RINGHALS NURECLEAR PLANT

KÄRNTEKNIK

Kärnkraft

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
I partikelfysik avser termen kärnkrafter de två typer av växelverkan som är dominerande på korta avstånd inuti atomkärnor, svag växelverkan och stark växelverkan.

Kärnkraft eller atomkraft avser utvinning av energi ur atomkärnor, antingen genom att spjälka tunga atomkärnor (framförallt uran) eller genom att slå ihop lätta atomkärnor (väte). Ordet kärnkraft kom i bruk efter negativ publicitet kring atombomberna i slutet av andra världskriget, men förekommer i svenska media först 1968.[1]


Olkiluoto kärnkraftverk i Finland. Enhet III (vänster) är en ännu inte färdig tryckvattenreaktor som på denna bild lagts in med datoriserad bildbehandling.

Innehåll

[göm]

Fysikalisk bakgrund [ redigera ]

Huvudartikel: Kärnenergi
Schematisk bild av kärndelningsprocessen i kärnkraftverk.

Neutroner och protoner (nukleoner) i atomkärnan hålls ihop av en sidoeffekt av den fundamentala kraft som kallas stark växelverkan. En atomkärna är ett system som strävar efter så låg energinivå som möjligt i form av bindningsenergi. De kärnor i naturen som har lägst energinivå, är därmed mest stabila, de som är ungefär av samma storlek/vikt förhållande som järn har lägst energinivå på atomnivå. Tyngre och lättare kärnor har därför i någon mening ett överskott på bindningsenergi. Denna obalans kan teoretiskt sett användas på två sätt för att utvinna energi, med fission och fusion. Fission utnyttjar att vissa kärnor som är tyngre än järn kan bli mer stabila genom att klyvas, i den processen avges en del som överskottsenergi. Fusion utnyttjar det omvända förhållandet där vissa atomkärnor som är lättare än järn kan göra sig av med sin överskottsenergi genom att atomkärnor slås ihop. Den hopslagna atomkärrnan har sammantaget lägre energinivå än ursprungsatomkärnorna.

De kärnor som förbrukats i en viss kärnreaktion och de som har bildats i samma reaktion väger totalt sett inte lika mycket. Skillnaden i massa motsvarar den avgivna energin enligt Einsteins berömda ekvation E=mc2.

I dagligt tal brukar man mena fissionskraft när man talar om kärnkraft, då fusionskraftverk inte har kunnat konstrueras. De experiment man genomfört har krävt mer energi än vad de producerat. Ett storskaligt försök är på gång i projektet ITER.

Fission [ redigera ]

Fission innebär klyvning av tunga atomkärnor som till exempel uran-, torium- eller plutoniumisotoper. Fission kan uppstå spontant eller induceras genom att atomkärnan bombarderas med neutroner. Atomkärnor som kan klyvas kallas fissionabla. Atomkärnor som dessutom kan upprätthålla en nukleär kedjereaktion (kriticitet) kallas fissila. Atomkärnor som kan bli fissila genom neutronabsorption kallas fertila.

Då en fissil atomkärna träffas av en neutron och klyvs sänder den ut i genomsnitt 2-3 nya neutroner. Dessa kan klyva ytterligare atomkärnor och på så sätt skapa en kedjereaktion. Ett system innehållande fissila atomer i en sådan konfiguration att en kedjereaktion kan skapas, upprätthållas och kontrolleras benämns kärnreaktor eller bara reaktor. För att kontrollera eller stoppa kedjereaktionen i en reaktor använder man någon neutronabsorbator (vanligen bor, kadmium eller hafnium) till exempel i så kallade styrstavar.

Neutronernas hastighet bestämmer deras rörelseenergi och deras förmåga att klyva olika typer av atomkärnor. Med några få undantag använder de kraftproducerande reaktorerna i världen så kallad termiska neutroner (med energier omkring 0,025 eV) för att klyva bränslets atomkärnor. De neutroner som sänds ut vid fissionen är dock i genomsnitt mycket snabbare och måste bromsas in. Denna inbromsning åstadkoms genom att låta neutronerna krocka med andra atomer i ett så kallat moderatormaterial och därmed ge ifrån sig en del av sin rörelseenergi. Bra moderatorer är i första hand de atomer med kärnor som är ungefär lika stora som en neutron, som till exempel väte eller dess isotop deuterium (som ger tungt vatten i förening med syre). Kol är dock också en god moderator.

Fusion [ redigera ]

I fusion slås lätta atomkärnor ihop och bildar en tyngre. Exempelvis kan kärnor av väteisotopernadeuterium (D) och tritium (T) slås ihop och bilda heliumkärnor samt neutroner. Då de båda atomkärnorna är positivt laddade måste man vid en fusionsreaktion övervinna coulombkraften så att den starka kärnkraften kan ta över på kortare avstånd. Detta kräver högt tryck och hög temperatur. Vid dessa förutsättningar har atomkärnor och deras elektroner separerats och materien bildar ett plasma. För att behålla den höga temperaturen och trycket under reaktionen måste plasmat hållas ihop av någon yttre kraft, inneslutas. Detta åstadkoms naturligt i stjärnors inre med hjälp av den starka gravitation som råder där. I konstgjord fusion på jorden hålls plasman istället ihop av intensiva laserpulser (inertiell inneslutning) eller starka magnetfält (magnetisk inneslutning).

Fusion har än så länge inte kunnat användas för kommersiell elproduktion. Detta beror i första hand på svårigheten i att innesluta plasmat under kontrollerade former under så lång tid att betydande mängder fusionsenergi kan frigöras. Fusionsanläggningar som bygger på magnetisk inneslutning har antagligen kommit längst i denna strävan, till exempel JET i England och Tore supra i CadaracheFrankrike. I Cadarache kommer också fusionsexperimentet ITER att byggas upp.

Magnetisk inneslutning kräver generering av magnetfält med hjälp av starka elektriska strömmar i supraledare. Dessa måste kylas till mycket låga temperaturer. Då plasmat samtidigt är extremt varmt kommer en sådan fusionsreaktor därför att ha mycket stora inbyggda temperaturgradienter vilket ställer extremt höga krav på konstruktionsmaterialen.

Historia [ redigera ]

Otto Hahn och Lise Meitner i arbete.

De första lyckade experimenten med nukleär fission utfördes i Berlin1938 av de tyska fysikernaOtto 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 december1942 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 juni1954 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[2]. 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. Dessa omröstningar var kontroversiella och i Sverige fanns t.ex inget alternativ som var odelat för kärnkraft.

Kärnkraftverk [ redigera ]

Ett kyltorn till ett kärnkraftverk i Schweiz som bestämt sig för att avveckla alla sina kärnkraftverk till 2034.[3]
Forsmarks kärnkraftverk Notera att dessa reaktorer släpper ut överskottsvärme i havet därför saknar kyltorn.
Huvudartikel: Kärnkraftverk

Fissionskraftverk kan konstrueras enligt flera olika principer och därmed också kategoriseras enligt flera egenskaper, till exempel bränsle, moderator, reaktortemperatur eller kylmedium. När det gäller bränsle kan man urskilja två huvudtyper: så kallade konsumerande reaktorer (engelska "burners") och bridreaktorer (engelska "breeders"). De senare är tekniskt problematiska och därför inte ekonomiskt konkurrenskraftiga, men kan förutom att klyva fissila kärnor genom neutronabsorption förvandla fertila kärnor, till exempel torium eller uran-238, till fissila som kan utnyttjas som bränsle, i det senare fallet plutonium. En alternativ kategorisering kan också göras utifrån om reaktorn drivs av snabba eller termiska neutroner. Alla dagens snabbneutronreaktorer kyls med flytande metall.

Om man sorterar efter kylmedium och moderator kan man skapa nedanstående tabell. (En alternativ kategorisering finns under huvudartikeln Kärnkraftverk.) Observera att kylmedium och moderator utgörs av samma ämne i många vanliga reaktortyper.

(Vedertagna, oftast engelska, förkortningar anges med versaler.)

Reaktortyper [ redigera ]

Bränsle [ redigera ]

Urankutsar och en bränslestav.

Uran är ett vanligt grundämne som kan hittas både 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. Om å andra sidan en årlig global ökning av elproduktionen med 3,5 procent skall täckas med kärnkraft krävs en tiodubbling av kärnkraften inom 25 år (givet en andel på 17 % idag), vilket med denna prisökning ger reserver för 10 år.

Nuvarande lättvattenreaktorer använder inte bränslet särskilt effektivt, vilket bland annat leder till ett energiöverskott som inte kan tas om hand. En bättre reaktordesign eller upparbetning skulle reducera mängden överskottsmaterial och spillvärme 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) som omvandlas till plutonium-239. Det har uppskattats att det tillgängliga uranet skulle räcka i mellan 10 000 och fem miljarder år i dessa reaktorer.[källa behövs] Bridreaktorerna har dock stora material- och kylproblem.[4] För närvarande finns fyra bridreaktorer i Japan, Frankrike och Ryssland.[5]

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. Detta är också en bridprocess men till skillnad från fallet med uran-238 är specialkonstruerade bridreaktorer inte nödvändiga utan konventionella anläggningar kan användas.

Fusionsreaktorer använder sig av deuterium och/eller tritium som bränsle. Deuterium kan utvinnas från havsvatten där det finns naturligt. Tritium framställs däremot ofta genom neutronaktivering av 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 havsvattnet skulle räcka i 150 miljarder år. Jämförelsevis kommer solens bränsle att räcka i fem miljarder år till.

Anrikning [ redigera ]

Huvudartikel: Urananrikning

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 [ redigera ]

Radioaktivt avfall på väg till Carlsbad, New Mexico.
Huvudartikel: Radioaktivt avfall

Det använda kärnbränslet är radioaktivt avfall. Sådant avfall måste behandlas med stor försiktighet och eftertanke på grund av de långa halveringstiderna för en del av 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 en tusendel av vad det var när reaktorn stängdes, men ändå fortfarande farligt i hundratusentals år. 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 inte löst, också om kärnkraftsförespråkarna antar att den föreslagna metoden skall kunna användas. Kärnkraftsindustrin har själva ansvaret att hitta en plats och metod som innebär ett säkert slutförvar. För detta ändamål har kärnkraftsindustrin bildat bolaget Svensk Kärnbränslehantering, SKB. SKB:s 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 – bränslet är farligt i hundratalstusen år.[6] SKB har genomfört undersökningar för att välja en lämplig plats för slutförvaring sedan mitten av 1970-talet. I juni 2009 valdes en plats i Östhammars kommun nära nära det befintliga kärnkraftverket i Forsmark. 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.

På senare tid har det även anförts från forskare och kraftindustrin att det reella behovet av slutförvaring kommer att minska framgent. Det mesta i avfallet är även att betrakta som återvinningsbara resurser i form av bränsle för nya 3:e och 4:e generationen av reaktorer samt för andra industriella eller medicinska behov.

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.[ifrågasatt uppgift]

Ett stort kärnkraftverk producerar varje år 3 kubikmeter (25-30 ton) högaktivt avfall och kanske 150 kubikmeter låg- och medelaktivt avfall. 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 (finska strålsäkerhetscentralen anger hundratalstusen år). 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 [ redigera ]

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.[7] 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 många transporter med starkt radioaktiva ämnen.[8]

Miljöpåverkan [ redigera ]

Hanteringen av det radioaktiva avfallet är ett av kärnkraftens största problem. Se rubriken "radioaktivt avfall" ovan. Det finns även problem med uranbrytningen, då stängda gruvor inte längre övervakas säkerhetsmässigt. Ett exempel är den Tjeckiska gruvan Hamr 1, där en kontaminering på det 7 000 hektar stora avrinningsområdet har påvisats. Den joniserande strålningen var då 30 gånger högre än normalt.

Utsläpp [ redigera ]

Uppvärmt vatten är det största utsläppet direkt från driften. Fissionen producerar även radionuklider (radioaktiva isotoper), som hanteras på olika sätt. Radionuklider med kort halveringstid, exempelvis xenon-135 med en halveringstid på drygt 9 timmar och jod-131 med en halveringstid på 8 dygn, är i början kraftigt radioaktiva, men radioaktiviteten klingar snabbt av. Mer långlivade, som krypton-85 med en halveringstid på drygt 10 år, har lägre men varaktigare radioaktivitet. Jod-131 kan i viss mån samlas upp i avfallssystemet, men släpps också delvis ut i avfallet till luften[9] . Xenon och krypton är ädelgaser, som är tekniskt svåra att binda och lagra. Genom att fördröja utsläppen mekaniskt kan man dock minska utsläpp av de kortlivade radionukliderna påtagligt, En vanlig fördröjningsmekanism är att låta gaserna "sippra" igenom en stor tank fylld med sand[10]. Krypton-85 släpps helt enkelt ut[9]. Vid bränsleskador ökas utsläppen av radionuklider[9].

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 [ redigera ]

Karta över länder med tillgång till kärnkraft.

Kärnkraft är ett avancerat tekniskt system som är vanligast i industriländer, framför allt i Nordamerika, Europa och Japan, och på senare år i Asien. Enligt FN:s atomenergiorgan IAEA finns det totalt 439 kärnreaktorer i drift runt om i världen. År 2011 är 66 nya kärnreaktorer under byggnad.[11] Se även kärnkraft i Sverige.

Kärnkraftsfrågan [ redigera ]

Kärnkraftverket Ignalina i Litauen har fått mycket kritik eftersom dess reaktorer är av samma typ som Tjernobyls (RBMK).

Utnyttjandet av kärnkraft för elektrisk ström har både förespråkare och motståndare. Kärnkraftförespråkarna pekar bland annat på fördelarna med elproduktion med mindre utsläpp av koldioxid. Kärnkraftsmotståndarna menar bland annat att både för- och efterbehandlingen av kärnbränsle medför oacceptabla risker, miljömässigt ekonomiskt och säkerhetsmässigt.

JAPAN