Kjerneenergi, energi som frigjøres ved omdanning av atomkjerner. Mellom nukleonene (protonene og nøytronene) som atomkjernene er bygd opp av, virker tiltrekkende krefter. Skal man fjerne et nukleon fra en kjerne, må man tilføre systemet energi, på samme måte som man må tilføre energi for å fjerne elektroner fra et atom eller løfte en stein i tyngdefeltet. Den energi som må tilføres for å bryte en kjerne opp i enkelte nukleoner, eller som blir frigjort hvis et passende antall nukleoner slår seg sammen og danner en kjerne, kalles kjernens bindingsenergi, B. Den varierer fra nuklide til nuklide, men øker stort sett i samme forhold som antallet nukleoner, A, i kjernen. For middels tunge kjerner, A mellom 40 og 100, er den gjennomsnittlige bindingsenergien for hvert nukleon, B/A, vel 8 MeV. For meget tunge og meget lette kjerner er bindingsenergien per nukleon betraktelig mindre. 4He står i en særstilling blant de lette kjernene idet denne nukliden har en meget stor bindingsenergi, vel 7 MeV per nukleon.
Teori
Prosesser
Kjerneenergi blir frigjort når bindingsenergien til nukleonene øker. Dette kan skje på tre måter: Ved fusjon bygges tyngre kjerner opp av lettere, som regel 4He av hydrogenisotoper. Ved fisjon deles tunge kjerner, f.eks. urankjerner, i to omtrent like store deler, og i radioaktive prosesser sender kjerner ut α, β eller γ-stråling, slik at man får et system med større bindingsenergi.
I alle disse prosessene går den energi som frigjøres, dels over til kinetisk energi av den eller de nye kjernene som dannes, dels sendes den ut som stråling. I begge tilfeller vil størsteparten av energien meget snart overføres til varme i stoffet der reaksjonen foregår, og i de nærmeste omgivelsene. Utnyttelse av kjerneenergi vil si utnyttelse av den varme som utvikles ved de nevnte kjernereaksjonene.
Frigitte energimengder
Den store interessen for kjerneenergi skyldes de enorme energimengder som frigjøres i kjernefysiske prosesser. Ved fisjon får man frigjort nesten 1 MeV (1,6 · 10−13 joule) per nukleon som er involvert i prosessen. Ved fusjon frigjøres opptil 6,5 MeV per nukleon. Til sammenligning kan nevnes at det frigjøres ca. 4 eV per molekyl når kull brenner til CO2. Brukes mer praktiske enheter, finner man at det utvikles en energimengde på omtrent 200 000 kWh når man produserer ett g 4He av deuterium, 2H. Like mye energi får man ved spaltning av 6 g uran, ved forbrenning av 25 tonn kull og når 800 000 m3 vann faller 100 m. Strengt tatt får man aldri utnyttet energien fullt ut i kjernereaksjoner, fordi man aldri får alle kjernene til å reagere. Likevel er den energi som står til disposisjon mye større enn den man får fra tradisjonelle energikilder.
Det er vanlig å si at man ved kjernereaksjoner omsetter masse til energi. I virkeligheten får man alltid massetap ved frigjøring av energi i overensstemmelse med Einsteins lov E = ΔMc2, hvor c er lyshastigheten, E er energien som avgis og ΔM er det tilsvarende massetap. I kjemiske prosesser, f.eks. ved forbrenning, blir masseendringene så små at de ikke er målbare (ca. 10−10 ganger den masse som reagerer). Ved fisjon blir derimot masseendringen ca. 0,1 % og ved fusjon opptil 0,6 % av den involverte massen. Slike masseendringer kan måles, og man kan gå motsatt vei og på grunnlag av nøyaktige massebestemmelser av kjernene som reagerer, og av reaksjonsproduktene regne seg til hvor mye energi som står til disposisjon.
Anvendelse
Kjerneenergi utnyttes dels i eksplosjonsprosesser, som er ukontrollerte i den forstand at de ikke lar seg stanse når de først er satt i gang; se kjernevåpen. Dels utnyttes den i kontrollerbare prosesser, hvor den utviklede varmen kan brukes direkte eller omdannes videre til elektrisk energi.
Fusjon
Fusjon er den prosessen som energi frigjøres ved i Solen og de fleste stjernene. Teknisk utnyttes prosessen i hydrogenbomber. Den kan studeres under kontrollerte forhold ved laboratorieforsøk, men man har hittil ikke klart å sette i gang og kontrollere en fusjonsprosess slik at den løper av seg selv og gir overskudd av energi, selv om det forskes intenst for å oppnå dette. Lykkes forsøkene, kan fusjonsenergi bli menneskenes viktigste energikilde. Energiutbyttet er høyt, og tilgangen på brensel er praktisk talt ubegrenset, men med de resultater som til nå er oppnådd, regner man ikke med at fusjonsenergi kommer i bruk i større omfang før i midten av 2000-tallet (se fusjonsreaktor). Se også avsnittet Utbygging, Dagens situasjon.
Radioaktive prosesser
Radioaktive prosesser blir i begrenset utstrekning brukt enten for direkte produksjon av elektrisitet eller for å produsere varme som driver termoelementer. Som regel bruker man kunstig fremstilte radionuklider for dette formålet. Radionuklide-batteriene er ganske små. De kan ha en effekt fra et par watt opp til 100 watt og en vekt fra et kilogram og opp til noen tonn, avhengig av hvor mye strålingsbeskyttelse som trengs. Levetiden vil, avhengig av hvilken nuklide som benyttes, være fra noen måneder og til ca. 5 år. Batteriene har stor driftssikkerhet og brukes bl.a. i satellitter og andre romfartøyer. De blir også brukt i lysbøyer og for å drive automatiske værobservasjonsposter (radionuklidebatteri).
Fisjon
Fisjon er den prosess som hittil har hatt og sannsynligvis i lang tid vil ha størst betydning for energiproduksjon, og det er som regel fisjonsenergi man tenker på når man snakker om kjerneenergi. Fisjonsenergi frigjøres ved kjedereaksjon i fissilt materiale. Kort beskrevet foregår prosessen i en fisjonsreaktor ved at en atomkjerne av det fissile stoffet fanger inn et nøytron. Dette får kjernen til å dele seg samtidig som det frigjøres noen få, vanligvis 2–3, nye nøytroner. Disse kan fanges inn av andre kjerner og få også dem til å spaltes. Derved oppstår en kjedereaksjon. (Se fig. 2.) De to delene, fisjonsfragmentene, som kjernen spaltes i, støtes fra hverandre med stor kraft, og den energi delene på denne måten får, går over til varme, som blir fjernet fra reaktoren med et kjølemiddel. I et kjerneenergiverk bruker man varmen fra kjølemiddelet for å produsere damp som driver en turbin koblet til en elektrisk generator. (Se fig. 3.)
Reaktorbrensel
Det er bare få nuklider som har de egenskaper som er nødvendige for å få en kjedereaksjon til å løpe. Slike nuklider kalles fissile. I naturen forekommer bare en fissil nuklide, uranisotopen 235U. Denne isotopen er til stede i en mengde av 0,7 % i all naturlig forekommende uran, de resterende prosentene er 238U. Når 238U bombarderes med nøytroner, får man dannet plutoniumisotopen 239Pu. På samme måte får man av den naturlig forekommende thoriumisotopen, 232Th, dannet 233U. Både 239Pu og 233U er fissile og kan brukes som reaktorbrensel. En del tyngre transuraner er også fissile, men de er vanskelige å fremstille. Enkelte av dem er brukt i bomber, men de egner seg ikke som reaktorbrensel.
Det er 235U som er det vanlige brenselet i dagens reaktorer, men tilgangen på 235U er begrenset. Med dagens forbruk og de forekomster man kjenner og som lar seg utvinne for en rimelig pris, vurdert ut fra prisen på elektrisitet, vil resursene av 235U være brukt opp på midten av 2000-tallet. I formeringsreaktorer lages fissilt stoff (233U av 232Th eller 239Pu av 238U) i større mengder enn det brensel reaktoren selv forbruker. På den måten kan alt naturlig forekommende thorium og uran omdannes og benyttes som reaktorbrensel. Siden mengden av 238U er 140 ganger så stor som av 235U og forekomstene av thorium 2–3 ganger større enn forekomstene av uran, vil man med formeringsreaktorer kunne dekke en vesentlig del av verdens energibehov flere hundre år fremover.
Utbygging
Fra eksperimentstadiet i 1960-årene har kjerneenergi etter hvert fått større og større betydning som energikilde for elektrisitetsforsyningen i mange land. Utviklingen og utbyggingen kan deles i tre epoker. Den første epoken strekker seg fra O. Hahns og F. Strassmanns oppdagelse av fisjon i 1938 og frem til 1954. Den var kjennetegnet ved rent grunnleggende forskning på det kjernefysiske og kjernetekniske området. Forskningen foregikk først og fremst i USA, SSSR og Storbritannia. Men også mange mindre land deltok i forskningen med bygging av små forsøksreaktorer. – I Norge ble Institutt for atomenergi (nå Institutt for energiteknikk) opprettet i 1948 og en forsøksreaktor, JEEP-1, ble satt i drift i 1951.
I denne perioden skiftet man fra betegnelsen mile til reaktor. Milene var bygd for produksjon av radioaktive nuklider, spesielt for plutonium til bruk i bomber. Ved reaktorene er det energiomsetningen som er av betydning. Epoken avsluttes ved at de første reaktorene ble knyttet til strømforsyningen.
Den neste epoken, som kan regnes fra 1955–65, er karakterisert ved at en rekke mindre reaktorer ble bygd og knyttet til elektrisitetsnettet. Man viste i denne perioden at kjerneenergi var fullt konkurransedyktig med kull og olje, men lønnsomheten forutsatte store reaktorer, minst 200–300 MW elektrisk effekt, fordi omkostningene til bygging og sikkerhetstiltak er store og omkostningene til brensel er små, sammenlignet med forholdene ved utnyttelse av olje eller gass. Derfor begynte man også å bygge kjerneenergiverk med flere reaktorer samlet innen samme område. Utviklingen foregikk stort sett i SSSR, USA og Storbritannia. I Obninsk i SSSR (Russland) ble den første reaktoren, med en elektrisk effekt på 5 MW, knyttet til elektrisitetsnettet i 1954, mens et energiverk i Trnitsk i Sibir med 6 reaktorer, hver på 100 MW, ble tatt i bruk i årene 1958–62. I Storbritannia ble verdens første store kjerneenergiverk, Calder Hall, med 4 reaktorer på 50 MW tatt i bruk 1956–58. USA tok i 1962 i bruk sin første store reaktor, med en effekt på 260 MW.
I midten av 1960-årene begynte utbyggingen av kjerneenergiverk i stor stil i en rekke land, med det som formål etter hvert å erstatte olje og kull for elektrisitetsproduksjon. I den første fasen ledet USA og Storbritannia i utbyggingen, men de fleste vest-europeiske industriland, Canada, Japan og Sør-Korea fulgte snart etter. Tempoet for utbyggingen i Storbritannia ble redusert etter at utvinningen av gass og olje i Nordsjøen begynte i slutten av 1960-årene. I slutten av 1970-årene kom kjerneenergien sterkt i søkelyset som kilde for radioaktiv forurensing av naturen og fordi den medførte produksjon av plutonium som kunne benyttes i kjernevåpen, og det oppstod organiserte folkebevegelser mot bruk av kjerneenergi. I 1979 inntraff dessuten det første kjente reaktorhavariet i Harrisburg, USA, noe som ledet til en reduksjon i utbyggingstempoet, spesielt i USA, men også i de fleste andre vestlige industriland.
Man begynte også å bygge fartøyer som hentet energi til fremdriften fra atomspaltning. Slike fartøyer drives av en dampturbin hvor kjelen varmes opp med energi fra en mindre reaktor. Den første undervannsbåt av denne typen, den amerikanske USS Nautilus, var ferdig i september 1954. Det er etterhvert bygd noen hundre slike undervannsbåter, for den amerikanske, russiske, britiske og franske marinen, som leveringsmidler for missiler. USA og Russland har også marinefartøyer (overflatefartøyer) drevet av kjerneenergi. Det første kjerneenergidrevne overflateskip var den sovjetiske isbryteren Lenin, sjøsatt i desember 1957. Rundt 1960 ble det bygd noen få atomdrevne lasteskip, men ingen av disse er lenger i drift.
Dagens situasjon
Frankrike står i særstilling med 86 % av det totale elektriske energiforbruket dekket ved kjerneenergi (2005). Rundt 80 % dekning regnes som lønnsomhetsgrensen for bruk av kjerneenergi. Videre utbygging vil da være beregnet på økning i elektrisitetsforbruk og erstatning av gamle reaktorer. Belgia (47 %), Finland (25 %), Sveits (37 %) og Sverige (46 %) har nådd de mål for utbygging av kjerneenergi man har satt seg, og videre utbygging er stanset. Av europeiske land har Albania, Danmark, Hellas, Irland, Island, Norge, Portugal og Østerrike ikke kjerneenergiverk og har heller ikke fattet vedtak om å ta i bruk kjerneenergi. Det er ingen land i Vest-Europa som har reaktorer under utbygging. Russland og Ukraina planlegger nye kjerne-energiverk som tilsvarer en kapasitetsøkning på henholdsvis 17 % og 14 % av nåværende nivå.
Man har gått over til stadig større reaktorer. Mens reaktorene som ble bygd i 1970 i gjennomsnitt hadde en elektrisk effekt på 180 MW, vil de 24 nye planlagte reaktorer, som vil være operative rundt år 2006, ha en gjennomsnittlig effekt på vel 820 MW. Av verdens elektrisitetsforbruk, som for 1996 er anslått til 15 000 TWh, ble 2200 TWh dekket av kjerneenergi, dvs. rundt 15 %. Totalt er det 31 land som benytter kjerneenergi. Disse land dekker sitt elektriske kraftbehov på 9700 TWh med 2200 TWh (23 %). Reaktortypene som brukes er hovedsakelig trykkvannsreaktorer (54 %) og kokvannsreaktorer (22 %).
Tallopplysninger for de 10 største kjerneenergiproduserende land er gitt i tabell. Av disse landene har Frankrike og Tyskland de mest effektive reaktorene på 1100 MW i gjennomsnitt. USA er desidert det land som har størst produksjon, men produksjonen dekker bare 27 % av landets totale elektrisitetsbehov.
Det er fortsatt utstrakt forskning for å utnytte fusjonsprosessen i energiproduksjonen. Etter 2 års diskusjoner ble det i 2005 vedtatt å legge International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)– prosjektet til Cadarache i Frankrike. Man håper dermed at verdens største fusjonsreaktor kan starte sin testperiode i 2015. Prislappen blir rundt 18 milliarder kroner og regnes bare å være ett trinn på veien mot kommersiell utnytting av fusjon.
Sikkerhet og risiko
Parallelt med den økende betydning av kjerneenergi har det fra 1970-årene kommet til uttrykk stor skepsis mot den nye energikilden. Sosialpolitisk er utnyttelse av kjerneenergi blitt et symbol for økt industriell vekst og av den grunn avvist. Militærpolitisk er utnyttelse av kjerneenergi sterkt knyttet til fremstilling av kjernevåpen. I alle reaktorer produseres plutonium, som på samme måte som 235U kan brukes som sprengstoff i fisjonsvåpen. Plutonium har den fordel fremfor 235U, som finnes i naturen sammen med 238U, at det kan skilles ut ved kjemiske midler uten kostbart utstyr for isotopseparasjon. Muligheten for at enkelte land eller terroristgrupper skal kunne sikre seg tilstrekkelige mengder plutonium til å fremstille bomber foreligger, og det samme gjelder ekspertisen til å gjøre dette. Det er lagt ned et stort arbeid for gjennom internasjonale avtaler og kontrolltiltak å hindre at produksjon av plutonium i reaktorer skal føre til spredning av kjernevåpen eller til at plutonium kommer på avveier.
Helsemessige problemer
Helsemessige problemer forbundet med utnyttelse av kjerneenergi er knyttet til faren for direkte utslipp av radioaktive stoffer fra reaktoren til luft eller avløpsvann, faren for reaktoruhell med spredning av radioaktivitet og faren for spredning av radioaktivt avfall. I samsvar med internasjonale regler fastsetter de enkelte land grenser for mengden av radioaktivt utslipp. Grensene settes så lavt at strålingen ligger langt under den naturlige radioaktive stråling som alle mennesker er utsatt for, og de direkte forurensningene fra kjerneenergiverk vurderes også som små sammenlignet med miljøforurensninger fra andre varmeenergiverk.
Konstruksjon
Konstruksjonsmessig er reaktorene bygd på en slik måte at de ikke kan eksplodere på samme måte som en kjernefysisk bombe. Men det foreligger andre muligheter for at reaktoren kan bli ødelagt eller springe lekk og at radioaktivitet kan bli spredt til omgivelsene. Ved sikrings- og kontrolltiltak, automatisk stopp av reaktoren hvis uhell skulle inntreffe osv. søker man å oppnå at det bare skal være en teoretisk mulighet for at et uhell med skadelige følger skal forekomme. Gjennomførte beregninger viser at sannsynligheten for store reaktoruhell er minimal. Men slike beregninger vil alltid være usikre. Uforutsette ting kan inntreffe. Spesielt vil menneskelig svikt kunne føre til alvorlige ulykker. Ved begge de to store reaktorhavariene som har funnet sted, Harrisburg-ulykken i USA 1979 og Tsjernobyl-ulykken i Ukraina 1986, kunne årsakene føres tilbake til menneskelige feil i form av overtredelser av gjeldende sikkerhetsbestemmelser. For å hindre lignende ulykker legges det stor vekt på automatiske sikkerhetsanordninger som skal være vanskelige å sette ut av funksjon. Dessuten vil reaktorer i det tidligere SSSR, i likhet med vest-europeiske og amerikanske, bli utstyrt med sikkerhetstanker som skal hindre eller begrense radioaktivt utslipp om reaktoren kommer ut av kontroll. Sikkerhetsanalyser basert på sikkerhetsbestemmelser for amerikanske og vest-europeiske reaktorer, har gitt som resultat at man maksimalt kan forvente et reaktorhavari for hvert titusen reaktordriftsår.
Inntil 1996 har man totalt hatt 7700 reaktorår på verdensbasis. Under denne driftsperioden har det altså forekommet 2 kjente reaktorhavarier.
Etter hver ulykke gjennomgås sikkerhetsbestemmelsene og sikkerheten øker. Med den erfaringen man nå har med vestlige reaktortyper, er det grunnlag for å si at risikoen for alvorlige katastrofer er betydelig mindre enn risikoen ved bruk av de fleste andre energikilder. Risikoen for spredning av plutonium vil til tross for streng kontroll alltid være til stede, men den må vurderes mot de muligheter de som ønsker å produsere kjernevåpen har for selv å produsere de nødvendige materialene.
Avfall
Ved spalting av uran dannes stoffer som etter hvert forandrer brenselets, uranstavenes, egenskaper. Stavene må derfor med jevne mellomrom, som regel en gang i året, tas ut for reprosessering. De nydannede stoffene blir da fjernet. Noen av dem er teknisk sett verdifulle og blir tatt vare på. Men storparten regnes som avfallsstoffer. De er til dels sterkt radioaktive, og en del av dem har et halvliv på flere årtier. Avfallet må derfor i noen hundre år oppbevares betryggende slik at aktiviteten ikke får virke ute i naturen. Det antas at lagring i stabilt og tørt grunnfjell vil være mest betryggende.
Det er stor teknologisk utvikling på området kjerneenergi, og en rekke forskjellige reaktortyper er under utprøving. Spesielt har formeringsreaktorene ennå ikke fått sin endelige form. Det utvikles dessuten reaktorer til spesielle formål, slik som reaktorer for skip, ubåter og romfartøyer. Se også fisjon, fusjon, reaktor, atomansvar, radioaktivitet.
Viktige begivenheter
| 1932 | J. Chadwick oppdager nøytronet |
| 1938 | O. Hahn oppdager fisjon av uran |
| 1942 | E. Fermi utløser den første kjedereaksjon |
| 1945 | Den første kjernefysiske bombe eksploderer i New Mexico, USA |
| 1949 | Den første prøve med kjernevåpen i SSSR |
| 1951 | Den første norske reaktor, JEEP-1, startes |
| 1952 | Den første prøve med fusjonsvåpen, USA |
| 1954 | Den første energiproduserende reaktor, APS-1 på 5 MW, prøves i SSSR |
| 1954 | Det første skip drevet med kjerneenergi, ubåten Nautilus, sjøsettes i USA |
| 1956 | Det britiske kraftverk Calder Hall, effekt 150 MW, i drift |
| 1958 | Kjernekraftverk med 6 reaktorer, hver på 100 MW, i drift i Trnitsk i Sibir |
| 1959 | Dresden Nuclear Power Station, USA, effekt 180 MW, i drift |
| 1959 | Isbryteren Lenin, SSSR, første ikke militære skip som drives med kjerneenergi, sjøsettes |
| 1969 | Oyster Creek, USA, første økonomisk konkurransedyktige kjernekraftverk, effekt 515 MW, i drift |
| 1973 | De første formeringsreaktorer i drift i SSSR (150 MW) og Frankrike (270 MW) |
| 1979 | Første kjente reaktorhavari. 800 MW reaktor på Three Mile Island, Harrisburg, USA, fullstendig ødelagt. Ingen personskader |
| 1986 | Første store formeringsreaktor, Super Phénix, Frankrike, 1240 MW, i drift |
| 1986 | Reaktorhavari i Tsjernobyl, Ukraina. Stort utslipp av radioaktive stoffer. 31 mennesker drept. Mange påført varige strålingsskader |
| 1989 | Den russiske atomdrevne ubåten Komsomolets havarerte i Barentshavet. Alt radioaktivt materiale gikk til bunns, bl.a. 10 kg plutonium |
| 1997 |
Verdens største reaktor, Chooz-B1, tatt i kommersiell bruk i Frankrike. Dette er en trykkvannsreaktor med total kapasitet på 1520 MW |
| 2011 |
Reaktorhavari i Fukushima, Japan som følge av jordskjelv med etterfølgende tsunami. Store utslipp av radioaktive stoffer, men ingen mennesker ble drept som følge av det. |
Verdens største kjerneenergiprodusenter1)
| Land | Reaktorer i drift | Kapasitet (MWe) | Reaktorer under bygging | Kapasitet (MWe) | Planlagte reaktorer | Kapasitet (MWe) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| USA | 100 | 99 098 | 5 | 6 018 | 7 | 8 643 |
| Frankrike | 58 | 63 130 | 1 | 1 720 | 1 | 1 100 |
| Japan | 50 | 44 396 | 3 | 3 036 | 9 | 12 947 |
| Russland | 33 | 24 253 | 10 | 9 160 | 31 | 32 780 |
| Sør-Korea | 23 | 20 653 | 5 | 6 870 | 6 | 8 730 |
| Kina | 19 | 16 022 | 29 | 31 721 | 58 | 63 340 |
| Canada | 19 | 13 553 | 2 | 1 500 | 3 | 3 800 |
| Ukraina | 15 | 13 168 | 0 | 0 | 2 | 1 900 |
| Tyskland | 9 | 12 003 | 0 | 0 | ||
| Storbritannia | 16 | 10 038 | 0 | 0 | 4 | 6 680 |
| Verden | 435 | 375 264 | 71 | 74 997 | 172 | 186 663 |
1) Tall fra 2014
