Kärnkraft
Från Rilpedia
- I partikelfysik är kärnkrafter de typer av växelverkan i atomkärnor, svag växelverkan och stark växelverkan.
- Den här artikeln är en teknisk beskrivning av kärnkraft. Se kärnkraftsfrågan för politik kring kärnkraft.
.jpg)
I vardagligt tal används begreppet kärnkraft för energiutvinning ur atomkärnor, genom antingen en fissionsprocess eller genom en fusionsprocess. Se kärnenergi, kärnteknik och kärnkraftverk.
Innehåll |
Fysikalisk bakgrund
Ordet kärnkraft kom i bruk efter all negativ publicitet kring atombomberna efter andra världskriget.
Det finns två sätt att utvinna energi ur atomkärnor, fission och fusion. I dagligt tal brukar man mena fission när man talar om kärnkraft.
Fission
Fission innebär att man använder tunga atomer som uran-, torium- eller plutoniumisotoper som man bestrålar med neutroner. Då atomkärnan träffas av en neutron kan den dela sig i två delar (ofta en lättare och en tyngre) och sänder samtidigt ut 2-3 nya neutroner samt värmeenergi. De nya neutronerna kan användas till att dela nya atomer och på så sätt skapa en kedjereaktion. För att kontrollera kedjereaktionen i en reaktor använder man styrstavar. Dessa innehåller vanligen bor eller kadmium, även hafnium som har stor förmåga att absorbera neutroner. Styrstavarna kan därför användas för att stoppa kedjereaktionen.
Vid fission sänds det alltså ut 2-3 snabba neutroner (med hög energi). Sannolikheten för att en neutron klyver en ny atomkärna är dock större för termiska neutroner (med låg energi). I en reaktor har man därför en moderator, vars uppgift är att bromsa de snabba neutronerna så att kedjereaktionen kan fortsätta. Inbromsningen görs genom att låta neutronerna krocka med vattenmolekyler eller kolatomer.
Fusion
För fusion används lätta atomkärnor, väteisotoperna deuterium (D) och tritium (T), som slås ihop för att bilda en heliumatom. Då båda atomkärnorna är positivt laddade måste man övervinna coulombkraften så att den starka kärnkraften kan ta över. Detta kräver högt tryck och temperatur (ca. 2 000 000 K i fusionskraftverk; i stjärnor kan temperaturen vara betydligt lägre), Fusion har än så länge inte kunnat användas för kommersiell drift, det är framförallt de höga temperaturerna som ställer till problem för bland annat behållarna. Ett projekt på området är ITER.
Historia
De första lyckade experimenten med nukleär fission utfördes i Berlin 1938 av de tyska fysikerna Otto Hahn, Lise Meitner och Fritz Strassmann.
Under andra världskriget började flera nationer att forska inom området. Motivet var då framförallt framställning av kärnvapen. Den första självuppehållande nukleära kedjereaktionen skapades av Enrico Fermi den 2 december 1942 och reaktorer baserade på hans forskning användes för att tillverka plutoniumet som användes i Fat Man-bomben som fälldes över Nagasaki, Japan.
I ett tal ("Atoms for peace") i december 1953 av USA:s president Dwight Eisenhower, förklarade han den amerikanska regeringens stöd för internationellt användande av kärnkraft. Den 27 juni 1954 startades det första kärnkraftverket i Obninsk, Ryssland. Reaktorn var grafitmodererad, vattenkyld och hade en kapacitet på 5 megawatt (MW). Världens första kommersiella kärnkraftverk, Calder Hall i Sellafield, England öppnades 1956. Det var en gaskyld magnoxreaktor med en kapacitet på 50 MW (senare 200 MW). 1957 startades Euratom och det internationella atomenergiorganet (IAEA).
Kapaciteten på kärnkraftverken ökade snabbt. Från mindre än sammanlagt 1 gigawatt (GW) 1960 till 100 GW i slutet på 1970-talet och 300 GW i slutet på 1980-talet. Sedan dess har kapaciteten ökat långsammare till ett sammanlagt värde av 372 GW (dock bara inräknat det som är övervakat av IAEA) i slutet av 2007[1]. Under 1970- och 1980-talen gjorde den långa konstruktionstiden och det fallande priset på fossila bränslen kärnkraftverken mindre attraktiva.
Folkrörelser mot kärnkraft bildades och kärnkraftsmotståndet tog fart under den sista tredjedelen av 1900-talet, i Sverige i form av "Folkkampanjen Nej till kärnkraft". Man protesterade mot kärnkraften på grund av olycksrisken, strålning från kraftverken och problemen kring slutförvaringen av det radioaktiva avfallet. Olyckorna på Three Mile Island (1979) och i Tjernobyl (1986) bidrog till att stoppa utbyggningen av kärnkraften i flera länder. Österrike (1978), Sverige (1980) och Italien (1987) beslutade i folkomröstningar att avsluta eller gradvis avveckla kärnkraftsprogrammen där.
Kärnkraftverk
Reaktortyper
Bränsle
Uran är ett vanligt grundämne som kan hittas överallt på land och i havet. Det är ungefär lika vanligt som tenn och 500 gånger vanligare än guld. De flesta typerna av berggrund innehåller uran, dock ofta i låga koncentrationer. För närvarande räknas de områden med minst 0,1 procent uran som ekonomiskt försvarbara att bryta uran från. Med nuvarande uranpriser och tillgängliga reserver beräknas uranreserverna räcka i 50 år med nuvarande användning. Om man skulle fördubbla uranpriserna skulle de nuvarande reserverna räcka i 100 år. Denna prishöjning skulle bara öka totalkostnaden för kärnkraft med 5 procent, vilket kan jämföras med om priset för naturgas dubblas skulle det ge en 60 procentig höjning av gaskraftpriserna. Motsvarande siffra för kol är 30 procent.
Nuvarande lättvattenreaktorer använder inte bränslet särskilt effektivt, vilket leder till energiöverskott som inte kan tas om hand. En bättre reaktordesign eller upparbetning skulle reducera mängden överskottsmaterial och ge bättre användning av de tillgängliga resurserna.
Till skillnad från lättvattenreaktorerna, som använder uran-235 (0,7 procent av allt naturligt uran), använder bridreaktorerna uran-238 (99,3 procent av allt naturligt uran). Det har uppskattats att det tillgängliga uranet skulle räcka i mellan 10 000 och fem miljarder år i dessa reaktorer. För närvarande finns fyra bridreaktorer i Japan, Frankrike och Ryssland.[2]
Ett annat alternativ vore att använda uran-233 som kan fås genom att låta torium-232 absorbera en långsam neutron. Torium är tre gånger vanligare än uran i jordskorpan och teoretiskt sett kan allt användas till bränsle. Till skillnad från uran-238 är bridreaktorer inte nödvändiga utan konventionella anläggningar kan användas.
Fusionsreaktorer använder sig av deuterium, en väteisotop, som bränsle och i de senaste modellerna också litium. Om man antar att energiförbrukningen inte ökar kommer de kända litiumlagren att räcka i 3000 år, litium från havsvattnet skulle räcka i 60 miljoner år och en mer komplicerad process som bara använder deuterium från havsvatten skulle räcka i 150 miljarder år. Jämförelsevis kommer solens bränsle att räcka i fem miljarder år till.
Anrikning
Naturligt uran innehåller 99,3 procent uran-238 och 0,7 procent uran-235. Uran-238 absorberar snabba neutroner och förhindrar kedjereaktioner. Därför använder man en metod som kallas anrikning vilket innebär att man höjer andelen uran-235. Uran som används i kärnreaktorer har en anrikningsgrad på 3-5 procent.
Radioaktivt avfall
Det använda kärnbränslet är radioaktivt avfall. Sådant avfall måste behandlas med stor försiktighet och eftertanke på grund av de långa halveringstiderna för de radioaktiva isotoperna i avfallet. Nyligen använt avfall är så radioaktivt att en minuts strålning leder till döden, men radioaktiviteten avtar med tiden och efter 40 år är strålningsflödet 1 promille av vad det var när reaktorn stängdes, men ändå fortfarande farligt. Slutförvaringen av radioaktivt avfall är en svår utmaning. Det mesta avfallet förvaras för närvarande i tillfälliga lagerutrymmen medan permanenta förvaringsalternativ diskuteras.
I Sverige är avfallsfrågan ännu ej helt löst. Kärnkraftsindustrin har själva ansvaret att hitta en plats och metod som innebär ett säkert slutförvar. För detta ändamål har kärnkraftsindustrin har bildat bolaget Svensk Kärnbränslehantering, SKB. SKBs arbete granskas av Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM), av Kärnavfallsrådet samt av Miljörörelsen.
SKB arbetar med en metod för slutförvaring som kallas KBS-3 vilket innebär att det radioaktiva avfallet placeras i kapslar på ca 500 meters djup. Metoden bygger på att tre barriärer (kopparkapslar, bentonitlera och berggrunden) ska förhindra att radioaktivt avfall kan kunna komma upp till marknivå inom överskådlig tid. SKB har genomfört undersökningar för att välja en lämplig plats för slutförvaring sedan mitten av 1970-talet. I dagsläget återstår två platser, bägge nära befintliga kärnkraftverk i Forsmark respektive Oskarshamn. Det finns kritik, framförallt från miljörörelsen, mot hur SKB skött platsvalsprocessen. Det finns också kritik mot den metod (KBS-3) som valts då det anses att SKB ej kunnat bevisa att metoden är säker.
Avfallet består av oanvänt uran såväl som andra ämnen (mest plutonium och curium). Dessutom utgörs ungefär 3 procent av avfallet av fissionsprodukter. Aktiniderna (uran, plutonium och curium) står för det mesta av långtidsradioaktiviteten, medan fissionsprodukterna är ansvariga för den kortlivade radioaktivteten. Det är möjligt att separera ut aktiniderna och använda dem igen, vilket ger en reducering i den långtida radioaktiviteten. Det kvarvarande avfallet kommer dock trots detta att vara radioaktivt i åtminstone 300 år, jämfört med upp till 1 000 år om aktiniderna inte tas bort.
Ett stort kärnkraftverk producerar 3 kubikmeter (25-30 ton) avfall varje år. År 2003 hade USA samlat ihop 49 000 ton avfall från kärnreaktorer. Till skillnad från andra länder tillåter inte USA återvinning av använt bränsle. Enligt Environmental Protection Agency kommer avfallet efter 10 000 år inte längre att utgöra någon hälsorisk. Kärnkraftverken producerar också många ton utarmat uran, som består av uran-238 med den lättfissionerade isotopen uran-235 borttagen. Uran-238 är en metall med flera användningsområden, till exempel i flygplan, avskärmning av strålning och för att tillverka kulor och pansar då det har högre densitet än bly. Det finns oro för hälsoeffekterna hos utarmat uran bland dem som utsätts för materialet i vardagen, till exempel stridsvagnsförare och civila i områden där stora mängder ammunition av utarmat uran har använts.
Upparbetning
Upparbetning kan återvinna upp till 95 procent av det kvarvarande uranet och plutoniumet i använt kärnbränsle och omvandla det till MOX-bränsle. Upparbetning av använt bränsle från kärnkraftverk görs i stor skala i Sellafield, England, La Hague, Frankrike och Majak, Ryssland. Under de senaste åren har intresset för upparbetning minskat på grund av de fallande uranpriserna.[3] Upparbetning görs inte i USA på grund av oro för att det plutonium som produceras där ska användas i kärnvapen. I Sverige är upparbetningsanläggningar inte aktuella eftersom de kräver stora anläggningar och mycket transporter med starkt radioaktiva ämnen.[4]
Miljöpåverkan
Hanteringen av avfallet är ett av de största problemen hos kärnkraften. Se rubriken "radioaktivt avfall" ovan.
Utsläpp
Uppvärmt vatten är det största utsläppet direkt från driften. Fissionen producerar även gaser som jod-131 och krypton-85, vilka är miljöfarliga utsläpp, som måste lagras i flera halveringstider innan strålningen har avtagit till en säker nivå.
Processen att utvinna energi från en värmekälla (även kallat rankinecykeln) innebär att ångan behöver kylas ned. Floder är den vanligaste källan för kylvatten såväl som destination för överskottsvärmen. Förr fanns problem med att temperaturen på det utsläppta vattnet måste regleras för att undvika att döda fiskar och långtidsverkan av varmt vatten på ekosystem, men det problemet löstes genom att använda kyltorn. I till exempel Sverige används istället havsvatten som kylmedium. Havets lägre temperatur och större vattenmängd gör att man undviker en del av de problem som finns med kärnkraftverk placerade vid floder.
Behovet att kunna reglera utsläppstemperaturen begränsar också kapaciteten hos kärnkraftverken som är placerade vid floder. Extremt varma dagar, då behovet av ström i vissa länder är högt, kan kapaciteten på kärnkraftverket gå ner eftersom kylvattnet är varmare än normalt och därför inte lika effektivt till kylning. Detta är också ett problem för kolkraftverk, oljeeldade, gaseldade och kombikraftverk.
Kärnkraft i världen
Kärnkraft är ett avancerat tekniskt system som är vanligast i industriländer, framför allt i Nordamerika, Europa och Japan, och på senare år i Asien. Se även kärnkraft i Sverige.
Kärnkraftsfrågan
Utnyttjandet av kärnkraft för elektrisk ström har både förespråkare och motståndare. Kärnkraftsmotståndarna menar bland annat att både för- och efterbehandlingen av kärnbränsle medför oacceptabla risker. Kärnkraftförespråkarna pekar bland annat på fördelarna med elproduktion med mindre utsläpp av koldioxid.
Källor
- Nuclear power på Engelskspråkiga Wikipedia
- Kernenergie på Tyskspråkiga Wikipedia
- Kärnkraft – ett sätt att producera el, av Bobil Poli
Noter
- ↑ IAEA: Nuclear Technology Review 2008. Läst 2009-05-23.
- ↑ http://www.barsebackkraft.org/index.asp?ItemId=1793&OItemID=1546
- ↑ http://www.skb.se/templates/SKBPage____8051.aspx
- ↑ http://www.ski.se/page/1/61.html?32157
Se även
Externa länkar
- Wikimedia Commons har media som rör Kärnkraft
- Strålsäkerhetsmyndigheten
- Folkkampanjen mot kärnkraft/kärnvapen
