Een klein beetje uranium zorgt voor evenveel elektriciteit als 70 ton steenkool of 390 vaten aardolie. Een elektriciteitscentrale die een stad met 1 miljoen inwoners van stroom voorziet, verbruikt net 3 kg uranium per dag. Het is dus veruit de meest geconcentreerde energiebron die de mens benut.
Uranium is niet erg zeldzaam en zijn atomen balanceren alle op de rand van instabiliteit. De kern, het hart van het atoom, heeft maar een klein ‘zetje’ nodig om te kunnen splijten. Als dat gebeurt, komt er bij deze zogenaamde kernsplijtingen een gigantische hoeveelheid energie vrij.
Voor zo’n ‘zetje’ kunnen neutronen zorgen, deeltjes veel kleiner dan een atoom, die tegen de kern botsen en deze laten splijten. Bij het splijten ontstaan minstens twee extra neutronen, die wegschieten en nog meer splijtingen veroorzaken. Als dit proces eenmaal op gang is gekomen, kan het nagenoeg eindeloos doorgaan.
De splijtingsenergie kan langzaam, stukje bij beetje, vrijgegeven worden en gebruikt worden om water te verwarmen. Met de ontstane stoom wordt een generator aangedreven die elektriciteit
opwekt.
Splijtstofstaven
De meeste reactoren hebben brandstofstaven die bestaan uit smalle buizen, gevuld met kleine tabletten uraandioxyde. Deze buizen worden meestal tot splijtstofelementensamengevoegd en verticaal neergezet.
Een geïnstalleerd element gaat zo’n drie jaar mee, maar zelfs na die tijd is nog niet al het uranium verbruikt. Er beginnen zich echtèr bijprodukten op te hopen in de vorm van gassen als krypton en vaste stoffen als caesium, strontium en plutonium. De elementen moeten verwijderd worden voordat er te veel bijprodukten zijn ontstaan en de staven gaan roesten. De opgebruikte staven worden met het resterende uranium naar een opwerkingsfabriek gebracht, waar uranium, plutonium en afvalprodukten van elkaar worden gescheiden.
Plutonium is een nuttig bij produkt van de kernindustrie. Het kan als brandstof dienen in kerncentrales, omdat het net als uranium kernen heeft die kunnen splijten en energie afgeven.
Uranium komt in allerlei vormen voor, die chemisch identiek zijn maar in hun atomen kernen van verschillende grootte hebben. Een van deze vormen (de zogenaamde isotopen) is uranium-23S, dat zijn naam ontleent aan de 23S deeltjes waaruit zijn kern bestaat. Slechts 7 op de 1000 atomen van in de natuur voorkomend uranium is 23S; de rest bestaat bijna geheel uit 238U.
Als 238U door neutronen wordt geraakt, dan splijt het minder snel dan 23SU. Het kan in een geheel nieuw element worden omgezet: plutonium-239. Als een reactor dus is toegerust op het gebruik van natuurlijk uranium als brandstof, dan bestaat de kans dat er door het 238U te veel neutronen worden opgenomen nog voordat ze de 235U-atomen kunnen raken en verdere splijtingen kunnen veroorzaken. De reactor komt dan niet op gang.
Hiervoor bestaan tWee oplossingen. Bij de eerste wordt de hoeveelheid 235U in de splijtstof vergroot van 7 tot 30 à 40 per 1000; Dit proces heet verrijken en vindt plaats voordat de splijtstof wordt aangemaakt, meestal in een centrifugeeen apparaat dat 235U en 238U scheidt door centrifugeren. Bij de tweede manier benut men de in de reactor aanwezige neutronen optimaal door ze te vertragen, waardoor de kans toeneemt dat ze een kettingreactie veroorzaken.
Ze kunnen worden vertraagd door ze heen en weer te laten ketsen tussen de lichte atomen van een element als waterstof of koolstof, net als het balletje in een flipperkast. Deze lichte elementen fungeren als ‘remstof’, omdát ze de snelheid van de neutronen matigen. De meeste hedendaagse reactoren gebruiken zowel verrijkte splijtstof als remstoffen. Sommige gebruiken water (waar uiteraard waterstof in zit) als remstof, andere koolstof in de vorm van grafiet, het harde, donkere materiaal dat als stift in potloden zit. Omdat een kerncentrale zo enorm veel
warmte produceert, moeten de reactoren met behulp van koelmiddelen tegen oververhitting worden beschermd. Bij een hogedruk-waterreactor wordt water gebruikt als koelmiddel, dus dit type centrale moet aan zee of bij een rivier worden gebouwd. In Groot-Brittannië werden de eerste reactoren gebouwd die met koolzuurgas worden gekoeld. In Canada koelt men de snelle kweekreactoren met zwaar water -water waarin de waterstofatomen zijn vervangen door het waterstofisotoop deuterium. Frankrijk loopt voorop met het gebruik van vloeibaar natrium als koelmiddel voor zijn snelle kweekreactoren.