Kernekraft: Energi genereret af kontrolleret fission

Der er for få eller ingen kildehenvisninger i denne artikel, hvilket er et problem. Du kan hjælpe ved at angive troværdige kilder til de påstande, som fremføres i artiklen.

Disse reaktioner foregår enten i en kernereaktor (ved enten fission eller fusion) eller i en radioisotopgenerator (ved passiv fission af ustabile atomkerner). Kernekraft udgør et alternativ til energiforsyning, der for eksempel er baseret på fossile brændsler. Fissions-baseret kernekraft indgår i dag i flere landes energistrategi. Fusionskraft er stadig på udviklingsstadiet, mens radioisotop-generatorer anvendes i rumfartøjer, for eksempel Voyager 2. Cirka 17 procent^{[kilde mangler]} af verdens samlede generering af elektrisk energi stammer fra kernekraft.

Der findes grundlæggende to forskellige måder at udvinde energi fra kernereaktioner:

• Ved fusion forenes to lette kerner til en tungere.
• Ved fission spaltes tunge kerner i lette.

I begge tilfælde konverteres en del af kernens overskydende bindingsenergi (der stammer fra de stærke kernekræfter i nukleonen), dvs. masseforskellen mellem den oprindelige nukleon (eller nukleoner) og den/de resulterende nukleon/-er, til energi i form af varme, bevægelse og gammastråling i de tilfælde, hvor de resulterende kerneprodukter på grafen bevæger sig hen imod ⁶²Ni, som jo har den højeste gennemsnitlige bindingsenergi per nukleon. Sammenhængen mellem massetab (${\displaystyle \Delta m}$ ) og energigevinst (${\displaystyle \Delta E}$ ) er givet ved Einsteins berømte ligning ${\displaystyle \Delta E=\Delta mc^{2}}$ , hvor ${\displaystyle c}$  er lysets hastighed. Det følger af formlen, at man opnår en energi på i størrelsesorden 10¹⁷ joule svarende til Danmarks samlede, årlige el-forbrug, når man omdanner 1 kilogram masse til energi.^{[kilde mangler]} Til sammenligning skal der afbrændes cirka 3 millioner ton kul for at frigøre samme mængde energi.^{[kilde mangler]}

Fissionsenergi

Fissionskraft betegner energiforsyning, som bygger på spaltning af atomkerner. I mange sammenhænge benyttes kernekraft synonymt med fissionskraft, eftersom fusionskraft endnu befinder sig på et tidligt udviklingsstadium. Fissionsreaktionerne foregår i en kernereaktor, hvis opbygning retter sig efter brændslets art og kernekraftværkets øvrige udformning.

I de fleste tilfælde udgøres brændslet af uran, som i langt de fleste reaktortyper er i form af uranpellets placeret i metalrør, der så har form af stave. Urankernerne spaltes (fissionerer) til mindre kerner og udsender derved neutroner, der nedbremses med såkaldte moderator-stoffer, som for eksempel vand, og kan derved opfanges af et nyt uranatom, hvorefter fissionsprocessen holdes i gang.

Naturligt uran forekommer som tre isotoper: U-235 (0,71%) med 143 neutroner, U-238 (99,28%) med 146 neutroner og U-234 (ca. 0,0054%). U-238 kan spaltes af hurtige neutroner, men kun med lille sandsynlighed, og U-238 er derfor i de fleste reaktorer uegnet til formålet stabil energiforsyning. U-235 kan spaltes af langsomme (såkaldte termiske) neutroner. F.eks. ifølge reaktionsligningen herunder. Højresiden har mange flere varianter og i snit frigives der 2,5 neutroner per fission:

${\displaystyle {}_{\ 92}^{235}\mathrm {U} \ +\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ _{\ 92}^{236}\mathrm {U} \ \rightarrow \ _{\ 54}^{140}\mathrm {Xe} \ +\ _{38}^{94}\mathrm {Sr} \ +\ 2\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ +\ \varepsilon }$ 

hvor ${\displaystyle {}_{0}^{1}\mathrm {n} }$  betegner en neutron, og hvor den frigjorte energi, ${\displaystyle \varepsilon }$ , er lig 179 megaelektronvolt. 1 kilogram U-235 leverer hermed en energimængde ved sin fission og massekonvertering, som svarer til afbrænding af 2,4 millioner Kg fossilt brændstof.

De neutroner, som frigives ved fissionsprocesserne, er hurtige. For at få en nuklear kædereaktion til at forløbe, så må man derfor nedbremse neutronerne vha. en såkaldt neutron-moderator, som typisk består af grafit, almindeligt vand eller tungt vand. Afhængigt af reaktortypen er det også nødvendigt at berige uranet, dvs. øge andelen af U-235. Kædereaktionen holdes under kontrol ved indsætning eller udtrækning af neutronabsorberende kontrolstænger i/fra kernen.

Et andet spalteligt stof (fissionerbart materiale) er Thorium-232 (Th-232), der efter neutronindfangning danner den fissile isotop U-233. Thorium er derfor indtil videre kun blevet brugt i mindre skala til kraftproduktion, for eksempel i særligt designede reaktor, f.eks. i såkaldte formerings-reaktorer (engelsk: Breeders).

Plutonium-239 (Pu-239) er også et fissilt stof, der dog ikke forekommer i naturen. De fissile isotoper kan således, udover at anvendes i A-bomber, også anvendes til fredelige formål, herunder især atomkraft.

Danskeren og Nobelpristageren Niels Bohr deltog aktivt i Manhattan-projektet om udvikling af atomvåben, men er i Danmark også kendt for at medvirke til oprettelsen af Forsøgsanlæg Risø, og for at fremme den fredelige udnyttelse af kernekraften internationalt.

Kernekraft har i perioder været mødt af betydelig folkelig modstand, også i Danmark hvor kernekraft siden 1970'erne er et belastet emne i den offentlige debat. Indvendingerne mod kernekraft går dels på risikoen for reaktorhavari og deraf følgende forurening af omgivelserne med radioaktive isotoper, dels på det uløste opbevaringsproblem, som opstår, når man skal deponere de udbrændte, men fortsat radioaktive brændselsstave. Den hidtil alvorligste kernekraftulykke skete på kernekraftværket Tjernobyl i Ukraine i det tidligere Sovjetunionen i 1986. En anden bekymring knytter sig til den kendsgerning, at den fredelige udnyttelse af kernekraft kan fungere som skalkeskjul for stater som ønsker at udvikle kernevåben. Overvågningsorganisationen IAEA forsøger at forhindre noget sådant i at finde sted.

I nutiden er kernekraft under afvikling i visse lande (først og fremmest Tyskland), medens den udbygges i andre (Frankrig og Finland). I Frankrig (2006) genereres cirka 78% af den elektriske energi af kernekraft.^{[kilde mangler]}

Man bedes bemærke, at den mest udbredte atomkraft i dag (2010) hovedsageligt er baseret på uran-235. Problemet med atomkraftværker baseret på uran-235 er, at isotopen uran-235 kun udgør 0,7% af det naturlige uran – og at de rigeste (rentable og mindst CO₂-svinende) kendte uranforekomster svinder hastigt ind (prognose år 2016) og prognosen er, at Jordens uranudvinding, med nuværende uran-235 forbrug og udvindingsteknikker, i 2076 (prognose) vil bruge mere energi på udvinding end udvundet energi ved fission – det kaldes urans energiafgrund. Hvis landene bygger flere atomkraftværker, vil det blot øge hastigheden mod uranenergiafgrunden.

Fissionsenergi baseret på uran kan muligvis med ét slag blive en langtidsenergikilde for Jorden, hvis man kan få lavet en holdbar og sikker hurtig formeringsreaktor. Grunden ville være, at også uran-238 kan anvendes, hvilket vil øge energiudbyttet per udvunden kg uran med mindst en faktor 50. Ydermere er det muligt, at de langtidsradioaktive tunge kerner (typisk aktinider f.eks. plutonium) også ville kunne fissioneres i reaktoren med fordelene – mere udvunden energi og ægte destruktion af langtidsradioaktiv kernekraftaffald, som i dag hober sig op Jorden rundt.

Fusionsenergi

  Uddybende artikel: Fusionsenergi

 

Fusionskraft betegner energiforsyning som bygger på sammensmeltning af atomkerner. Mens kernekraft byggende på fission er en for længst etableret teknologi, støder man ved fusionskraft på den hindring, at man skal overvinde den elektriske frastødning mellem kernernes protoner for at sammensmelte dem. I Solen og andre stjerner sker det ved en temperatur af størrelsesorden 1 million kelvin, og selv om der er gjort ihærdige bestræbelser på at realisere kold fusion, er opvarmning af fusionbrændslet vha. elektromagnetiske felter fortsat den foretrukne angrebsvinkel. Alternative strategier inkluderer fokusering af laserstråler på små dråber kernebrændsel (laserstrålernes mission er at skabe stort tryk og høj temperatur) og myon-katalyseret fusion (ved udskiftning af atomernes elektroner med de tungere myoner opnår man at gøre atomets radius mindre, hvorved atomkernerne lettere kan bringes tæt på hinanden).

Prognosen for hvor lang tid det radioaktive affald fra fusion vil være farligt, estimeres til kun at være 50 år – og 100 år for det længstlivede radioaktive affald. Efter 300 år vil radioaktiviteten være sammenlignelig med kulaske. Det er en af grundene til, at fusionsenergi ser væsentlig mere interessant ud end fissionsenergi.

Det har vist sig at deuterium (D) og tritium (T) er de bedste kandidater til at være reaktanter i den energiudviklende proces. Deuterium er en isotop af hydrogen som findes i tungt vand, der kan udvindes af sædvanligt ferskvand ved elektrolyse efterfulgt af destillation. Tritium fremstilles af metallet lithium ved beskydning med neutroner efter følgende reaktionsligning:

${\displaystyle {}_{3}^{6}\mathrm {Li} \ +\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ \rightarrow \ _{1}^{3}\mathrm {T} \ +\ _{2}^{4}\mathrm {He} }$ .

T/D-blandingen opvarmes til 100 millioner kelvin i et torusformet kammer, hvor superledende spoler genererer et magnetfelt som restringerer det opståede plasma til at bevæge sig langs omdrejningsaksen. Den energiudviklende reaktion er som følger:

${\displaystyle {}_{1}^{2}\mathrm {D} \ +\ _{1}^{3}\mathrm {T} \rightarrow \ _{2}^{4}\mathrm {He} \ +\ _{0}^{1}\mathrm {n} \ +\ \varepsilon }$ ,

hvor ${\displaystyle {}_{0}^{1}\mathrm {n} }$  betegner en neutron, og hvor den frisatte energi, ${\displaystyle \varepsilon }$ , er lig 17,9 megaelektronvolt. 1 kilogram fusionsbrændsel leverer hermed en energimængde som svarer til afbrænding af 12 megaton fossilt brændstof.

Indtil videre er det kun lykkedes at få fusionsprocessen til at forløbe i meget korte tidsrum, og energiforbruget ved opvarmningen af plasmaet m.v. er indtil videre større end den energi, der frigøres ved kernesammensmeltningen. USA, Japan, Rusland, Canada, Sydkorea og EU samarbejder i projektet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) om at udvikle prototypen på en fusionsreaktor, der udvikler mere energi end den forbruger. Lykkes det, haves i fusionskraft en praktisk taget uudtømmelig energikilde.

Radioaktiv stråling

Det påstås også af nogle, at kernekraftværker genererer langt mere stråling end kulkraftværker. Men det kommer an på, hvordan man betragter dette. Udledningerne fra kernekraftværker overvåges nøje, og omfatter primært vand (damp) + gas-udledning under drift. Udledninger fra kulkraft omfatter radioaktive partikler, der sad i kullet, og de tilladelige niveauer er ikke på samme måde som for atomkraft reguleret. De radioaktive materialer fra kulkraft i sad jo oprindeligt i kullet, hvorimod kernekraft ved sin energiproduktion genererer flere radioaktive elementer grundet kernespaltningerne. Dog forbliver langt hovedparten af disse radioaktive stoffer, herunder en hel del tilbageværende uran, ladt tilbage inde i brændselsstaven.

Affaldsproblem

Et ofte fremførte kritikpunkt omkring kernekraft er affaldsproblemet. Kernekraft genererer flere typer affald under drift, herunder slutproduktet, dvs. det brugte brændsel tilbage i brændselsstavene. Det benævnes ofte som det høj- og langtids-radioaktive affald. Derudover skabes mellemradioaktivt affald og lavradioaktivt affald, i forskellige dele af processerne under drift, såsom f.eks. de metalliske reaktordele omkring brændslet, der bestråles under drift, eller plasthandsker og kølevand, der optager ganske små andele radioaktivt materiale eller støv. De relative mængder er forskelligt afhængigt af det atombrændsel, der anvendes, eller typen af reaktor. Disse høj- mellem- og lav-radioaktive slutprodukterne (eller affald) har typisk behov for behandling, koncentration eller indkapsling, før de endeligt enten genbruges, deponeres eller på anden måde destrueres eller uskadeliggøres som risiko. Mange lande med kernekraft som f.eks. USA og Tyskland, har endnu ikke fundet en løsning på deponering af især det høj- og langlivede affald (det brugte brændsel) i et såkaldt slutdepot. Andre, f.eks. Sverige og Finland, har efter mange års forskning og geologiske undersøgelser besluttet at anbringe sådant slutdepot dybt i hver deres grundfjeld. Derudover forskes der i rentable måder at omsætte de langlivede radioaktive aktinider (10.000-100.000 år) til andre stabile grundstoffer eller høj-radioaktive, men kortlivede radioaktive grundstoffer. Sådanne processer kaldes transmutation. En anden måde at håndtere det brugte brændsel er kemisk reprocessering det til enten nyt brændsel og en mindre, mere højradioaktiv rest, der dog er knap så langlivet, men også kræver enten deponi eller anden behandling før lagring/anvendelse/transmutation.

Udledninger af CO₂

I forhold til CO₂-udledninger er der som for alle brændsler et energiforbrug ved udvinding, oparbejdning og fremstilling af det atombrændsel, der anvendes i reaktoren. Dette energiforbrug er afhængigt af kvaliteten og arten (geologien) af malmen. Nogle forventer at dette CO2 forbrug stiger, efterhånden som der må gåes over til at udvinde malm af stadig lavere kvalitet. Ud fra en livscyklusanalyse-betragtning er kernekraft derfor, ligesom hovedparten af alle energikilder i dag ikke en CO₂-fri energikilde, hvor vandkraft i dag udgør det mindste aftryk. Her er nogle kilder som sammenligner livscyklus-udledningen fra forskellige teknologier til elektricitetsfremstilling:

• Aneutronisk fusion
• Kernekraft i Danmark