Hur fungerar kärnkraft? Energiteknik Aldijana Puskar

Kärnkraft i världen Det finns ca 439 stycken reaktorer i 30 av världens länder. De flesta kärnkraftverk finns i Europa USA har 104 reaktorer Frankrike har 59 reaktorer Kärnkraften står för 8% av världens elproduktion och för 15% av EU:s

Kärnkraft i Sverige Kärnkraft står för 45% av Sveriges elproduktion. Tre kärnkraftverk är i drift med sammanlagt tio reaktorer. I Sverige finns det två typer av reaktorer s.k. kokvattenreaktorer och tryckvattenreaktorer. Båda är lättvattenreaktorer.

Kokvattenreaktor 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 Vattenkokaren som kokar 1000 liter vatten på en sekund!

Kokvattenreaktor 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 (3 000 varv per minut). 3. Turbinen driver elgeneratorn som alstrar el. 4. Elen transporteras genom kraftledningar ut till användarna.

Kokvattenreaktor 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.

Tryckvattenreaktor

Tryckvattenreaktor 1. Reaktorn innehåller uran och vatten. När uranatomerna klyvs frigörs energi som värmer upp vattnet till 280°C. Det höga trycket i reaktorn gör att vattnet inte kokar. Trycket regleras av tryckhållningskärlet. 2. Det heta vattnet från reaktorn överför värmen till ånggeneratorernas vattenkrets där ånga bildas eftersom trycket är lägre. 3. Trycket från den heta ångan gör att turbinens skovlar börjar snurra (3 000 varv/minut). 4. Turbinen driver elgeneratorn som alstrar el.

Tryckvattenreaktor 5. Elen transporteras genom kraftledningar ut till användarna. 6. 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 därför kommer varken ånggeneratorernas vattenkrets eller kylvattnet från havet i kontakt med vattnet från reaktorn. Havsvattnet pumpas tillbaka ut i havet och är då 10°C varmare än när det togs in. 7. Vattnet pumpas tillbaka in i ånggeneratorerna för att åter värmas upp och påbörja ett nytt kretslopp.

Kärnklyvning- fission Kärnkraftstekniken bygger på att man skapar värme genom att klyva uranatomer. Klyvningen kallas fission. Enkelt uttryckt låter man neutroner träffa en atomkärna av uran-235. Atomkärnan klyvs och nya neutroner frigörs som i sin tur kan klyva fler atomkärnor. En kedjereaktion startar. Vid klyvningen skiljs delarna åt med mycket hög hastighet. När de klyvda delarna bromsas upp frigörs värme. I ett kärnkraftverk används värmen för att tillverka el genom att vatten hettas upp till ånga som driver en turbin.

Fission . Uran 235 bombarderas med neutroner som gör att den klyvs och det bildas nya ämnen som cesium och jod. Vid delning så frigörs det stora mängder energi som man kan ta tillvara genom att koka vatten så att ånga bildas.

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, men uran bryts även i Namibia, Sydafrika, Kazakstan, Uzbekistan och Ryssland. Natururanet till Vattenfalls reaktorer köps in från producenter i Australien, Namibia och Ryssland. 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 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.

Reglering av effekten Effekten i reaktorn styrs genom styrstavarna som drar till sig neutronerna. Genom att skjuta in dem olika mycket i reaktorhärden så fungerar de som en gas- och bromspedal som styr effekten. När styrstavarna är helt inskjutna upphör kärnklyvningen.

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 och tekniken för att skjuta in dem i reaktorn skiljer sig åt mellan tryckvatten- och kokvattenreaktorer. I tryckvattenreaktorer finns cirka 50 styrstavar som uppifrån förs ner eller upp mellan bränsleelementen för att reglera kärnklyvningen. Antalet styrstavar i kokvattenreaktorer är fler, 100-175 stycken beroende på reaktortyp. De manövreras underifrån.

Kärnkraft och säkerhet Om man inte har full kontroll på alla neutroner som frigörs vid kärnklyvning så kan en s.k. härdsmälta uppstå. Vid en sådan blir temperaturen så hög att bränslet i reaktorn smälter och i värsta fall kan reaktorn gå sönder och radioaktiva ämnen läcka ut. Den senaste härdsmälta vi upplevt var 2011 i Japan Fukushima där 4 reaktorer blev strömlösa p.g.a. tsunami.

Slutförvar De bränslestavar som bryts ut är fortfarande radioaktiva i flera hundra tusen år, och måste därför slutförvaras på ett säkert ställe. De skall därför placeras 400-500 meter ner i berggrunden. För närvarande är den bästa metoden att placera bränslestavar i kopparbehållare som svetsas igen för att placeras i hålrum som sedan fylls med bentonitlera.

Fördelar med kärnkraft Fördelen med kärnkraft är att mycket stora mängder energi kan utvinnas ur en liten mängd materia. När en uranatom klyvs, frigörs 100 milj. ggr mer energi än när en kolatom förbränns och bildar koldioxid. Vid normalt drift av ett kärnkraftverk är det enda utsläppet till omgivningen uppvärmt kylvatten från reaktorn.

Nackdelar Nackdelar med kärnkraft hänger främst ihop med de klyvningsprodukter som bildas i reaktorn. De nya atomer som bildas vid klyvningen är oftast starkt radioaktiva. Det betyder att de under mycket lång tid sönderfaller av sig själva, samtidigt som de utsänder radioaktiv strålning. Strålningen är skadlig för levande organismer. Den risken hänger samman med slutförvaringen och haverier.

Nackdelar En annan risk som blivit aktuell på senare år är möjligheten att upparbeta använt kärnbränsle och sedan använda det för framställning av kärnvapen.