Feeds:
Inlägg
Kommentarer

Posts Tagged ‘Fission’

Vissa ställer sig kanske frågande till kärnkraft och undrar om detta energislag kan vara något för framtiden? Kärnkraft är ett laddat ämne som har diskuterats, debatterats, stötts och blötts under lång tid i Sverige. Men vad är den ömma punkten med kärnkraft? Är det tekniken som sådan, eller är det politiken runtomkring denna teknologi som fått väldigt stora proportioner i vårt samhälle?

Att utvinna energi från bränslen som kol, olja, gas, ved m fl innebär att man utnyttjar olika ämnens benägenhet att reagera med varandra. Slutprodukterna har en lägre energinivå än råvarorna. Energiskillnaden ger sig tillkänna i form av värme. Det brinner. När etanol förbränns i syre sker följande  reaktion: C2H5OH + 3O2 –> 2CO2 + 3H2O. En etanolmolekyl och tre syremolekyler reagerar med varandra och bildar två molekyler koldioxid och tre vattenmolekyler. Vid förbränning i luft bildas förutom koldioxid och vatten en mängd andra ämnen som på olika sätt påverkar miljö och människa negativt: Kväveoxider, ozon och aldehyder för att nämna några.

Men hur skiljer sig då detta sätt att utvinna energi åt jämfört med kärnkraft. Nedan följer en snabb grundkurs inom det kärntekniska området.

Först en lista som förklarar viss terminologi:

  • Grundämne – Atomslag med ett visst antal protoner (ex: kol har alltid 6 st protoner, kväve har alltid 7 st protoner)
  • Isotop – Ett visst kan grundämne kan ha olika antal neutroner i kärnan. Varianter m a p antalet neutroner i kärnan av ett visst grundämne kallas isotoper  (ex: kol-12 har 6 protoner och 6 neutroner, kol-14 har 6  protoner och 8 neutroner, kol-15 har 6 protoner och 9 neutroner)
  • Nuklid – En atomkärna, vilken som helst, med ett visst antal protoner och neutroner (ex: kol-12, syre-18, nickel-59, kobolt-60)

I naturen finns det en atomkärna som är möjlig att klyva med neutroner. Det är uran-235. Naturligt uran i jordskorpan innehåller bara 0.7% av denna isotop. Resten utgörs i stort sett av uran-238. För att kunna utnyttja uran till kärnbränsle i svenska reaktorer krävs att halten uran-235 höjs till 3-4%. Detta sker genom en process som kallas anrikning. Efter anrikningen tillverkas bränslet i form av UO2 – uranoxid eller urandioxid – ett keramiskt material. Bränslet är nu ungefär lika svårt att lösa upp i vatten som en kaffekopp av keramik – det tar väldigt lång tid. Bränslet placeras därefter i ett gastätt metallrör som är väldigt motståndskraftigt mot korrosion i vatten.

I en kärnreaktor utsätts bränslet för en ständig skur av neutroner. Ibland blir det direktträff mellan en neutron och en atomkärna. Är det uran-235 som träffas kan den klyvas – K A’ B A N G – och två nya lättare atomkärnor skapas. Det är här Einsteins välkända formel E = mc2 träder in. Formeln säger i all sin enkelhet att energi och massa är samma sak – av massa kan man skapa energi och vice versa. När detta sker övergår energin från urankärnan till rörelseenergi och de nybildade atomkärnorna slungas iväg och skapar friktionsvärme då de bromsar in. Om man anstränger sig och samlar ihop samtliga fragment från kärnklyvningen, och väger dessa, ser man att det alltid saknas en ytterst liten massa. Det är just denna minimala massa, i form av bindningsenergi, som frigjorts och nu gör bränslet varmt: Kärnenergi. Värmet från kärnklyvningen hettar sedan upp vattnet i reaktorn till kokpunken (i 7 av 10 svenska reaktorer). Vattenångan sätter sedan snurr på en turbin som driver generatorn: Vi får nu elektricitet. I en större reaktor kokas 1 500 kg vatten bort som ånga varje sekund. Ungefär 67% av värmet som produceras i reaktorn kyls sedan bort i havet – återstoden blir till elektricitet. För att kyla den ånga som passerar samtliga turbiner på Ringhals åtgår 160 kubikmeter havsvatten per sekund. Under denna sekund ökar havsvattnets temperatur med 10 grader. Havsvattnet kommer inte i kontakt med radioaktiva nuklider i reaktorvattensystemet.

Vad är det då som gör kärnbränsle farligt?

De två lättare atomkärnor som bildas då uran-235 klyvs innehåller alldeles för många neutroner för att vara stabila, se bild 1 (klicka på bilden för att göra den större). För lättare stabila nuklider finns ett förhållande mellan antalet protoner och neutroner i kärnan som är nära 1:1. Med ökande atomvikt krävs fler och fler neutroner för att göra den stabil. För uran-235 är förhållandet hela 1:1,55. För att råda bot på detta överskott av neutroner efter en kärnklyvning omvandlas ett visst antal av neutronerna till protoner. Vid varje omvandling sänds en gnutta energi ut från atomkärnan i form av joniserande strålning. Atomkärnan definieras som radioaktiv – och dess strålning som joniserande. Det är främst  klyvningsprodukternas strålning som gör använt kärnbränsle starkt radioaktivt och därmed farligt att hantera utan skydd. Efter ett par hundra år har dock merparten av klyvningsprodukterna omvandlats till stabila nuklider och därmed upphört att stråla. Merparten av klyvningsprodukterna från uran definieras som kortlivade.

fission11

Bild 1. Uran klyvs och bildar två lättare atomkärnor som har alltför många neutroner i kärnan. Dessa nuklider är instabila. För varje sönderfall mot en mer stabil slutprodukt (från röd till svart punkt) sänds lite strålning ut.

Men, man säger ju att använt kärnbränsle är farligt i hundratusentals år…

Kärnbränsle består till största del av uran-238. Denna uranisotop klyvs inte gärna i en kärnreaktor men den är bra på att fånga in neutroner. Om detta inträffar får vi en ny uranisotop – uran-239 – som efterhand kan omvandlas till plutonium-239. Denna nuklid kan likt uran-235 klyvas av neutroner och producera energi. De tyngre atomkärnorna kan även samla på sig fler och fler neutroner utan att klyvas. Dessa nya tyngre nuklider är inte stabila, vilket innebär att de då och då sänder ut lite energi i form av joniserande strålning för att bli mer och mer stabila. Problemet med de tyngre atomkärnorna är att dess sönderfall sker betydligt långsammare jämfört med klyvningsprodukterna. De tyngre atomkärnorna är därför betydligt mindre radioaktiva, men de kompenserar detta genom att vara radioaktiva under en mycket längre tid. Jämför med detta: Du står i flodfåran nedströms ett vattenkraftverk som skall till att släppa ut 300 000 kubikmeter vatten. Om alla dammluckor öppnas samtidigt – effekten av klyvningsprodukterna – får du stora problem under kort tid. Om luckorna bara gläntas litegrann – effekten av tyngre atomkärnor – kommer du klara dig men får stå ut med problemet under lång tid. Man planerar därför för att bränslet skall hållas isolerat från biosfären i minst 100 000 år. Efter 10 000 år har dock aktiviteten i bränslet minskat såpass att den är jämförbar med den för den ursprungliga uranmalmen.  Efter väldigt lång tid kommer det bara att finnas uran-235 och -238 kvar i bränslet (>1% resp 95%).

Varför skall man satsa ytterligare på forskning inom kärnkraft?

Efter fem år i en reaktor har ett bränsleelement gjort sitt och behöver bytas ut. Halten uran-235 har då sjunkit från ursprungliga 3-4% till strax under 1%. En liten mängd uran-238 har ombildats till plutonium-239 som i sin tur frigjort energi genom kärnklyvning.  I det slutligt använda bränslet finns det knappt 1% plutonium (Pu-239 m fl). 95% av bränslet består fortfarande av uran-238. Detta återstående uran och plutonium innehåller signifikanta mängder energi som skulle kunna återanvändas. Processen för återvinning av plutonium och uran kallas upparbetning. I Sverige har vi valt att inte upparbeta använt kärnbränsle för att tillverka nytt bränsle. Enligt den nuvarande svenska linjen skall allt använt kärnbränsle att placeras i ett djupförvar någonstans i Sverige, troligtvis i närheten av Oskarshamns eller Forsmarks kärnkraftverk.

Övriga 3% av det använda kärnbränslet utgörs främst av de klyvningsprodukter som gör bränslet starkt radioaktivt under kortare tid samt till viss del av tyngre atomkärnor som gör bränslet måttligt radioaktivt under en längre tid.Vissa länder upparbetar idag sitt använda kärnbränsle. Under upparbetningsprocessen avskiljs de högaktiva klyvningsprodukterna och de tyngre nukliderna från uran och plutonium som kan återvinnas. Man kan på detta vis krama ut ytterligare ett tiotal procent energi ur bränslet. Dagens upparbetning av kärnbränsle var egentligen inte ämnad för återvinning av kärnbränsle för de idag vanligt förekommande reaktortyperna: kokvattenreaktor och tryckvattenreaktor – s k lättvattenreaktorer. Upparbetning var ursprungligen tänkt att utnyttjas för framställning av bränsle till bl a brid-reaktorer. Men p g a lågt uranpris, följt av ökande kritik mot kärnkraft, stannade utvecklingen av dessa reaktorer av. Forskningen kring framtidens reaktortyper har dock accelererat under senare tid.

Vissa av de framtida reaktorkoncept som nu utreds kommer att kunna utnyttja bränslet 60 gånger mer effektivt än i dagens reaktorer. I all enkelhet bygger processen på att man föder fram klyvbart plutonium-239 ur icke klyvbart uran-238. För detta krävs att neutronerna i reaktorn är snabba. Man kan utnyttja naturligt uran (ej anrikat) som bränsle i en process med en enormt hög verkningsgrad. Med tanke på rådande klimatdebatt bör vi därför satsa rejält inom detta forskningsområde för att så snabbt som möjligt få fram dessa kärntekniska tingestar – de till synes mest hållbara av hållbara energialternativ.

I mellanlagret för använt kärnbränsle i Oskarshamn finns för tillfället drygt 4 500 ton kärnbränsle i två bassänger från de 35 år som kärnkraften varit en del av den svenska energiproduktionen. Detta använda bränsle är en förträfflig råvara för framtidens reaktor. Man skulle kunna driva framtida reaktorer i många hundra år på dessa 4 500 ton. Här ser vi en direkt fördel: Inga nya urangruvor behövs för bränslet till dessa reaktorer – vi har redan bränsle så det räcker i lager. Av denna anledning kanske det inte är så smart att bygga ett stort djupförvar för använt kärnbränsle. Slutförvaret måste ändå byggas p g a politiska beslut i syfte att legitimera kärnkraft som energikälla i Sverige.

  • Kärnkraft är redan idag ett hållbart energialternativ
  • Med framtidens reaktorer kan uran tillåtas att definieras som ett förnyelsebart/outsinligt bränsle.
  • Kärnkraften bär idag alla sina egna kostnader och lite till, och är det enda energislag som ansvarar för omhändertagandet av allt sitt restavfall.
  • I en svensk kärnkraftreaktor (1000 MWe) används 25 ton bränsle årligen. I bränslet bildas knappt 700 kg högaktivt avfall, resten kan återvinnas.
  • Ett stort kolkraftverk (1 000 MWe) bränner årligen upp 3 000 000 ton kol. Restavfallet blir 7 000 000 ton koldioxid, 200 000 ton svaveldioxid, 200 000 ton flygaska som innehåller stora mängder tungmetaller och radioaktiva nuklider samt mycket mer. Titta närmare på vissa följdproblem med askan här och här.

Förutom kärnklyvning forskas det idag mycket kring kärnfusion som en framtida källa till hållbar energiutvinning. Till skillnad mot klyvning av tyngre nuklider innebär fusion att lättare nuklider smälts samman under inverkan av högt tryck och hög temperatur. I övrigt frigörs energi på samma sätt som vid kärnklyvning genom att massa/bindningsenergi omvandlas till nyttig energi.

Read Full Post »