Kjerneenergi , eller atomenergi , er energien som frigjøres ved kjernefysiske reaksjoner og radioaktivt forfall i form av elektromagnetisk og kinetisk energi . Denne energien utnyttes av en rekke kjernefysiske teknologier og har en spesiell relevans i energisektoren, faktisk blir kjernekraft ofte referert til som den som frigjøres på en kontrollert måte i kjernekraftverk for produksjon av elektrisitet . [2] I et kraftverk frigjøres atomenergi ved fisjon avbrensel ( isotoper av uran og plutonium ) i reaktoren og her omdannet til termisk energi som kan brukes til produksjon av elektrisitet . Det forskes også på muligheten for å utnytte atomfusjonsreaksjoner til energiformål . [3] [4]
Fra 2020 står kjernekraft for omtrent 10% av den globale elektrisitetsproduksjonen , og var den nest største lavkarbonenergikilden etter vannkraft . Det er utbredt i 32 stater som er vertskap for 442 kjernefysiske fisjonsreaktorer for en installert kapasitet på392,6 GW . [5] Det er også 53 reaktorer under bygging og 98 planlagt, med en kapasitet på hhv.60 GW og103 GW og hovedsakelig i Asia. USA har den største mengden atomreaktorer, og genererer mer enn800 TWh lavutslippselektrisitet med en gjennomsnittlig kapasitetsfaktor på 92 %. [6] Den gjennomsnittlige globale kapasitetsfaktoren for kjernekraft er 89 %. [7]
Atomkraft er en av de sikreste energikildene når det gjelder dødsfall per produsert energienhet. Kull , olje , naturgass og vannkraft har alle forårsaket flere dødsfall per enhet generert energi enn kjernekraft, på grunn av luftforurensning og ulykker. Den alvorligste ulykken i et atomkraftverk var den i Tsjernobyl i Ukraina (den gang Sovjetunionen) i 1986, etterfulgt av Fukushima-katastrofen forårsaket av en tsunami i 2011 og den mindre Three Mile Island -ulykken i USA i 1979.
Det har vært en debatt om kjernekraft en stund . Talsmenn, som World Nuclear Association , hevder at kjernekraft er en trygg og bærekraftig kilde som vil redusere karbondioksidutslipp. Motsatt hevder motstandere som Greenpeace og NIRS at atomenergi utgjør mange trusler mot befolkningen og miljøet og at anleggsbygging er for dyrt og tregt sammenlignet med bærekraftige energikilder.
Atomkraft er regulert av Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA eller IAEA), som er ansvarlig for å fremme fredelig bruk av denne energiformen og forhindre bruk av den til militære formål, utføre overvåkings- og kontrollfunksjoner. på sikkerheten til eksisterende anlegg og de som er under konstruksjon eller design.
Kjernekraftens historie begynner med oppdagelsene av radioaktivt forfall gjort i 1896 av Henri Becquerel og Marie Curie , mens de arbeidet med fosforescerende materialer . [8] [9] Disse materialene, som lyser i mørket etter eksponering for lys, er svært forskjellige fra fluorescerende materialer , som lyser i mørket mens de utsettes for lyskilder som er usynlige for øynene våre. Becquerel mistenkte at gløden produsert av katodestrålerørene når de ble slukket, kunne være assosiert med fosforescensen indusert av tilstedeværelsen av røntgenstråler . Så tok han forskjellige fosforescerende salter og pakket dem inn i papir, hvorpå han pakket alt inn med en fotografisk plate. Alle saltene etterlot ikke et avtrykk på den fotografiske platen, bortsett fra uransaltene. Disse, som ikke lyste i mørket, gjorde at platen ble svart til tross for at den var pakket inn i papir, som om platen hadde vært utsatt for lys. Det ble snart klart at svertingen av platen ikke hadde noe med fosforescensen å gjøre, da svertingen også ble produsert av de ikke-fosforiserende salter av uran.
Ytterligere forskning av Becquerel, Ernest Rutherford , Paul Villard , Pierre Curie , Marie Curie og andre viste at denne formen for radioaktivitet var betydelig mer komplisert enn de nyoppdagede røntgenstrålene. Rutherford var den første som innså at alle disse elementene forfaller i henhold til den samme eksponentielle matematiske formelen og at mange forfallsprosesser førte til omdannelsen av ett element til et annet. Deretter ble Fajans og Soddy - loven om radioaktiv fortrengning formulert for å beskrive produktene av alfa- og beta- forfall . [10]
Oppdagelsen av kjernefysisk fisjon skjedde i 1938 som et resultat av Ernest Rutherfords studier basert på Albert Einsteins relativitetsteori . Faktisk var det sistnevnte som i 1905 gjettet at energi og masse er to manifestasjoner av materie og likestilte dem med den berømte formelen . Rett etter oppdagelsen av fisjonsprosessen, ble det innsett at en fisjonerende atomkjerne kan indusere ytterligere fisjon av ytterligere kjerner, og dermed generere en selvopprettholdende kjedereaksjon. [11] Når dette ble eksperimentelt bekreftet i 1939, ba forskere i mange land sine regjeringer om å støtte atomfisjonsforskning, helt i begynnelsen av andre verdenskrig , for utvikling av et atomvåpen. Disse forskningsinnsatsene, samlet kjent som Manhattan-prosjektet , førte både til byggingen av den første funksjonelle eksperimentelle demonstrasjonsreaktoren av Enrico Fermi : Chicago Pile-1 , og til de påfølgende krigshendelsene under andre verdenskrig med utgivelsen av atomkraftverk . bomber på Hiroshima og Nagasaki . [12]
Til tross for den militære karakteren til tidlige kjernefysiske teknologier , var 1940- og 1950-tallet preget av sterk optimisme om potensialet til kjernekraft for å gi lave kostnader og uendelig energi. Faktisk ble elektrisitet først generert av en atomreaktor 20. desember 1951 på EBR-I Experimental Station i Idaho , som opprinnelig produserte ca.100 kW . [13] I 1953 holdt USAs president Dwight D. Eisenhower sin " Atomer for fred "-tale i FN, og understreket behovet for raskt å utvikle "fredelig" bruk av atomenergi. Atomic Energy Act av 1954 fulgte som muliggjorde en rask deklassifisering av amerikansk reaktorteknologi og oppmuntret til utvikling av privat sektor.
Den 27. juni 1954 ble atomkraftverket Obninsk i Sovjetunionen det første atomkraftverket i verden som genererte elektrisitet til et elektrisk nett, og produserte rundt 5 MW elektrisitet. [14] Verdens første kommersielle kjernekraftverk, Calder Hall i Windscale , England , ble koblet til det nasjonale strømnettet 27. august 1956. Til felles med en rekke andre førstegenerasjonsreaktorer hadde anlegget et dobbelt formål. produsere elektrisitet og plutonium-239 , sistnevnte for Storbritannias begynnende atomvåpenprogram . [15] De første store atomulykkene var Kyštym- katastrofen ved Mayak -atomkraftverket i Sovjetunionen og Windscale-brannen i Storbritannia, begge i 1957.
En annen alvorlig ulykke skjedde i 1968 da en av de to flytende metallkjølte reaktorene ombord på den sovjetiske ubåten K-27 fikk et brenselelementsvikt, og ga ut gassformige fisjonsprodukter til luften rundt, noe som resulterte i døden av 9 besetningsmedlemmer og 83 skadet. [16]
Oljekrisen i 1973 hadde en betydelig effekt på land som Frankrike og Japan , som hadde stolt mer på olje for elektrisitetsproduksjon. Som et resultat begynte de å investere i atomenergi. [17] I 2019 ble 71 % av fransk elektrisitet generert av kjernekraft, den høyeste prosentandelen av noen nasjon i verden. [18]
På midten av 1970-tallet fikk anti-atomaktivisme større appell og innflytelse, og atomkraft begynte å bli et spørsmål om stor offentlig protest. [19] Økt offentlig fiendtlighet mot atomenergi har ført til en lengre konsesjonsprosess, regelverk og økte krav til sikkerhetsutstyr, som har gjort nybygging mye dyrere. [20]
Tsjernobyl-katastrofen i Sovjetunionen i 1986, som involverte en RBMK -reaktor , endret utviklingen av kjernekraft og førte til større oppmerksomhet på samsvar med internasjonale sikkerhets- og regulatoriske standarder. [21] Det regnes som den verste atomkatastrofen i historien både når det gjelder totale tap, med 56 direkte dødsfall, og økonomisk, med rengjøring og kostnad estimert til 18 milliarder sovjetiske rubler (68 milliarder dollar i 2019, netto etter 'inflasjon). [22] Den internasjonale organisasjonen for å fremme sikkerhetsbevissthet og faglig utvikling av operatører av kjernekraftverk, World Association of Nuclear Operators (WANO), ble opprettet som et direkte resultat av Tsjernobyl-ulykken. Katastrofen spilte en stor rolle i å redusere antallet nye anleggskonstruksjoner i årene etter. [23] Påvirket av disse hendelsene stemte Italia mot atomkraft i en folkeavstemning i 1987 , og ble det første landet som fullstendig eliminerte atomenergi i 1990.
På begynnelsen av 2000-tallet ble det ventet en rekke både offentlige og private investeringer, på grunn av bekymringer for utslipp av karbondioksid. [24] I løpet av denne perioden begynte neste generasjons reaktorer, som EPR , å bygge, selv om de møtte problemer og forsinkelser og var betydelig over budsjett. [25]
Planer for en kjernefysisk renessanse mislyktes i 2011, etter atomkatastrofen i Fukushima Dai-ichi . Katastrofen ble forårsaket av en stor tsunami utløst av jordskjelvet Tōhoku , et av de største jordskjelvene som noen gang er registrert. Fukushima Dai-ichi kjernekraftverk fikk tre kjernekollapser på grunn av svikt i nødkjølesystemet på grunn av strømbrudd. Dette resulterte i den alvorligste atomulykken siden Tsjernobyl-katastrofen. Ulykken førte til en gjennomgang av atomsikkerhet og atomenergipolitikk i mange land. [26] Tyskland har godkjent planer om å stenge alle sine reaktorer innen 2022, og mange andre land har revidert sine atomkraftprogrammer . [27] [28] Etter katastrofen stengte Japan alle sine atomreaktorer, noen av dem permanent, og startet i 2015 en gradvis prosess for å starte de resterende 40 reaktorene på nytt. [29]
I 2015 hadde IAEAs utsikter for kjernekraft blitt mer lovende, og anerkjente viktigheten av lavkarbonkraftproduksjon for å dempe klimaendringene. Fra og med 2021 var det planlagt å bygge mer enn 50 atomreaktorer rundt om i verden, [30] men Kina har bygget betydelig færre reaktorer enn opprinnelig planlagt.
Den 24. oktober 2007 ble et internasjonalt prosjekt kalt ITER lansert som har som mål å bygge en kjernefysisk fusjonsreaktor for 2025 og for 2035 for å støtte den første kontrollerte atomfusjonsreaksjonen . [31] Etterfølgerprosjektet, DEMO , vil skape det første atomfusjonskraftverket i verden som det vil være mulig å hente elektrisitet fra. Kjernefusjonskraftverket vil realistisk sett stå klart fra 2050 og utover.
Partikkel-antipartikkel-utslettelse er fortsatt svært langt unna utnyttelse for produksjon av elektrisitet, selv om den i dag brukes i diagnostisk medisin gjennom positronemisjonstomografi (PET).
I kjernefysikk og kjemi er kjernefysiske reaksjoner alle de reaksjonene som involverer transformasjoner i atomkjernene . De inkluderer kjernefysisk fisjon, kjernefysisk fusjon, radioaktivt forfall og partikkel-antipartikkelutslettelse.
Kjernefysisk fisjon er en desintegrasjonsreaksjon som består i å bryte kjernen til et atom , sammensatt av en viss mengde subatomære partikler , for å oppnå fragmenter sammensatt av en mindre mengde partikler. [32] Reaksjonen bruker et nøytron for å treffe kjernen til et tungt atom, slik som uran-235 , som deler seg i to fragmenter og etterlater ytterligere to eller tre nøytroner fri (i gjennomsnitt 2,5), som de har en høy kinetikk energi. [32] Disse nøytronene kan treffe andre uran-235-kjerner og dermed generere en kjedereaksjon .
Summen av massene til de to resulterende fragmentene og av de utsendte nøytronene er litt mindre enn den opprinnelige kjernen og nøytronet som spaltet den: den manglende massen har blitt omdannet til energi. Når en kjerne av uran-235 sprekker, omdannes omtrent 0,1 % av massen til kjernen til fisjonsenergi , som er ca.200 MeV . [33] [34] For den samme energien som produseres, tilsvarer 1 g forbrukt uran omtrent 2800 kg kull, uten produksjon av klimagasser som er typiske for kullforbrenning. [32]
Atomer som kan opprettholde en kjernefysisk fisjonsreaksjon kalles kjernefysisk brensel og kalles spaltbart . De mest brukte kjernebrenselene er uran-235 og plutonium-239 , som brytes ned til en rekke kjemiske grunnstoffer med atommasse mellom 95 og 135 og som er definert som fisjonsprodukter . De fleste kjernefysiske brensler kan bare spontant spalte veldig sakte, og råtne over perioder som spenner fra årtusener til eoner . I en atomreaktor eller atomvåpen, derimot, induseres de aller fleste fisjonshendelser av nøytronbombardement, som skjer veldig raskt.
Kjernefusjon er en reaksjon der to eller flere atomkjerner kombineres for å danne en tyngre. For at denne reaksjonen skal finne sted, må atomene kollidere med svært høye hastigheter. Dette betyr at deres kinetiske energi, og følgelig deres temperatur, må være svært høy. I universet forekommer disse forholdene i stjerner : kjernefysisk fusjon er den fysiske prosessen som får dem til å gløde og lar dem avgi varme.
Temperaturen som skal nås hvis du vil kunstig sammensmelte en blanding av deuterium - tritium til helium er omtrent 100 millioner grader. Ved slike temperaturer har atomene en tendens til å dissosiere og danne en blanding av ioner kalt plasma . [32] Ved så høye temperaturer blir hovedproblemet det å begrense plasmaet, og siden det i naturen ikke finnes noen kar som tåler disse forholdene, må magnetisk inneslutning brukes. Dette er konseptet bak ITER og dens tokamak . [32]
I solens kjerne er gjennomsnittstemperaturen 14 millioner grader, men kjernefusjonsreaksjoner finner fortsatt sted takket være det høye trykket på grunn av tyngdekraften . Også i Solen er atomene involvert i fusjonen hovedsakelig hydrogen, deuterium og tritium, selv om det i de andre stjernene er mulig å observere fusjonen av tyngre atomer. Denne funksjonen utnyttes av astronomer til å datere stjernenes alder: en ung stjerne smelter hydrogen eller helium i kjernen, mens en eldre stjerne bruker karbon , nitrogen eller oksygen . [35] [36] Denne hypotesen ligger til grunn for forklaringen på genereringen av atomer som jern, som opprinnelig var fraværende i universet.
En kjernefysisk fusjonsprosess som produserer kjerner lettere enn jern -56 eller nikkel -62 frigjør generelt energi, mens fusjonen av tyngre kjerner frigjør mindre energi enn det som investeres i fusjonen, og derfor er den resulterende reaksjonen endoterm . Dette betyr at lettere grunnstoffer, som hydrogen og helium, vanligvis er mer smeltbare ; mens de tyngre grunnstoffene, som uran , thorium og plutonium , er mer spaltbare . Den ekstreme astrofysiske hendelsen til en supernova kan produsere nok energi til å smelte sammen kjerner til grunnstoffer som er tyngre enn jern. [37]
Prosentandelen av masse omdannet til energi, definert som fusjonsenergi , er rundt 1 %.
Radioaktivt forfall refererer til et sett med fysiske prosesser, der ustabile atomkjerner har en tendens til å miste overflødig energi gjennom utslipp av stråling. Et materiale som inneholder ustabile kjerner regnes som radioaktivt. De vanligste forfallstypene kalles α- forfall , β -forfall og γ-forfall . Radioaktivt forfall er en stokastisk prosess på nivå med individuelle atomer, og ifølge kvanteteorien er det umulig å forutsi når et bestemt atom vil forfalle, uansett hvor lenge atomet har eksistert. [38] [39] [40] For et betydelig antall identiske atomer kan imidlertid den totale nedbrytningshastigheten uttrykkes som en nedbrytningskonstant eller som en halveringstid . Halveringstidene til radioaktive atomer har et bredt spekter av timing; fra nesten øyeblikkelig til mye lengre enn universets alder .
Andre typer forfall er spontan fisjon , nøytronutslipp , protonutslipp , elektronfangst eller klyngeforfall , som har ytterligere forfallsmekanismer. Generelt er det stabile og ustabile kjemiske grunnstoffer i universet, som kalles radionuklider . For å stabilisere seg, forfaller radionuklider etter forskjellige veier avhengig av masse eller volum. For en liste over radionuklider se nuklidliste eller nuklidtabell .
I fysikk er utslettelse fenomenet som oppstår når en partikkel møter antipartikkelen sin . I dette tilfellet kanselleres begge massene og omdannes til energi i henhold til den berømte formelen til Albert Einstein , E = mc 2 . I utgangspunktet produserer 1 g materie som blir tilintetgjort av 1 g antimaterie1,8 × 10 14 J energi, sammenlignbar med 10 ganger energien som frigjøres av Little Boy -atombomben . Med det samme materialet som brukes (1 g), produserer forbrenningen av olje4,2 × 10 4 J og fusjonen av hydrogen for å danne helium gir1,3 × 10 12 J , praktisk talt utslettelse er 40 milliarder ganger mer energisk enn brennende olje og omtrent 100 ganger mer energisk enn kjernefysisk fusjon.
Selv om det er en prosess som også involverer ikke-nukleære partikler, som elektronet og positronet , kan det også involvere protoner, nøytroner og deres relative antipartikler ( antiproton og antinøytron ) og faller derfor innenfor kjernereaksjonene.
Kjernekraftverk er termiske kraftverk som genererer elektrisitet ved å utnytte den termiske energien som produseres ved kjernefysisk fisjon . Et kjernefysisk fisjonskraftverk er generelt sett sammensatt av en kjernefysisk reaktor (hvor kjernefysiske reaksjoner finner sted som genererer varme på en kontrollert måte [41] ), et kjølesystem (som fjerner varme fra innsiden av reaktoren), en dampturbin som transformerer varme til mekanisk energi og en elektrisk generator , som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. [42]
Når et nøytron treffer kjernen til et uran-235 eller plutoniumatom , får det kjernen til å spalte seg i to mindre kjerner. Denne fisjonen frigjør energi i form av varme og andre nøytroner som igjen kan påvirke andre uran- eller plutoniumkjerner, og forårsake nye fisjonsreaksjoner, og dermed føre til den såkalte kjedereaksjonen . I de fleste kommersielle reaktorer styres reaksjonshastigheten av moderasjonsstaver som absorberer overflødige nøytroner. Kontrollerbarheten til atomreaktorer avhenger av det faktum at en liten brøkdel av nøytroner som følge av fisjon er "retardert". Forsinkelsen mellom fisjon og nøytronfrigjøring bremser endringer i reaksjonshastigheter og gir tid til å flytte kontrollstavene for å justere reaksjonshastigheten. [42] [43]
Det vanligste kjernebrenselet er anriket uran (dvs. med en høyere prosentandel uran-235 enn naturlig uran), men det er også mulig å bruke plutonium-239 i MOX-brenselet .
Uran er et relativt vanlig grunnstoff i jordskorpen, omtrent like vanlig som tinn eller germanium og omtrent 40 ganger mer vanlig enn sølv . [44] Uran finnes som et sporelement i mange bergarter, land- og havvann, men utvinnes generelt bare økonomisk der det er tilstede i høye konsentrasjoner. Uranutvinning kan være under jorden, i det fri eller ved in situ utlekking . Et økende antall gruver med høyere avkastning er fjerntliggende underjordiske operasjoner, som McArthur River-gruven i Canada, som alene står for 13 % av den globale produksjonen. Fra 2011 var kjente globale uranressurser, utvinnbare til det vilkårlige taket satt til $130 per kg, tilstrekkelig til å vare i 70 til 100 år. [45] [46] [47] I 2007 hadde OECD, forutsatt forbruket i den perioden, beregnet for alle konvensjonelle ressurser og fosfatmineraler totalt 670 år med kostnadseffektiv utvinning. [48]
Lettvannsreaktorer utnytter drivstoff relativt ineffektivt, og bruker bare uran-235 som er en svært sjelden isotop. [49] Reprosessering kan gjøre avfall gjenbrukbart og moderne reaktorer kan være mer ressurseffektive enn eldre. [49] Med en ren rask reaktorbrenselsyklus med forbruk av alt uran og aktinoider (som i dag utgjør de farligste stoffene i atomavfall), er en mengde uran i de konvensjonelle ressursene og i fosfatmineralene beregnet for ca. 160 000 år til en pris på $ 60-100 / kg. [50] Imidlertid er reprosessering dyrt, muligens farlig, og kan brukes til å produsere atomvåpen. [51] [52] [53] [54] En analyse fant at uranprisene kunne stige med to størrelsesordener mellom 2035 og 2100 og at det kunne være mangel på uran ved århundreskiftet. [55] En studie fra 2017 av forskere fra MIT og WHOI fant at "med dagens forbrukshastighet, kunne jordens konvensjonelle globale reserver av uran (omtrent 7,6 millioner tonn) bli oppbrukt i løpet av litt over et århundre". [56] Den begrensede tilgangen på uran-235 kan hindre betydelig utvikling med dagens teknologier. Mens ulike måter å redusere avhengigheten av disse ressursene utforskes på, [57] [58] [59] anses nye kjernefysiske teknologier som utilgjengelige for å dempe klimaendringer eller konkurrere med fornybar energi, i tillegg til at de er dyrere og krever forskning og utvikling. En studie fant at det var usikkert om de identifiserte ressursene vil bli utviklet i tide for kontinuerlig å levere brensel til de utvidede atomanleggene [60] og ulike former for utvinning kan komme i konflikt med økologiske og økonomiske barrierer. [61] [62] Forskere rapporterer også om betydelig avhengighet av importert kjernekraft. [63]
Det finnes imidlertid også ukonvensjonelle uranressurser. Uran er naturlig tilstede i sjøvann i en konsentrasjon på rundt 3 mikrogram per liter, [64] [65] [66] med 4,4 milliarder tonn uran som anses tilstede i sjøvann til enhver tid. [67] I 2014 ble det antydet at det ville være økonomisk konkurransedyktig å produsere drivstoff fra sjøvann dersom prosessen ble implementert i stor skala. [68] I likhet med fossilt brensel, over geologiske tider, ville uran utvunnet fra sjøvann i stor skala bli fylt opp igjen av både elveerosjon og den naturlige prosessen med oppløst uran fra overflaten av havbunnen; begge mekanismene opprettholder løselighetslikevektene til sjøvannskonsentrasjonen på et stabilt nivå. [67] Noen kommentatorer hevder at dette er et pluss for å vurdere kjernekraft som en fornybar energikilde . [69]
Radioaktivt avfall ( eller kjernefysisk avfall) produseres under normal drift av kjernekraftverk og under demontering. Det er to brede kategorier av avfall, delt inn i lavnivå og høynivå. [71] Den første har lav radioaktivitet og inkluderer forurensede gjenstander, som utgjør en begrenset trussel. Høyaktivt avfall er først og fremst brukt brensel fra atomreaktorer som er høyradioaktivt og må kjøles ned før det kan lagres eller reprosesseres på en sikker måte . [71]
HøynivåavfallDen største kategorien radioaktivt avfall er brukt kjernebrensel, som regnes som høyaktivt avfall. For lettvannsreaktorer , eller LWR, er det brukte brenselet typisk sammensatt av 95 % uran, 4 % fisjonsprodukter og omtrent 1 % transuraniske aktinoider ( hovedsakelig plutonium , neptunium og americium ). [72] Plutonium og andre transuraner er ansvarlige for det meste av den langsiktige radioaktiviteten, mens fisjonsprodukter er ansvarlige for det meste av kortsiktig radioaktivitet. [73]
Høyaktivt avfall må behandles, håndteres og isoleres fra det ytre miljøet. Disse operasjonene byr på utfordringer på grunn av at disse materialene forblir potensielt farlige i ekstremt lange perioder. Dette skyldes langlivede fisjonsprodukter som technetium-99 (gjennomsnittlig levetid på220 000 år ) og jod-129 (gjennomsnittlig levetid på 15,7 millioner år), [75] som dominerer det store flertallet av termer når det gjelder radioaktivitet, etter at de mer radioaktive kortlivede fisjonsproduktene nedbrytes til stabile grunnstoffer, som tar ca. 300 år. [70] På grunn av den eksponentielle nedgangen i radioaktivitet over tid, avtar aktiviteten til brukt kjernebrensel med 99,5 % etter 100 år. [76] Etter ca100 000 år blir brukt brensel mindre radioaktivt enn naturlig uranmalm. [77] De vanligste metodene for å isolere langlivet avfall fra biosfæren inkluderer separasjon og transmutasjon , [70] synroc- behandlinger eller lagring i dype geologiske depoter. [78] [79] [80] [81]
Termiske nøytronreaktorer , som i dag utgjør flertallet av reaktorene i drift, kan ikke konsumere plutoniumet som genereres av reaktorene. Dette begrenser levetiden til atombrenselet til noen få år. I noen land, som USA, er brukt brensel i sin helhet klassifisert som atomavfall. [82] I andre land, som Frankrike, blir mye av det reprosessert for å produsere et resirkulert drivstoff, kalt blandet oksidbrensel eller MOX. For brukt brensel som ikke gjennomgår reprosessering, er de mest relevante isotopene de transuraniske elementene , som har en mellomliggende halveringstid , hvorav størstedelen er plutonium (24 000 år ). Noen foreslåtte reaktordesign, for eksempel den integrerte hurtigreaktoren eller den smeltede saltreaktoren , kan bruke plutonium og andre aktinoider produsert av lettvannsreaktorer som drivstoff . Denne muligheten gir et lovende alternativ til dype geologiske depoter. [83] [84] [85]
Thoriumsyklusen produserer lignende fisjonsprodukter, selv om den skaper mye mindre transuraniske elementer fra nøytronfangsthendelser i en reaktor. Utbrukt thorium, selv om det er vanskeligere å håndtere enn brukt uran, kan utgjøre noe lavere spredningsrisiko. [86]
Lavaktivt avfallAtomindustrien produserer også et stort volum lavaktivt avfall, med lav radioaktivitet, i form av forurensede gjenstander som klær, håndverktøy, harpiks for å rense vann og (på tidspunktet for dekommisjonering) materialene som selve reaktoren er fra. . Lavaktivt avfall kan lagres på stedet til strålingsnivået er lavt nok til å deponeres som vanlig avfall, eller det kan sendes til lavaktivt deponi. [87]
Produksjon av radioaktivt avfall fra energikilderI land der atomenergi brukes, utgjør radioaktivt avfall mindre enn 1 % av det totale giftig avfall av industriell opprinnelse, hvorav det meste forblir farlig i lange perioder. [49] Generelt produserer kjernekraft langt mindre avfall i volum enn fossilt brenselbaserte anlegg. [88] Spesielt kullkraftverk produserer store mengder giftig og svakt radioaktiv aske som følge av konsentrasjonen av radioaktive materialer som naturlig finnes i kull. [89] En rapport fra 2008 av Oak Ridge National Laboratory konkluderte med at kullenergi faktisk frigjør mer radioaktive materialer til miljøet enn kjernekraftverk, og at den effektive strålingsdosen av stråling fra kull fra kjernekraftverk er 100 ganger større enn den som skyldes kjernekraft. kraftverksdrift. [90] Selv om kullaske er mye mindre radioaktivt enn brukt kjernebrensel ved samme vekt, produserer kull mye mer aske per energienhet generert. Det slippes også direkte ut i miljøet som flyveaske , mens atomkraftverk har ulike skjold som beskytter miljøet mot lekkasje av radioaktivt materiale. [91]
Volumet av atomavfall er lite sammenlignet med energien som produseres. For eksempel produserte Yankee Rowe kjernekraftverk , som genererte 44 milliarder kilowattimer med elektrisitet i sin driftsperiode, en mengde brukt brensel som var inneholdt i seksten fartøyer. [92] Noen estimater rapporterer at for å produsere livslang energiforsyning for en person med en vestlig levestandard (ca.3 GWh ), er det nødvendig med et volum lavanriket uran som tilsvarer en boks, noe som resulterer i et tilsvarende volum brukt brensel. [93] [94] [95]
AvfallshåndteringEtter midlertidig lagring i et dedikert deaktiveringsbasseng , lagres de brukte brenselsstavene til et typisk kjernekraftverk ofte på stedet i tørrfatlager . [96] For tiden lagres avfall hovedsakelig på reaktorplasser, og det er mer enn 430 steder i verden hvor radioaktivt materiale kan og fortsetter å bli akkumulert.
Avfallshåndtering anses ofte som det mest politisk splittende aspektet av hele livssyklusen til et kjernekraftverk. [97] Et eksempel på en naturlig forekomst er den naturlige reaktoren Oklo i Gabon som ikke har opplevd jordskred på 2 milliarder år. [98] [99] Eksperter hevder at sentraliserte underjordiske depoter som er godt administrert, bevoktet og overvåket vil være en stor forbedring. [97] Det er en "internasjonal konsensus om ønskeligheten av å lagre kjernefysisk avfall i dype geologiske depoter ". [100] Med fremkomsten av nye teknologier har andre metoder blitt foreslått som såkalt horisontal borehullsdeponering i inaktive geologiske områder. [101] [102]
Ingen høynivådepoter for underjordisk avfall i kommersiell skala er i drift. [100] [103] [104] Det geologiske depotet Onkalo nær Olkiluoto kjernekraftverk er imidlertid under bygging i Finland . [105]
Atomkraft i 2020 har gitt2 553 TWh elektrisitet, tilsvarende ca. 10 % av den globale produksjonen. Kjernekraft er utbredt i 32 stater som til sammen er vert for 442 atomreaktorer for en installert kapasitet på ca.393 GW . [5] Amerikas forente stater , med 93 operative reaktorer , er de største produsentene av atomenergi i verden, [106] etterfulgt av Frankrike , som med 56 aktive reaktorer dekker over 70 % av nasjonale behov med atomenergi av elektrisitet. [107]
Atomkraft installert globalt vokser kontinuerlig, fra og med 2020 er 52 atomreaktorer under bygging og 28 land har uttrykt interesse for eller startet IAEAs nasjonale kjernekraftutviklingsprogram . [108] De fleste av de nye reaktorene er under bygging i Asia, spesielt Kina. [109] I 2022 ble kjernekraft inkludert blant energikildene som ble fremmet av EUs taksonomi for bærekraftig finans. [110]
kostnadene for kjernekraft sammenlignet med andre energikilder kan uttrykkes gjennom utjevnede energikostnader , fra den engelske nivåiserte energikostnaden (LCOE), som er gjennomsnittskostnaden for å generere en elektrisk kilowattime (kWh) med en bestemt type energi. anlegget under drift. Når det gjelder kjernekraftverk, skyldes ca. 70 % av LCOE kapitalkostnadene ved å bygge kraftverket, inkludert finanskostnader, ca. 20 % skyldes kostnadene til kjernebrensel , mens de resterende 10 % dekker driftskostnader , deponering av radioaktivt avfall og dekommisjonering . [111]
LCOE for kjernekraftverk er derfor sterkt avhengig av renter for bygging av anlegg, men relativt ufølsom for prisen på uran , en tilstand som er motsatt av tilfellet med tradisjonelle termoelektriske anlegg hvis LCOE i hovedsak avhenger av prisen på fossilt brensel som brukes . Selv om utgiftene til produksjonen i kjernefysisk brenselsyklus er betydelige, er kostnadene for kjernebrensel fortsatt lavere enn kostnadene for fossile kilder per kilowattime generert elektrisitet, og dette skyldes det enorme energiinnholdet i kjernebrensel sammenlignet med fossilt brensel. ... Kostnadene ved å holde kjernekraftverk i drift har en tendens til å være høyere enn for fossile brenselanlegg på grunn av den tekniske kompleksiteten og regulatoriske problemer som oppstår under driften av anlegget. Kostnadene for demontering av anleggene og for deponering av avfall er inkludert i de tariffer som benyttes av strømselskapene. Fra det 21. århundre begynte kostnadene for kjernekraft, tidligere billigere enn det som kom fra kullkraftverk, å stige, og dette skyldes i hovedsak innføringen av større sikkerhetssystemer i anleggene. Med innføringen av karbonavgiften har kjernekraft, som har et lavt karbonavtrykk , oppnådd et konkurransefortrinn i forhold til fossilt brensel. [111]
Siden kjernekraft er en energikilde med lite karbon og krever et relativt lite overflateareal (i motsetning til solcelleanlegg), kan det ha en positiv miljøpåvirkning. Det krever også en viktig og konstant tilførsel av vann og modifiserer miljøet gjennom utgravninger. [112] [113] [114] [115] Den potensielt største negative påvirkningen ligger i risikoen for spredning av atomvåpen, risikoen forbundet med håndtering av radioaktivt avfall, som forurensning av grunnvann, risikoen for ulykker og risiko knyttet til eventuelle angrep på avfallslagring og gjenvinningsanlegg eller på atomkraftverk. [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] Imidlertid har disse risikoene i historien sjelden materialisert seg med få katastrofer som har en betydelig miljøpåvirkning.
Kjernekraft er en av de viktigste lavkarbonmetodene for å produsere elektrisitet ; når det gjelder hele livssyklusen for klimagassutslipp per produsert energienhet, har den sammenlignbare, om ikke lavere, verdier sammenlignet med fornybare energikilder . [124] [125] En gjennomgang av litteraturen om karbonfotavtrykk fra 2014 , utført av Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) rapporterte at intensiteten av utslipp i den "virtuelle" livssyklusen til kjernekraft har en medianverdi på12 g CO 2 eq/kWh , som er den laveste av alle kommersielle energikilder ved grunnlast . [123] [126] Denne verdien bør sammenlignes med kull og naturgass ved 820 og hhv.490 g CO 2 eq / kWh . [123] [126] Siden begynnelsen av kommersialiseringen på 1970-tallet har kjernekraft forhindret utslipp av rundt 64 milliarder tonn CO2-ekvivalenter som ville vært et resultat av bruk av fossilt brensel i termiske kraftverk . [127]
Totalt sett er gjennomsnittsdosen fra den naturlige radioaktivitetsbakgrunnen lik2,4 millisievert per år (mSv/a). Varierer fra1 mSv/a e13 mSv/a , avhengig av stedets geologi. I følge FNs UNSCEAR -komité øker ordinær drift av kjernekraftverk, inkludert brenselssyklusen, denne verdien på0,0002 mSv/a . Den gjennomsnittlige dosen på grunn av driftsanleggene mottatt av populasjonene ved siden av strukturen er mindre enn0,0001 mSv/a . [128] Til sammenligning er den gjennomsnittlige dosen mottatt av de som bor i en50 mi fra et kullkraftverk er tre ganger større, en0,0003 mSv/a . [129]
Tsjernobyl -ulykken resulterte i en gjennomsnittlig startdose fra 50 til100 mSv i løpet av timer til uker, mens den globale gjennomsnittseksponeringen på grunn av ulykken er0,002 mSv/a og avtar jevnt fra den opprinnelige toppen på0,04 mSv per person i gjennomsnitt over hele befolkningen på den nordlige halvkule i 1986, ulykkesåret. [128]
Atomkraftverk har tre unike egenskaper som påvirker deres sikkerhet, sammenlignet med andre kraftverk. For det første er det intenst radioaktive materialer til stede i en atomreaktor, og utslipp av disse til miljøet kan være farlig. For det andre fortsetter fisjonsproduktene , som utgjør de fleste av de høyradioaktive stoffene i reaktoren, å generere en betydelig mengde henfallsvarme selv etter at fisjonskjedereaksjonen har stoppet. Hvis varmen ikke kan fjernes fra reaktoren, kan brenselstavene overopphetes og frigjøre radioaktive materialer. For det tredje er en kritikalitetshendelse (en rask økning i reaktorkraft) mulig i noen reaktordesign hvis kjedereaksjonen ikke kan kontrolleres. Disse tre egenskapene må tas i betraktning ved utforming av atomreaktorer. [131]
Alle moderne reaktorer er designet på en slik måte at en ukontrollert økning i reaktoreffekt forhindres av naturlige tilbakekoblingsmekanismer, et konsept kjent som den negative vakuumkoeffisienten . Hvis temperaturen eller mengden av damp i reaktoren øker, synker fisjonshastigheten. Kjedereaksjonen kan også stoppes manuelt ved å sette kontrollstaver inn i reaktorkjernen. Emergency core cooling systems (ECCS ) kan fjerne råtevarme fra reaktoren hvis normale kjølesystemer svikter. [132] Hvis ECCS også svikter, begrenses utslipp av radioaktivt materiale til miljøet av flere fysiske barrierer selv i tilfelle en ulykke. Den siste fysiske barrieren er den store inneslutningsbygningen . [131]
Med en dødelighet på 0,07 per TWh er kjernekraft den sikreste energikilden per generert energienhet målt i dødelighet når historiske data vurderes. [133] Energi produsert fra kull, olje, naturgass og vannkraft forårsaket flere dødsfall per energienhet generert på grunn av luftforurensning og energiulykker. Dette finner man når man sammenligner umiddelbare dødsfall fra andre energikilder med både umiddelbare og latente, eller forventede, indirekte dødsfall fra kreft på grunn av atomulykker. [134] [135] Ved sammenligning av direkte og indirekte dødsfall (inkludert dødsfall fra gruvedrift og luftforurensning) fra kjernefysisk og fossilt brensel, ble det beregnet at bruken av kjernekraft unngikk omtrent 1,8 millioner døde mellom 1971 og 2009, noe som også reduserte prosentandelen av energi som ellers ville blitt generert av fossilt brensel. [127] [136] Etter atomkatastrofen i Fukushima i 2011 ble det anslått at hvis Japan aldri tok i bruk kjernekraft, ville ulykker og forurensning fra kull- eller gasskraftverk føre til at flere leveår tapte. [137]
De alvorlige konsekvensene av atomulykker skyldes ofte ikke direkte strålingseksponering, men snarere sosiale og psykologiske effekter. Langsiktig evakuering og forflytning av berørte befolkninger har skapt problemer for mange mennesker, spesielt eldre og sykehuspasienter. [138] Tvunget evakuering fra en atomulykke kan føre til sosial isolasjon, angst, depresjon, psykosomatiske medisinske problemer, hensynsløs oppførsel og selvmord. En generell studie fra 2005 av kjølvannet av Tsjernobyl-katastrofen konkluderte med at innvirkningen på mental helse er det største folkehelseproblemet forårsaket av ulykken. [139] Frank N. von Hippel, en amerikansk vitenskapsmann, kommenterte at radiofobi , det vil si den uforholdsmessige frykten for ioniserende stråling, kan ha langsiktige psykologiske effekter på befolkningen i de forurensede områdene etter Fukushima-katastrofen. [140] I januar 2015 var antallet fordrevne personer i Fukushima omtrent 119 000, sammenlignet med en topp på omtrent 164 000 i juni 2012. [141]
Atomspredning refererer til spredning av atomvåpen, spaltbart materiale og militær atomteknologi i stater som ikke allerede har atomvåpen. Mange teknologier og materialer knyttet til opprettelsen av et atomenergiprogram for fredelig bruk (for eksempel for produksjon av elektrisitet) kan også brukes til å lage atomvåpen. Av denne grunn utgjør kjernekraft spredningsrisiko.
Et atomkraftprogram kan bli en vei som fører til et atomvåpen. Et eksempel på dette er bekymring over Irans atomprogram. [144] Konvertering av sivil atomindustri til industrier med militære formål ville være et brudd på ikke-spredningsavtalen , som 190 land slutter seg til. Per april 2012 var det trettien land med sivile atomkraftverk, [145] og ni av disse hadde atomvåpen. De aller fleste av disse statene produserte våpen før kommersielle atomkraftverk.
Et grunnleggende mål for global sikkerhet er å minimere risikoen for atomspredning forbundet med utvidelse av atomenergi. [144] Global Nuclear Energy Partnership var et internasjonalt forsøk på å skape et distribusjonsnettverk der utviklingsland som trenger energi ville motta kjernebrensel til en rabattert pris, i bytte mot å avstå fra utviklingen av sitt eget anrikningsprogram uran . Eurodif / European Gaseous Diffusion Uranium Enrichment Consortium, basert i Frankrike, er et program som vellykket implementerte dette konseptet, der Spania og andre land uten anlegg kjøpte en andel av drivstoffet produsert i anrikningsanlegget kontrollert av Frankrike, men uten teknologioverføring . [146] Iran har vært en tidlig deltaker siden 1974 og er fortsatt aksjonær i Eurodif gjennom Sofidif.
En FN-rapport fra 2009 sier: [147]
( NO )
"En gjenoppliving av interessen for kjernekraft kan resultere i verdensomspennende spredning av teknologier for anrikning av uran og reprosessering av brukt brensel, som utgjør åpenbare risikoer for spredning ettersom disse teknologiene kan produsere spaltbare materialer som er direkte brukbare i atomvåpen." |
( IT )
"En gjenoppliving av interessen for kjernekraft kan føre til verdensomspennende spredning av teknologier for anrikning av uran og opparbeiding av brukt brensel, som utgjør en klar spredningsrisiko ettersom disse teknologiene kan produsere spaltbare materialer som kan brukes direkte i kjernefysiske våpen." |
På den annen side kan kraftreaktorer også redusere kjernefysiske våpenarsenaler når atommaterialer av militær kvalitet reprosesseres for bruk som brensel i sivile kraftverk. Megatons til Megawatt-programmet anses å være det mest vellykkede ikke-spredningsprogrammet til dags dato. [142] Frem til 2005 hadde programmet behandlet 8 milliarder dollar anriket uran av militær kvalitet , og gjort det om til lavanriket uran egnet som kjernebrensel for kommersielle fisjonsreaktorer, og fortynnet det med naturlig uran . Dette tilsvarer eliminering av 10.000 atomvåpen. [148] I omtrent to tiår genererte dette materialet nesten 10 % av all elektrisitet som ble forbrukt i USA, eller omtrent halvparten av all amerikansk kjernekraft, med totalt ca.7 000 TWh produsert elektrisitet. [149] Totalt anslås det å ha kostet 17 milliarder dollar, en "avtale for amerikanske skattebetalere", der Russland tjente 12 milliarder dollar på avtalen. [149] Et viktig overskudd for den russiske atomindustrien, som etter sammenbruddet av den sovjetiske økonomien hadde problemer med å betale for vedlikehold og sikkerhet av høyt anriket uran og stridshoder fra Russland. [150] Megatons til Megawatt-programmet blir sett på som en stor suksess av talsmenn for atomnedrustning , siden det har vært den viktigste drivkraften bak den dramatiske reduksjonen i antall atomvåpen i verden siden slutten av den kalde krigen. [142] Men uten en økning i atomreaktorer og økt etterspørsel etter spaltbart brensel, har kostnadene ved dekommisjonering og nedblanding avskrekket Russland fra å fortsette nedbyggingen. Fra og med 2013 ser ikke Russland ut til å være interessert i å forlenge programmet. [151]