Så fungerar kärnkraft version 2019 Enkelt uttryckt är ett kärnkraftverk en elfabrik, där uran används som bränsle. Att tillverka el i ett kärnkraftverk sker enligt samma princip som i ett kraftverk som eldas med kol, olja eller biobränslen. Vatten hettas upp och bildar ånga, som i sin tur driver en turbin. På turbinaxeln sitter en generator som omvandlar rörelseenergin till elektricitet. Uranbränslet är mycket energirikt. Genom att klyva uranatomer i reaktorn frigörs värme som används för att värma upp vatten. Energi från uran Uran är en av de vanligaste metallerna. Den är svagt radioaktiv och finns i berggrunden i alla världsdelar. Uranmalm bryts i gruvor eller dagbrott bland annat i Kanada, Australien, Namibia, Sydafrika, Kazakstan, Uzbekistan och Ryssland. Uran kan brytas i dagbrott ovan jord. Foto: CAMECO
Radioaktiviteten upptäcktes Från början användes uran som färgämne. I slutet av 1800-talet gjordes upptäckten att uran är radioaktivt. Allt sedan dess har strålning varit ett viktigt hjälpmedel inom sjukvården. År 1938 upptäcktes atomklyvningen - fissionen. Genom att klyva en urankärna lyckades man frigöra stora energimängder. Det är denna teknik som används för att producera el i ett kärnkraftverk. Energirikt ämne Uran är mycket rikt på energi ett kilo uran ger 50 000 kwh el. Ett kilo olja ger 5 kwh el och motsvarande för ett kilo kol är 3 kwh. Är uran farligt? Innan bränslet används i en reaktor avger det mycket låg strålning och kan hanteras utan särskild skyddsutrustning. Efter att det har använts i reaktorn är det dock starkt radioaktivt. Uran som kärnbränsle Uranet måste omvandlas i ett antal steg för att kunna användas som kärnbränsle för elproduktion. Uranet bryts Uran är ett grundämne, en svagt radioaktiv tungmetall, som består av tre isotoper (olika former av samma grundämne): uran-234, uran-235, och uran-238. Uran-235 är lättast att klyva och används därför som kärnbränsle. Uranmalm bryts i gruvor eller dagbrott ovan jord. Det uran vi behöver till de svenska reaktorerna importeras, cirka 1500 ton per år. Kanada och Australien är de största uranproducenterna. Tillsammans ställer de svenska kärnkraftägarna miljökrav på leverantörer och tillverkare av bränslet. Brytningen av uran i gruvor är ofta helt automatiserad på grund av den höga strålningen från radon nere i marken. Uranet omvandlas och anrikas Efter brytningen transporteras uranmalmen till ett uranverk där den mals ner till pulver. Genom olika processer ökas uranhalten och resultatet är urankoncentrat i form av ett gult pulver. Uranverken finns ofta i närheten av gruvan. Urankoncentratet måste bearbetas ytterligare innan det kan fungera som kärnbränsle. Därför omvandlas det till uranhexafluorid, ett ämne som liknar paraffin. Uranhexafluoriden värms upp och anrikas, vilket innebär att den bearbetas så att halten av klyvbart uran-235 ökar till de cirka 3 % som kärnbränsle kräver. Naturligt uran innehåller bara 0,7 % uran-235. Av 5 kg naturligt uran får man 1 kg anrikat uran. Anrikning av uran görs ibland annat i Frankrike och Holland.
Uranet pressas till kutsar Efter anrikningen kyls uranhexafluoriden åter till fast form och omvandlas till urandioxid. I en bränslefabrik tillverkas slutligen själva kärnbränslet av urandioxid som pressas samman till små cylindrar, så kallade kutsar. En kärnkraftsreaktor innehåller cirka 15 miljoner kutsar. Varje kuts avger lika mycket energi som 800 liter dieselolja. Bränsleelementen tillverkas Kutsarna staplas i långa rör, som sätts samman till bränsleelement. I Sverige tillverkas bränsleelement hos Westinghouse i Västerås. Bränsle till kärnkraftverk tillverkas bland annat hos Westinghouse i Västerås. Antalet bränsleelement i reaktorn beror på reaktorns typ och storlek. Exempelvis finns det 157 bränsleelement i Ringhals 2 medan Forsmark 2 innehåller 676 bränsleelement. Modell av ett bränsleelement sett snett uppifrån.
Bränslebyte på sommaren På sommaren stängs rektorerna av under en kortare tid för så kallad revision. Då utförs underhålls- och förbättringsarbeten samtidigt som en del av bränslet byts ut. Ett bränsleelement används cirka fem år i en reaktor innan det ersätts. Man har från början placerat ut bränsleelementen vid olika tillfällen så att man bara behöver byta ut ca en femtedel vid revisionen. Kan bränslet explodera? Uranet i en kärnkraftsreaktor kan inte explodera eftersom det innehåller för lite klyvbart material, bara cirka 3 % uran -235. Försök driva en bilmotor med en matsked bensin per liter vatten, så förstår du. En atombomb måste innehålla nästan hundra procent klyvbart uran. Efter användningen innehåller bränslekutsarna cirka 1 % uran-235 och 96 % uran-238. Resterande utgörs av radioaktiva klyvningsprodukter som jod-131, cesium-126 samt tunga kärnor som plutonium-239 och plutonium-241. Kärnreaktionen Neutroner träffar uran-235-kärnor som då fångar in en neutron och bildar uran-236. Denna kärna är instabil och sönderfaller till två kärnor, som tillsammans är lättare än den ursprungliga uran-235. Masskillnaden omvandlas till energi, ca 200 MeV per kluven kärna! I reaktionen frigörs även neutroner som kan fortsätta till en ny uran-235-kärna och så fortsätter klyvningen. Detta innebär att klyvningen skulle kunna öka lavinartat eftersom fler och fler neutroner bildas. I reaktorn finns dock s.k. styrstavar som absorberar neutroner. På så vis kan man hålla kärnklyvningen på en lagom nivå. (se nästa avsnitt)
Så regleras effekten Det finns framför allt två olika sätt att reglera effekten i en reaktor genom styrstavar och med hjälp av bor. Styrstavar Styrstavarna innehåller ämnen, bland annat bor, som drar till sig neutroner så att kärnklyvningen minskar eller upphör helt. Resultatet beror på hur långt styrstavarna skjuts in i reaktorhärden. Vid ett snabbstopp skjuts de in helt och kärnklyvningen upphör omedelbart. Antalet styrstavar i reaktorerna är 100-175 stycken beroende på reaktortyp. De manövreras underifrån. En styrstav till en kokvattenreaktor. Bor Bor är ett grundämne, som drar till sig neutroner. Genom att ändra halten av bor i processvattnet kan man gasa och bromsa reaktorn så att kärnklyvningen ökar respektive minskar.
Så produceras el i en kokvattenreaktor Grundfunktionen är enkel: man använder kärnenergi för att producera ånga. Ångan driver turbinen som i sin tur driver en generator som alstrar elektricitet. Kokvattenreaktor (den vanligaste modellen i Sverige) Vattenkokaren som kokar 1000 liter vatten på en sekund! 1. Reaktorn innehåller uran och vatten. När uranatomerna klyvs frigörs energi som får vattnet i reaktortanken att börja koka och ånga bildas. 2. Ångtrycket gör att turbinens skovlar börjar snurra (1 500 varv per minut). 3. Turbinen driver elgeneratorn som alstrar el. 4. Elen transporteras genom kraftledningar ut till användarna. 5. När ångan lämnat sin energi i turbinen leds den vidare till kondensorn, som består av en mängd smala rör. Genom rören pumpas havsvatten och när ångan träffar utsidan av rören kyls den ner och kondenseras, det vill säga blir vatten. Vattnet i reaktorn bildar ett slutet kretslopp och kylvattnet från havet kommer därför aldrig i kontakt med ångan från reaktorn. Havsvattnet pumpas tillbaka ut i havet och är då 10 C varmare än när det togs in. 6. Vattnet pumpas tillbaka in i reaktorn för att åter värmas upp och påbörja ett nytt kretslopp. Det vatten som går runt i kretsloppet är starkt radioaktivt och därför hålls det hela tiden instängt i ett slutet system. Det är mycket högre tryck i vattenledningen från havsvattnet så om det skulle bli hål i rören som går in i kondensorn kan inte det radioaktiva vattnet läcka ut i havsvattnet utan det blir havsvattnet som rinner in i det slutna systemet.
Uran och miljö Kärnkraften är i det närmaste fri från försurande och klimatpåverkande utsläpp. Men istället får vi stora problem med det använda kärnbränslet Att radioaktiva ämnen bildas, som måste tas om hand på ett ansvarsfullt sätt, innebär att säkerhets- och miljöarbetet på ett kärnkraftverk är oerhört viktigt. De svenska kärnkraftverken har aldrig överskridit gränsvärdena för utsläpp av radioaktiva ämnen. De flesta år har utsläppen inte varit större än en hundradel av vad som är tillåtet att släppa ut till omgivningen. För de närboende motsvarar det mindre än en tusendel av den naturliga strålning som finns överallt, till exempel från himmel och berggrund. Hårda miljökrav Miljökraven på de svenska kärnkraftverken är mycket hårda. Det gäller särskilt för strålning. Utsläppen får under ett år inte öka strålningen i den närmaste omgivningen med mer än 0,1 millisievert. Det motsvarar tio procent av den stråldos som man får naturligt från rymden och berggrunden. Prov tas regelbundet både vid kärnkraftverkens skorstenar, i havet och på växter och djur i omgivningarna. Strålsäkerhetsmyndigheten kontrollerar att lagar och föreskrifter följs. Radioaktivt avfall (redigerat 2019) Det använda bränslet är starkt radioaktivt och måste isoleras från människor och miljö i 100 000 år innan radioaktiviteten avklingat. Svensk kärnbränslehantering, SKB, har utarbetat ett förslag till hur det använda bränslet från de svenska reaktorerna ska tas om hand. Det ska förvaras i behållare av stål och koppar som bäddas in i bentonitlera på 500 meters djup i den svenska berggrunden. Platsen är bestämd till Östhammars kommun norr om Stockholm (där kärnkraftverket Forsmark ligger). Själva förvaringsmetoden har dock ännu inte helt fått godkänt av regeringen. Mark- och miljödomstolen sade i januari 2018 nej till metoden då man inte tycker att kopparbehållarens tålighet mot korrosion är tillräckligt utredd. Däremot sade man ja till själva principen att förvara avfallet nere i berggrunden som beskrivits ovan. Oavsett domstolens invändning (det är inte en formell dom) har regeringen sista ordet i frågan. Det brådskar dock med politiskt beslut eftersom det använda kärnbränslet hela tiden ökar i mängd och det börjar bli trångt på mellanlagret i Oskarshamn. Där förvaras allt använt kärnbränsle, som Sverige producerat sedan starten på 1970-talet, i bassänger 30 m under markytan. Dessutom tar det ju lång tid att bygga det tänkta slutförvaret nere i berggrunden.