Water flow is critical not only to create electricity,

Aanvoer van water is niet alleen cruciaal voor het creëren van stroom,

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

maar ook voor het voorkomen van het meest gevreesde reactorongeval:

the meltdown.

een kernsmelting.

Als de aanvoer van water stopt,

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

omdat een aanvoerleiding breekt of de aanvoerpompen falen,

or the pumps that push it fail,

the uranium heats up very quickly and melts.

wordt het uranium snel heet, waardoor het smelt.

During a nuclear meltdown,

Tijdens een kernsmelting

verspreiden radioactieve dampen zich in de reactor,

radioactive vapors escape into the reactor,

and if the reactor fails to hold them,

en wanneer ze uit de reactor ontsnappen,

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

is een insluitingsbouwwerk van staal en beton

de laatste verdedigingslinie.

Als de druk van het radioactieve gas echter te hoog oploopt,

But if the radioactive gas pressure is too high,

schiet de bescherming tekort en ontsnapt het gas in de lucht,

containment fails and the gasses escape into the air,

spreading as far and wide as the wind blows.

waarna het zich zo ver verspreidt als de wind het brengt.

The radioactive fission products in these vapors

De radioactieve splijtingsproducten in deze dampen

eventually decay into stable elements.

vervallen uiteindelijk tot stabiele elementen.

While some decay in a few seconds,

Hoewel sommige in enkele seconden vervallen,

others take hundreds of thousands of years.

vervallen andere in honderden of duizenden jaren.

The greatest challenge for a nuclear reactor

De grootste uitdaging voor een kernreactor

is to safely contain these products

is het veilig insluiten van deze producten,

and keep them from harming humans or the environment.

zodat ze de bevolking en het milieu niet kunnen schaden.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

Echter, als de splijtstof op is, vervalt het belang van insluiting niet.

In fact, it becomes an even greater storage problem.

Eigenlijk is de opslag een groter probleem.

Elke één à twee jaar

Every one to two years,

some spent fuel is removed from reactors

wordt een beetje opgebruikte splijtstof uit de reactors verwijderd

and stored in pools of water that cool the waste

en in baden met water opgeslagen om het afval af te koelen

and block its radioactive emissions.

en de radioactieve uitstoot te blokkeren.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

De bestraalde splijtstof is een mengsel van niet gespleten uranium,

fission products,

splijtingsproducten

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

en plutonium, een radioactieve stof die niet in de natuur voorkomt.

This mix must be isolated from the environment

Dit mengsel moet uit het milieu blijven,

until it has all safely decayed.

totdat alles veilig vervallen is.

Veel landen stellen langdurige opslag in tunnels diep onder de grond voor,

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

but none have been built,

maar deze zijn nog niet geboord

en er zijn grote twijfels over de langetermijnveiligheid.

and there's great uncertainty about their long-term security.

Hoe kan een natie die pas een honderdtal jaren bestaat

How can a nation that has existed for only a few hundred years

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

de opslag van plutonium plannen,

terwijl het een halfwaardetijd van 24.000 jaar heeft?

of 24,000 years?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

Momenteel bewaren veel kerncentrales hun afval voor onbepaalde tijd

storing them indefinitely on site.

op eigen terrein.

Opgebruikte splijtstof kent echter een nog groter gevaar dan radioactiviteit.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

Plutonium can sustain a chain reaction

Plutonium kan een kernreactie op gang houden

en kan uit het afval gedolven worden om bommen te maken.

and can be mined from the waste to make bombs.

Opgebruikte splijtstof opslaan, is niet enkel een risico voor het milieu,

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

but also a security risk for nations.

maar voor naties ook een veiligheidsrisico.

Wie zou het moeten bewaken?

Who should be the watchmen to guard it?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

Visionaire wetenschappers

vonden in de eerste jaren van het nucleaire tijdperk uit

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

hoe ze een geweldige hoeveelheid energie uit een atoom konden winnen;

inside an atom -

as an explosive bomb

danwel als explosieve bom,

danwel als een gecontroleerde krachtbron met een indrukwekkend potentieel.

and as a controlled power source with incredible potential.

Maar hun opvolgers hebben inzichten verworven

But their successors have learned humbling insights

over de niet bepaald utopische, industriële beperkingen van de techniek.

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

Het subatomaire domein ontginnen, is een complexe, dure en riskante zaak.