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 i form af stave. Urankernerne spaltes i mindre kerner og neutroner. Naturligt uran forekommer i 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 uegnet til formålet. U-235 kan spaltes af langsomme neutroner. f.eks. ifølge eksempel reaktionsligningen herunder. Højresiden har mange flere varianter og i snit frigives 2,5 neutroner per fission:
- {}^{235}_{\ 92}\mathrm{U} \ + \ ^1_0\mathrm{n} \ \rightarrow \ ^{236}_{\ 92}\mathrm{U} \ \rightarrow \ ^{140}_{\ 54}\mathrm{Xe} \ + \ ^{94}_{38}\mathrm{Sr} \ + \ 2 \ ^1_0\mathrm{n} \ + \ \varepsilon
hvor {}^1_0\mathrm{n} betegner en neutron, og hvor den frigjorte energi, \varepsilon, er lig 179 megaelektronvolt. 1 kilogram U-235 leverer hermed en energimængde, som svarer til afbrænding af 2,4 millioner ton fossilt brændstof.
De neutroner som frigives ved fissionsprocesser er hurtige. For at få en nuklear kædereaktion til at forløbe må man derfor nedbremse neutronerne vha. en såkaldt neutron-moderator, som typisk består af grafit eller tungt vand. Afhængigt af reaktortypen er det også nødvendigt at berige uranet, dvs. øge andelen af U-235. Kædereaktionen holdes i ave af neutronabsorberende kontrolstænger.
Et andet spalteligt stof er Thorium-232 (Th-232) efter neutronindfangning, hvor der dannes den fissile isotop U-233 og er blevet brugt i mindre skala i såkaldte termiske "Breeder" reaktorer. Plutonium-239 (Pu-239) er ligeledes et fissilt stof, og det kan således, udover at anvendes i A-bomber, også anvendes til fredelige formål.
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 tabubelagt 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.
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 jordens lande bygger flere atomkraftværker, vil det blot øge hastigheden mod uranenergiafgrunden.
Fissionsenergi baseret på uran kan muligvis med 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
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:
- {}^6_3\mathrm{Li} \ + \ ^1_0\mathrm{n} \ \rightarrow \ ^3_1\mathrm{T} \ + \ ^4_2\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:
- {}^2_1\mathrm{D} \ + \ ^3_1 \mathrm{T} \rightarrow \ ^4_2 \mathrm{He} \ + \ ^1_0 \mathrm{n} \ + \ \varepsilon,
hvor {}^1_0\mathrm{n} betegner en neutron, og hvor den frisatte energi, \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.
Uran-235 fissionsbaseret kernekraft som energikilde
Det er et ofte fremført argument for kernekraft, at dette er en "ren" energikilde. Kernekraft producerer ikke i sig selv CO2, men udvindingen af uran kræver CO2 og CO2/kgUran stiger fremover, da den uranrige malm svinder hastigt ind.
Kernekraftværker genererer langt mere stråling end kulkraftværker, grunden er at radioaktiv stråling fra kulkraft i forvejen var i kullet, hvorimod kernekraft netop genererer meget mere radioaktiv stråling og radioaktive grundstoffer grundet kernespaltningerne.
Det oftest fremførte kritikpunkt omkring kernekraft er affaldsproblemet. Kernekraft genererer et slutprodukt, der er forskelligt afhængigt af det atombrændsel der anvendes. Flere af slutprodukterne er i sig selv radioaktive, og der er derfor typisk brug for at deponere eller på anden måde destruere disse slutprodukter. De fleste lande som har kernekraft, har hverken fundet de eksakte slutdepoter eller fundet en rentabel måde at omsætte de langlivede radioaktive aktinider (10.000-100.000 år) til andre stabile grundstoffer eller kortlivede radioaktive grundstoffer. En sådan proces ville kaldes transmutation.
I forhold til CO2-udslip er der et energiforbrug ved udvinding af det atombrændsel, der anvendes i reaktoren. Dette energiforbrug er afhængigt af kvaliteten af malmen, og ventes derfor at stige, efterhånden som man må udvinde malm af stadig lavere kvalitet. Ud fra en livscyklusanalyse-betragtning er kernekraft derfor ikke en CO2-fri energikilde. Her er nogle kilder som sammenligner livscyklus-udledningen fra forskellige teknologier til elektricitetsfremstilling:
Se også
- Aneutronisk fusion
- Kernekraft i Danmark
Kilder/referencer
Eksterne henvisninger
- Atomkraft og elproduktion
- dmoz: Energi
- dmoz: Nuclear Power Plants
- Science in Africa, 2003: South Africa's nuclear programme. Tom Ferreira Citat: "...Indeed a feather in the cap for South Africa considering that Eskom is internationally regarded as the leader in the field of the Pebble Bed Modular Reactor (PBMR) technology...If a fault occurs during reactor operations, the system, at worst, will come to a standstill and merely dissipate heat on a decreasing curve without any core failure or release of radioactivity to the environment. In fact, the PBMR's inherent safety is fundamental to the cost reduction achieved over other nuclear designs..."
- 29 June, 2005, BBC News: Cost of nuclear 'underestimated' Citat: "...According to British Energy and British Nuclear Fuels, the cost of nuclear generation is between 2.2 and 3.0p/kWh. But the NEF says that this figure is probably a severe underestimate, with the real cost being somewhere between 3.4 and 8.3/kWh...At a cost of 3.0-4.0p/kWh for offshore and 1.5-2.5/kWh for onshore production, wind is a far cheaper option than nuclear, the NEF claims..."
