Kernekraft
- Der er for få eller ingen kildehenvisninger i denne artikel, hvilket er et problem. Du kan hjælpe ved at angive troværdige kilder til de påstande, som fremføres i artiklen.
Kernekraft (i daglig tale også kaldet atomkraft) betegner udnyttelsen af atomkernereaktioner til energiforsyning. Disse reaktioner foregår enten i en kernereaktor (ved enten fission eller fusion) eller i en radioisotopgenerator (ved passiv fission af ustabile atomkerner). Kernekraft udgør et alternativ til energiforsyning, der for eksempel er baseret på fossile brændsler. Fissions-baseret kernekraft indgår i dag i flere landes energistrategi. Fusionskraft er stadig på udviklingsstadiet, mens radioisotop-generatorer anvendes i rumfartøjer, for eksempel Voyager 2. Cirka 10 procent af verdens samlede generering af elektrisk energi stammede i 2021 fra kernekraft.
Historie
Processen, der har muliggjort den praktiske udnyttelse af kerneenergi, var kernefission, der blev opdaget i 1939. Dens første anvendelse i større stil var atombomben over Hiroshima 6. august 1945. Efter anden verdenskrig fulgte forsøg på fredelig udnyttelse af atomkraft. Briterne igangsatte i 1956 Calder Hall (Sellafield), som regnes for det første rigtige (kommercielle) kernekraftværk i verden.[2] Allerede i 1954 havde Sovjetunionen dog startet et kernekraftværk i Obninsk, som leverede elektricitet til det sovjetiske elnet frem til 1959. Den sovjetiske reaktor regnes dog kun for at være en prototype.[3]
Derefter voksede kernekraftens betydning som energikilde kraftigt i nogle årtier, ikke mindst efter oliekrisen i 1973, hvor lande som Frankrig og Japan besluttede at udfase deres oliekraftværker til fordel for kernekraftværker. Henimod årtusindeskiftet fladede væksten dog ud for at blive direkte negativ efter 2010. Den samlede globale elproduktion fra kernekraft var således lidt lavere i 2021 end i topåret 2006. Kernekraftens lavere popularitet skyldes flere forhold. Anlægsomkostningerne steg således betydeligt fra 1970'erne og 1980'erne, blandt andet som følge af stigende krav til kraftværkernes sikkerhed. Desuden har faldende priser på andre energiformer gjort kernekraftindustrien mindre konkurrencedygtig. I 2021 var der i hele verden 440 kommercielle kernereaktorer i drift, som tilsammen stod for omkring 10 % af den globale elektricitetsproduktion.[3]
Princippet i kernekraft
Kræfterne i atomkerner er langt stærkere end kræfterne mellem atomer. Man kan derved frembringe betydeligt større mængder energi ved kerneprocesser, dvs. ændring af disse kerner, end ved kemiske processer, der ændrer forholdet mellem atomer og molekyler, som er princippet i konventionelle former for energiproduktion. Derfor er kerneenergi en potentielt meget kraftig energikilde.[2]
En kerneproces vil skabe energi, når kernerne efterfølgende er bundet stærkere sammen, end kernerne var før processen. I såvel lette som meget tunge grundstoffer er kernerne bundet relativt svagt sammen, mens bindingen i mellemtunge grundstoffer som jern og kobber er stærkere. Det betyder, at man kan skabe kerneenergi på to forskellige måder:[2]
- Ved fission, hvor meget tunge kerner spaltes i lettere.
- Ved fusion, hvor to lette kerner forenes til en tungere.
I begge tilfælde konverteres en del af kernens overskydende bindingsenergi (der stammer fra de stærke kernekræfter i nukleonen), dvs. masseforskellen mellem den oprindelige nukleon (eller nukleoner) og den/de resulterende nukleon/-er, til energi i form af varme, bevægelse og gammastråling i de tilfælde, hvor de resulterende kerneprodukter på grafen bevæger sig hen imod 62Ni, som har den højeste gennemsnitlige bindingsenergi per nukleon. At spalte 1 kilogram masse frigør lige så meget energi som at afbrænde 2.500 ton kul.[2][a]
Fissionsenergi
Fissionskraft skabes ved at sende en neutron ind i bestemte meget tunge kerner, hvilket bevirker, at disse spaltes i to nye kerner. Spaltningen skaber en kraftig energimængde og skaber samtidig to eller tre nye neutroner, som hver især igen kan resultere i en ny fission. På denne måde skabes en nuklear kædereaktion af fissionsprocesser. Dette er princippet i energiskabelsen både i kernereaktorer og i kernevåben.[2] Energien manifesterer sig i varme, som fjernes fra reaktoren med et kølemiddel. I et kernekraftværk skaber varmen fra kølemidlet damp, som via en turbine genererer elektricitet.[4]
Brændselskilder
Det er kun nogle ganske bestemte få kerner, der kan bruges som basis for en fusion. De eneste, der findes fra naturens hånd, er bestemte urankerner. Den meget sjældne uran-isotop U-235 kan spaltes, mens den normale U-238 ikke kan spaltes. Ved neutronbestråling i reaktorer af U-238 kan man imidlertid skabe plutonium-239-kerner, og disse er det muligt at spalte. Ligeledes kan man bestråle thorium-232, hvilket resulterer i spaltbare uran-233-kerner.[2] Thorium er indtil videre kun blevet brugt i mindre skala til kraftproduktion, for eksempel i særligt designede reaktorer, såkaldte formerings-reaktorer (engelsk: Breeders).
I de fleste tilfælde udgøres brændslet af uran, som i langt de fleste reaktortyper er i form af uranpellets placeret i metalrør, der så har form af stave. Urankernerne spaltes (fissionerer) til mindre kerner og udsender derved neutroner, der nedbremses med såkaldte moderator-stoffer, som for eksempel vand, og kan derved opfanges af et nyt uranatom, hvorefter fissionsprocessen holdes i gang.
Naturligt uran forekommer som 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 i de fleste reaktorer uegnet til formålet stabil energiforsyning. U-235 kan spaltes af langsomme (såkaldte termiske) neutroner. F.eks. ifølge reaktionsligningen herunder. Højresiden har mange flere varianter og i snit frigives der 2,5 neutroner per fission:
hvor betegner en neutron, og hvor den frigjorte energi, , er lig 179 megaelektronvolt. 1 kilogram U-235 leverer hermed en energimængde ved sin fission og massekonvertering, som svarer til afbrænding af 2,4 millioner Kg fossilt brændstof.
De neutroner, som frigives ved fissionsprocesserne, er hurtige. For at få en nuklear kædereaktion til at forløbe, så må man derfor nedbremse neutronerne vha. en såkaldt neutron-moderator, som typisk består af grafit, almindeligt vand eller tungt vand. Afhængigt af reaktortypen er det også nødvendigt at berige uranet, dvs. øge andelen af U-235. Kædereaktionen holdes under kontrol ved indsætning eller udtrækning af neutronabsorberende kontrolstænger i/fra kernen.
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)[5] 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. [5] [6] [7]
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. [8]
Fusionsenergi
Fusionskraft betegner energiforsyning, som bygger på sammensmeltning af lette atomkerner, eksempelvis deuterium eller tritium. 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. Det kræver en ekstremt høj temperatur (mange millioner grader). Den indtil videre eneste sammenhæng, hvor kerneenergi fra fusionsprocesser er anvendt, er brintbomber (termonukleare våben).[2][b]
I Solen og andre stjerner sker fusionsprocesser 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. [9] Det er en af grundene til, at fusionsenergi ser væsentlig mere interessant ud end fissionsenergi.
Det er endnu ikke lykkedes at skabe en fusionsreaktor, der frembringer mere energi, end den forbruger i processen.[2] USA, Japan, Rusland, Canada, Sydkorea og EU samarbejder i projektet ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) om at udvikle prototypen på en fusionsreaktor, der skal være netto-energifrembringende. Projektet har dog været udsat for mange forsinkelser og forventes ikke at komme i egentlig drift før i 2027. Kommercielt rentabel fusionsenergi forventes ikke at kunne skabes på denne side af 2050.[3]
Debat om kernekraft som energikilde
Kernekraft har i perioder været mødt af betydelig folkelig modstand, også i Danmark hvor kernekraft siden 1970'erne er et belastet emne i den offentlige debat[10]. 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.[kilde mangler]
Radioaktiv stråling
Det påstås af nogle, at kernekraftværker genererer langt mere stråling end kulkraftværker. Men det kommer an på, hvordan man betragter dette. Udledningerne fra kernekraftværker overvåges nøje, og omfatter primært vand (damp) + gas-udledning under drift. Udledninger fra kulkraft omfatter radioaktive partikler, der sad i kullet, og de tilladelige niveauer er ikke på samme måde som for atomkraft reguleret. De radioaktive materialer fra kulkraft i sad jo oprindeligt i kullet, hvorimod kernekraft ved sin energiproduktion genererer flere radioaktive elementer grundet kernespaltningerne. Dog forbliver langt hovedparten af disse radioaktive stoffer, herunder en hel del tilbageværende uran, ladt tilbage inde i brændselsstaven.
Affaldsproblem
Et ofte fremførte kritikpunkt omkring kernekraft er affaldsproblemet. Kernekraft genererer flere typer affald under drift, herunder slutproduktet, dvs. det brugte brændsel tilbage i brændselsstavene. Det benævnes ofte som det høj- og langtids-radioaktive affald. Derudover skabes mellemradioaktivt affald og lavradioaktivt affald, i forskellige dele af processerne under drift, såsom f.eks. de metalliske reaktordele omkring brændslet, der bestråles under drift, eller plasthandsker og kølevand, der optager ganske små andele radioaktivt materiale eller støv. De relative mængder er forskelligt afhængigt af det atombrændsel, der anvendes, eller typen af reaktor. Disse høj- mellem- og lav-radioaktive slutprodukterne (eller affald) har typisk behov for behandling, koncentration eller indkapsling, før de endeligt enten genbruges, deponeres eller på anden måde destrueres eller uskadeliggøres som risiko. Mange lande med kernekraft som f.eks. USA og Tyskland, har endnu ikke fundet en løsning på deponering af især det høj- og langlivede affald (det brugte brændsel) i et såkaldt slutdepot. Andre, f.eks. Sverige og Finland, har efter mange års forskning og geologiske undersøgelser besluttet at anbringe sådant slutdepot dybt i hver deres grundfjeld. Derudover forskes der i rentable måder at omsætte de langlivede radioaktive aktinider (10.000-100.000 år) til andre stabile grundstoffer eller høj-radioaktive, men kortlivede radioaktive grundstoffer. Sådanne processer kaldes transmutation. En anden måde at håndtere det brugte brændsel er kemisk reprocessering det til enten nyt brændsel og en mindre, mere højradioaktiv rest, der dog er knap så langlivet, men også kræver enten deponi eller anden behandling før lagring/anvendelse/transmutation.
Udledninger af CO2
I forhold til CO2-udledninger er der som for alle brændsler et energiforbrug ved udvinding, oparbejdning og fremstilling af det atombrændsel, der anvendes i reaktoren. Dette energiforbrug er afhængigt af kvaliteten og arten (geologien) af malmen. Nogle forventer at dette CO2 forbrug stiger, efterhånden som der må gåes over til at udvinde malm af stadig lavere kvalitet[11][12]. Ud fra en livscyklusanalyse-betragtning er kernekraft derfor, ligesom hovedparten af alle energikilder i dag ikke en CO2-fri energikilde, hvor vandkraft i dag udgør det mindste aftryk. Her er nogle kilder[13][11][14][15][16] som sammenligner livscyklus-udledningen fra forskellige teknologier til elektricitetsfremstilling:
Teknologi v | CO2-ækvivalenter 1995 gCO2/kWh[13] | CO2-ækvivalenter 2006 gCO2/kWh[11] | CO2-ækvivalenter 2008 gCO2/kWh[14] | CO2-ækvivalenter 2010 gCO2/kWh[15] | CO2-ækvivalenter 2017 gCO2/kWh[16] |
---|---|---|---|---|---|
Kul | 1100 | 800-1000 | 450 | ||
Olie | 800 | 650 | |||
Gas | 850 | 500 | |||
Biomasse | 75 | 25-93 | |||
Solceller | 155 | 35 | 30 | ||
Koncentreret solkraft/CSP | 10 | ||||
Bølgeenergi | 25-50 | 50 | |||
Tidevandsenergi | 45 | ||||
Vandkraft (dæmninger) | 205 | 10-30 | 55 | ||
Vandkraft (floder) | <5 | ||||
Geotermisk energi | 30 | ||||
Vind | 43 | 5 | 10 | ||
Kernekraft | 20 | 90-140 | 5 | 115 | 151 |
Se også
Noter
- ^ Det følger af sammenhængen mellem massetab () og energigevinst (), som er givet ved Einsteins berømte ligning , hvor er lysets hastighed.
- ^ 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:
- .
- ,
Kilder
- ^ The Most Tightly Bound Nuclei
- ^ a b c d e f g h Ølgaard, Povl Lebeck; Den Store Danske: artiklen "kerneenergi" i Lex på lex.dk. Hentet 3. januar 2025.
- ^ a b c Hofstad, Knut: artiklen "kjernekraft" i Store norske leksikon på snl.no. Hentet 3. januar 2025.
- ^ Guttormsen, Magne; Holtebekk, Trygve; Hofstad, Knut: artiklen "kjerneenergi" i Store norske leksikon på snl.no. Hentet 3. januar 2025.
- ^ a b 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..."
- ^ 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
- ^ en:Peak uranium
- ^ 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..."
- ^ T. Hamacher and A.M. Bradshaw (oktober 2001). "Fusion as a Future Power Source: Recent Achievements and Prospects" (PDF). World Energy Council. Arkiveret fra originalen (PDF) 6. maj 2004. Hentet 20. november 2010.
- ^ Dansk Atomkraft er et tabuemne, Politiken 8. november 2010]
- ^ a b c 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...The operational energy inputs (yellow area) depend heavily on the ore grade and increases rapidly when grades get below 0.1% U. The energy pay-back time of the nuclear system is 5-11 full-power years using the currently [ca. 2006] mined uranium ores (about 0.15% U), or about 6-14 calendar years...To fuel the current world nuclear power plant fleet of 400 GW [ca. 2006] – supplying 2.5% of the world energy demand –, each year 12 cubic km of granite would have to be processed each year. That would be a mountain with a base of 4x4 km and a height of 2.3 km...As it turns out, the grade at which the energy consumption of the full nuclear fuel chain equals the gross energy production and the net energy production falls off the cliff and plunges into the sea of zero, little depends on the size of the energy debt. Between ore grades of 0.02 [%] and 0.01 [%] the nuclear system meets its zero net energy limit...Improvement of the energy efficiency of uranium extraction with, say, a factor two would not add much energy-from-uranium resources..."
- ^ CO2-fri atomkraft er et fupnummer, Information 14. februar 2008
- ^ a b IAEA bulletin 4/1995: Nuclear energy & the environmental debate: The context of choice
- ^ a b Carbon footprint of Electricity Generation, postnote October 2006, no. 268, Parliamentary Office for Science and Technology, UK
- ^ a b Video: jun, 2010, TED: Debate: Does the world need nuclear energy? (lav-opløsning Arkiveret 28. juli 2011 hos Wayback Machine) To opponenter fremlægger og har hver deres CO2-grafer. Her anvendes professor ved Stanford University Mark Z. Jacobsonstal 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
- ^ a b stormsmith.nl: Nuclear CO2 emissions, backup Citat: "...Lifetime CO2 emissions of the complete nuclear process chain from cradle te[to] grave[]151gCO2/kWh..."
Litteratur
- Hans Jørgen Nielsen (2022): Alt det ingen har fortalt os om atomkraft. Forlaget Pressto, 308 sider, ISBN 978-87-93716-69-8
Eksterne henvisninger
Søsterprojekter med yderligere information: |
- Atomkraft og elproduktion
- Energi på Curlie (som bygger videre på Open Directory Project)
- Nuclear Power Plants på Curlie (som bygger videre på Open Directory Project)
- Science in Africa, 2003: South Africa's nuclear programme. Tom Ferreira Arkiveret 28. april 2006 hos Wayback Machine 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..."
Spire Denne artikel om produktion, distribution og forbrug af energi er en spire som bør udbygges. Du er velkommen til at hjælpe Wikipedia ved at udvide den. |
Medier brugt på denne side
Cutaway view of the Quasi-Poloidal Stellarator (QPS) stellarator. The Quasi Poloidal Stellarator was designed with the help of a computer optimization model that used an extensive suite of physics design tools. The QPS was expected to be built by 2008. http://computing.ornl.gov/ccs_brochure/article05.shtml
Forfatter/Opretter: Everaldo Coelho (YellowIcon);, Licens: LGPL
Et ikon fra Crystal-temaet
Forfatter/Opretter: Gralo, Licens: CC BY-SA 3.0
Nuclear power plant in Cattenom, France
design of a nuclear plant steam plant