Vad är kärnkraft?

Kärnkraft är en energikälla som bygger på omvandling av materia till energi.

Fission

Fission innebär att man klyver urankärnor, och det är den processen som används i de flesta kärnkraftstationer runt om i världen. Anledningen till att det är just urankärnor man klyver beror på att vetenskapsmän fann att de var lätta att klyva. En uranatom hålls samman av väldigt starka krafter, och det finns därför stora mängder energi lagrade i atomen. Den energin kan man frigöra genom att man klyver atomkärnan. Detta kan man göra med en neutron som har låg hastighet. När kärnan träffats av neutronen kommer den i svängning, och dessa svängningar kan bli så starka att kärnan klyvs i två delar. Det bildas då två klyvningsprodukter, energi i form av värme och två eller tre nya neutroner med höga hastigheter. Om man lyckas få dessa neutroner att klyva en annan urankärna kan man alltså få processen att fortgå av sig själv. För att lyckas med detta behövs en moderator. En moderator är ett ämne som minskar neutronernas hastighet, så att de ska kunna klyva en ny urankärna. De neutroner som ändå blir över absorberas av styrstavar som finns i mellanrummet mellan bränslepatronerna. Stavarna kan skjutas in och ut mellan patronerna för att variera värmeutvecklingen. En fission ger inte särskilt mycket energi, utan det krävs ofantligt stora mängder fissioner för att producera energi.

Uran

Uran finns i jordskorpan och i havs- och sjövatten. Halten i de bästa malmerna är 0,1 - 0,5% uran, och efter att malmen brutits behandlas den så att man får upp uranhalten till 60 eller 70%. Naturligt uran innehåller tre isotoper, och en av dessa isotoper, nämligen den med masstalet 235, har de bästa egenskaperna för klyvningsprocessen. Därför använder man bränsle som är anrikat till 2 eller 3% uran-235. Med anrikat bränsle menar man att man har bearbetat bränslet så att det innehåller mer uran-235 än vad naturligt uran gör. Uranet i en kärnkraftreaktor består av uranoxid, vilket är ett svart pulver. Detta pulver pressas ihop i små cylindrar som kallas kutsar, och dessa placeras i sin tur i tätt ihop svetsade rör. Då får man bränslestavar som i sin tur monteras ihop till bränslepatroner. Efter 3 till 5 år inne i reaktorhärden har halten uran-235 gått ner till 0,8 - 1%, mot 2 - 3% när bränslet var nytt. Då är bränsleelementet utbränd, men den innehåller fortfarande mycket uran-235, och det har bildats plutonium-239, vilket också kan klyvas av långsamma neutroner. För att få användning av det återstående bränslet måste man upparbeta det. Det innebär att man separerar plutoniumet och uranet från varandra, och det som blir över är högaktivt radioaktivt avfall. Ett kärnkraftverk kan inte sprängas i luften som en atombomb. Det beror på att man i en atombomb måste anrika bränslet så mycket att det får en uran-235 halt på 90 % för att den ska kunna detonera.

Fusion

Man kan även utvinna energi genom att slå ihop lätta atomkärnor, till exempel tungt väte, så att de bildar tyngre atomkärnor, till exempel helium. Denna metod kallas fusion. Det finns dock ett problem med denna metod, och det är att partiklarna måste vara i jonform, och partiklarnas hastigheter måste vara oerhört höga. Temperaturen måste därför ligga mellan tio miljoner till hundra miljoner grader. Detta har man ännu inte lyckats göra utan att det går åt mer energi än vad processen producerar. Fusion används dock i vätebomben som är den starkaste bomben på jorden. Om man skulle lyckas konstruera en fusionsreaktor så skulle den vara en bra lösning på framtidens energiproblem eftersom att bränslet kan bestå av tungt vatten, vilket finns i enorma mängder i vanligt havsvatten, och att den inte ger något nämnvärt radioaktivt avfall.

Strålning

Människan omges av en mängd strålkällor, och radioaktiva ämnen är inget nytt fenomen på jorden. I dag utnyttjas strålning till en hel del. Det är främst inom sjukvården man använder strålning. Där används strålningen för att behandla sjuka människor. Det finns joniserande och icke joniserande strålning, och båda dessa sorter kan vara skadliga. Det här stycket ägnas dock åt joniserande strålning eftersom det är den som kommer från radioaktiva ämnen. Mellan neutroner och protoner i en atomkärna verkar speciella krafter som håller ihop neutronerna och protonerna i en kärna. Dessa krafter är bara i jämvikt när antalet protoner och elektroner är lika, och när de är i jämvikt är atomen stabil. När jämvikten inte infinner sig är har atomen alltså ett underskott eller ett överskott av elektroner, och dessa atomer kallas joner. En strålpuls som kan slå ut en elektron från en atom kallas för joniserande strålning, och exempel på dessa är alfa- beta- och gammastrålning. En alfapartikel består av en heliumkärna som består av två protoner och två neutroner. För att bli neutralt vill den ha två elektroner, och dessa tas från i stort sett vilket ämne som helst. När den tagit upp elektronerna har den blivit en neutralt laddad heliumatom. Eftersom alfapartikeln så lätt bildar en heliumkärna har den knappt någon räckvidd över huvud taget. Den har en räckvidd på cirka en centimeter i luft, och vill man stoppa den ännu tidigare räcker det med att hålla upp ett papper. En betapartikel består av en elektron som blivit utsänd av en atom. Den har alltså mycket mindre massa än alfapartikeln. Detta innebär att betapartikeln har en mycket högre hastighet än den klumpiga alfapartikeln. Detta medför också att betapartikeln har en längre räckvidd innan den blir neutral. I luft är räckvidden mellan 10 - 20 centimeter, men man kan stoppa den med till exempel en plexiglasskiva som är 1 centimeter tjock. Gammastrålningen är en elektromagnetisk vågrörelse, precis som ljuset. Den har också samma hastighet som ljuset, men kortare våglängd och högre energi. Gammastrålningen är till skillnad mot de andra två mycket svårstoppad. Det krävs metertjocka betonglager för att stoppa den. Det är de tre vanligaste typerna av strålning, men det finns även andra. Röntgenstrålning är precis som gammastrålningen en elektromagnetisk vågrörelse, men den är mindre energirik. Detta innebär att den inte har lika stor genomträngningsförmåga. Det är alltså lättare att skydda sig mot den. Röntgenstrålningen framställs i ett röntgenrör med hjälp av el. Röret i sig är inte radioaktivt, vilket medför att man med hjälp av en strömbrytare kan sätta på och stänga av strålningen. Om man behöver en mer genomträngande röntgenstrålning kan man accelerera vågen med magnetiska fält. Röntgenstrålningen lämpar sig bra inom till exempel sjukvård. Neutronstrålning innebär att en neutron tränger in i en stabil kärna. Förhållandet mellan neutroner och protoner rubbas då, och följden blir att atomen blir radioaktiv. I praktiken händer detta bara i till exempel ett kärnkraftverk i drift, och inte naturligt i vår atmosfär. Man behöver alltså inte oroa sig för denna typ av strålning. Som tidigare nämnts finns det fortfarande kvar radioaktiva ämnen som bildades innan Jorden fanns till. Anledningen till detta är något som kallas halveringstid. Radioaktiva ämnen sönderfaller, och med halveringstid menar man den tid det tar för hälften av de radioaktiva atomerna att sönderfalla. Halveringstiderna varierar kraftigt mellan olika ämnen, och som exempel kan nämnas plutonium-214 som har en halveringstid på 264 mikrosekunder, och thorium-232 med en halveringstid på 14 miljarder år.