Ydinreaktio
Ydinvoimalaitoksen energiantuotanto perustuu uraanipolttoaineessa tapahtuvaan fissioon ja hallittuun ketjureaktioon.
Fissiossa neutroni törmää U-235-isotoopin ytimeen ja halkaisee sen. Halkeamisen yhteydessä vapautuu 2–3 uutta neutronia ja fissiotuotteita. Osa vapautuneista neutroneista jatkaa ketjureaktiota.
Jokaisen halkeamisen seurauksena vapautuu runsaasti energiaa. Näin hyvin pienillä määrillä uraanipolttoainetta pystytään tuottamaan suuria määriä lämpöä. Esimerkiksi yksi gramma fissiokelpoista ainetta vastaa 24 000 kilowattituntia energiaa. Fissiossa syntynyttä lämpöenergiaa hyödynnetään ydinvoimalaitoksessa sähkön tuottamiseen höyryturbiinin ja sähkögeneraattorin avulla.
Fissioreaktiossa syntyvät fissiotuotteet ovat radioaktiivisia, eli ne hajoavat toisiksi alkuaineiksi. Hajoamisen yhteydessä ytimet lähettävät säteilyä. Radioaktiivisten fissiotuotteiden säteily aiheuttaa polttoaineessa ns. jälkilämpöä. Jälkilämmön poistosta tulee huolehtia polttoaineen käsittelyn kaikissa vaiheissa.
Neutronit reaktorissa
Ydinreaktorin toimintaa säädellään vaikuttamalla reaktorin neutronitasapainoon. Lisäämällä reaktorisydämeen neutroneja absorboivaa ainetta vähennetään neutronien määrää, jolloin teho alenee ja päinvastoin.
Reaktorissa kiertävä jäähdytysvesi toimii samalla fissiossa syntyvien neutronien hidastimena. Fissiossa vapautuvat neutronit ovat niin nopeita, että niiden todennäköisyys aiheuttaa uraaniytimen halkeaminen on hyvin pieni. Törmäillessään jäähdytysveden vetyatomeihin neutronit menettävät nopeuttaan ja hidastuttuaan riittävästi ne voivat aiheuttaa polttoaineessa uusia fissioita.
Reaktorin tehon säätöön käytetään pääkiertopumppujen ylläpitämää pääkiertovirtausta ja säätösauvoja. Säätösauvat sisältävät neutroneja voimakkaasti absorboivaa ainetta, esimerkiksi kadmiumia, booria tai hafniumia.
Historiaa
Fission löysivät saksalaiset kemistit Otto Hahn ja Fritz Strassman vuonna 1939. He pommittivat uraania sisältävää liuosta neutroneilla ja havaitsivat, että siihen syntyi sellaisia aineita, joita liuoksessa ei alkuaan ollut, muun muassa bariumia. Arvoituksen ratkaisivat vähän myöhemmin fyysikot Lise Meitner ja Otto Frisch, jotka päättelivät, että uraaniydin voi hajota kahteen likimain yhtä suureen osaan neutronin osuessa siihen.
Neutronin olemassaolon oli vuonna 1932 todennut englantilainen fyysikko James Chadwick, ja pian huomattiin, että neutronilla oli erikoisasema alkeishiukkasten joukossa. Sähköisesti neutraalina sitä voidaan käyttää ammuksena, joka pystyy tunkeutumaan atomiytimeen aiheuttaen siinä erilaisia reaktioita.