Kernekraft

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Gå til: navigation, søg
Et fissionsbaseret kernekraftværk hvor kølingen fås ved at fordampe vand.
Et eksempel på et fissionsbaseret kernekraftværks principdiagram. Kernereaktoren, hvori fissionen foregår, i venstre side varmer et flydende stof. Via en varmeveksler varmes vand op til damp. Dampen sendes ind i en dampturbine og i en termodynamisk kondensator kondenseres dampen. Det kolde vand til kondensatoren i højre side lånes fra en flod eller havet.

Kernekraft (i daglig tale også atomkraft) betegner udnyttelse af atomkernereaktioner til energiforsyningsformål i en kernereaktor (aktiv fission og fusion) eller radioisotopgenerator (passiv fission af ustabile atomkerner). Kernekraft udgør et vigtigt alternativ til energiforsyning baseret på fossilt brændsel og indgår i flere landes energistrategi. Cirka 17 procent af verdens samlede omsætning af elektrisk energi stammer fra kernekraft.

Gennemsnitlige bindingsenergi per nukleon. Følgende har den højeste gennemsnitlige bindingsenergi per nukleon i faldende orden: 62Ni, 58Fe, 56Fe og 60Ni.[1] Som konsekvens heraf vil man miste energi hvis man fissionerer (spalter) eller fusionerer jernkerner (- muligvis med undtagelse til fusionering til en neutronstjerne eller tættere). Af grafen kan det også udledes at man får væsentligt mere energi ud af at fusionere 2H, 3H, 3He, 6Li, 7Li, 11B, 15N per nukleon – end at fissionere meget tunge kerner f.eks. 235U.

Der findes to grundlæggende forskellige måder at udvinde energi af kernereaktioner på:

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

I begge tilfælde konverteres en del af kernebrændslets masse til energi i form af varme og gammastråling i de tilfælde hvor kerneprodukterne nærmer sig 62Ni som har den højeste gennemsnitlige bindingsenergi per nukleon. Sammenhængen mellem massetab (\Delta m) og energigevinst (\Delta E) er givet ved Einsteins berømte ligning \Delta E = \Delta m c^{2} , hvor c er lysets hastighed. Det følger af formlen, at man høster af størrelsesorden 1017 joule svarende til Danmarks samlede, årlige el-forbrug, når man omdanner 1 kilogram masse til energi. Til sammenligning skal der afbrændes cirka 3 millioner ton kul for at frigøre samme energi.

Fissionsenergi[redigér | redigér wikikode]

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[2]. 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 landene bygger flere atomkraftværker, vil det blot øge hastigheden mod uranenergiafgrunden. [3] [4] [5]

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. [6]

Fusionsenergi[redigér | redigér wikikode]

Uddybende Uddybende artikel: Fusionsenergi
En mulig måde at holde plasmaet samlet i en ring er med superledende spoler i en tokamak (torusformet).

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. [7] 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[redigér | redigér wikikode]

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 udleder CO2 og CO2/kg uran stiger fremover, da den uranrige malm hastigt svinder 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[8]. 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:

Teknologi v CO2-ækvivalenter
2008
gCO2/kWh[9]
CO2-ækvivalenter
1995
gCO2/kWh[10]
CO2-ækvivalenter
2006
gCO2/kWh[11]
CO2-ækvivalenter
2010
gCO2/kWh[12]
Kul 800-1000 1100 450
Olie 650 800
Gas 500 850
Biomasse 25-93 75
Solceller 35 155 30
Koncentreret solkraft/CSP 10
Bølgeenergi 25-50 50
Tidevandsenergi 45
Vandkraft (dæmninger) 10-30 205 55
Vandkraft (floder) <5
Geotermisk energi 30
Vind 5 43 10
Kernekraft 5 20 90-140 115

Se også[redigér | redigér wikikode]

Kilder/referencer[redigér | redigér wikikode]

  1. The Most Tightly Bound Nuclei
  2. Dansk Atomkraft er et tabuemne, Politiken 8. november 2010]
  3. stormsmith.nl: Factsheet 4: Energy security and uranium reserves Citat: "...After about 60 years the world nuclear power system will fall off the 'Energy Cliff' – meaning that the nuclear system will consume as much energy as can be generated from the uranium fuel. Whether large and rich new uranium ore deposits will be found or not is unknown...Graph 1: Depletion of world known recoverable resources, 2006 – 2076...Net energy and the 'Energy Cliff' Graph 2: the energy cliff..."
  4. American Chemical Society (2008, April 22). Questioning Nuclear Power's Ability To Forestall Global Warming. ScienceDaily. Citat: "...The study points out that supplies of high-grade uranium ore are declining, which may boost nuclear fuel's environmental and economic costs, including increases in energy use, water consumption and greenhouse gas emissions. In addition, newly discovered uranium deposits may be more difficult to extract in the future -- a further drain on economic and environmental resources...", Gavin M. Mudd and Mark Diesendorf. Sustainability of Uranium Mining and Milling: Toward Quantifying Resources and Eco-Efficiency
  5. en:Peak uranium
  6. IAEA: The Need for Fast Breeder Reactors Citat: "...These programmes are extremely costly and it has been estimated that development of a first commercial prototype will require a total cost of at least $2000 – $3000 million; each programme occupies several thousand scientists in government laboratories and in industry...The plutonium breeder will also offer the obvious solution for the use of what are at present by-products from nuclear power production, viz. depleted uranium from the enrichment plants and plutonium produced by the present types of thermal reactors. Without use in breeders we would in 2000 have some 5 million tons of depleted uranium and about 6000 tons of plutonium in store..."
  7. T. Hamacher and A.M. Bradshaw (October 2001). "Fusion as a Future Power Source: Recent Achievements and Prospects" (PDF). World Energy Council. http://www.worldenergy.org/wec-geis/publications/default/tech_papers/18th_Congress/downloads/ds/ds6/ds6_5.pdf.  Arkiveret 2004-05-06.
  8. CO2-fri atomkraft er et fupnummer, Information 14. februar 2008]
  9. Carbon footprint of Electricity Generation, postnote October 2006, no. 268, Parliamentary Office for Science and Technology, UK
  10. IAEA bulletin 4/1995: Nuclear energy & the environmental debate: The context of choice
  11. stormsmith.nl: Energy from uranium Citat: "...Nuclear electricity generated from ores with a grade of 0.15% U, the world average at this moment, has a specific carbon dioxide emission of nearly 90-140 grams CO2 per kilowatt-hour, depending on accounting the energy debt or not...Emissions of other GHGs..."
  12. Video: jun, 2010, TED: Debate: Does the world need nuclear energy? (lav-opløsning) To opponenter fremlægger og har hver deres CO2-grafer. Her anvendes professor ved Stanford University Mark Z. Jacobsons tal aflæst fra tiden 9:47 med CO2 fra både livscyklus og fossil-CO2-udslip mens man venter på godkendelse og kraftsværkbyggeriet. Se stanford.edu: "A Plan For a Sustainable Future" side 11 og Side 7, tabel 3: Mark Z. Jacobson: Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security

Eksterne henvisninger[redigér | redigér wikikode]

Wikipedia-logo.png Søsterprojekter med yderligere information:
  • 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..."