Hvordan fungerer atomkraft?

Atomkraft er en form for energi frigivet fra kernen, kernen af atomer, der består af protoner og neutroner. Denne energikilde kan produceres på to måder: fission – når kerner af atomer splittes i flere dele – eller fusion – når kerner smelter sammen. Den nukleare energi, der udnyttes rundt om i verden i dag til at producere elektricitet, er gennem nuklear fission, mens teknologi til at generere elektricitet fra fusion er i R&D-fasen.

Atomreaktorer er hjertet i et atomkraftværk. De indeholder og kontrollerer nukleare kædereaktioner, der producerer varme gennem en fysisk proces kaldet fission. Varmen herfra bruges til at lave damp, der roterer en turbine for at skabe elektricitet. Med mere end 440 kommercielle reaktorer verden over, herunder 94 i USA, er atomkraft fortsat en af de største kilder til pålidelig kulstoffri elektricitet, der er tilgængelig. Fordi atomkraftværker ikke brænder brændstof, producerer de ikke drivhusgasemissioner.

Ved pålideligt at levere strøm 24 timer i døgnet er atomenergi en vigtig del af det energimix, der er nødvendigt for at imødekomme efterspørgslen efter elektricitet. Og uden kulstofemissioner vil det forblive en vigtig ren energikilde for fremtiden.

Hvad er atomkraft?

Atomkraft giver effektiv og pålidelig elektricitet over hele verden. I dag opererer mere end 400 kommercielle reaktorer i mere end 30 lande.
Den almindelige definition for kerneenergi er den energi, der frigives ved en kædereaktion, især ved fission eller fusion. I praksis bruger atomkraft brændstof fremstillet af udvundet og forarbejdet uran til at lave damp og generere elektricitet. Nuklear produktion er den eneste kilde til elektricitet, der kan producere en konstant strømforsyning – kendt som “Baseload power” – pålideligt uden at udsende drivhusgasser.
Atomkraft har en af de laveste miljøpåvirkninger på jord og naturressourcer sammenlignet med enhver anden elkilde.

Hvordan virker atomkraft?

En atomreaktor producerer elektricitet på samme måde som andre kraftværker gør. Kædereaktionen producerer energien, som omdanner vand til damp. Trykket af dampen tænder en generator, som producerer elektricitet. Forskellen ligger i, hvordan varmen skabes. Kraftværker, der kører på fossile brændstoffer, brænder kul, olie eller naturgas for at generere varme. I et atomkraftværk produceres varme fra spaltning af atomer – en proces kaldet nuklear fission – Læs mere om dette længere nede i dette indlæg.

• Atomreaktor skaber varme, der bruges til at lave damp
• Dampen drejer en turbine forbundet til en elektromagnet, kaldet en generator
• Generatoren producerer elektricitet

Inde i atomkraftværker indeholder og kontrollerer atomreaktorer og deres udstyr kædereaktionerne, oftest drevet af uran-235, for at producere varme gennem fission. Varmen opvarmer reaktorens kølemiddel, typisk vand, for at producere damp. Dampen kanaliseres derefter til at rotere turbiner, der aktiverer en elektrisk generator for at skabe elektricitet hvor der ikke produceres drivhusgasser (CO2).

De to typer af atomreaktorer

Alle kommercielle atomreaktorer i USA er vandreaktorer. Det betyder, at de bruger normalt vand som både kølemiddel og neutronmoderator.
Reaktorer bruger uran til nukleart brændsel. Uranet forarbejdes til små keramiske perler som sættes sammen til forseglede metalrør kaldet brændselsstave (fuel rods). Typisk er mere end 200 af disse stænger bundtet sammen for at danne en brændstofsamling. En reaktorkerne består typisk af et par hundrede samlinger, afhængigt af effektniveauet.
Inde i reaktorbeholderen er brændstofstavene nedsænket i vand, der både fungerer som kølemiddel og moderator. Moderatoren hjælper med at bremse neutronerne produceret ved fission for at opretholde kædereaktionen. Kontrolstænger kan derefter indsættes i reaktorkernen for at reducere reaktionshastigheden eller trækkes tilbage for at øge den.
Den varme, der skabes ved fission, forvandler vandet til damp, som roterer en turbine for at producere kulstoffri elektricitet.

TRYKVANDSREAKTORER

I en trykvandsreaktor (PWR) – højtryk forhindrer vand i reaktorbeholderen i at koge. Det overophedede vand føres til en dampgenerator, som består af mange små rør. Varmen i disse rør bruges til at vende en anden, isoleret forsyning af vand til damp, som igen bruges til at drive turbinen. Vandet fra reaktoren pumpes tilbage i reaktorbeholderen og genopvarmes. Dampen fra turbinen afkøles i en kondensator, og det resulterende vand sendes tilbage til dampgeneratoren.

KOGENDE VANDSREAKTORER

Omtrent en tredjedel af de reaktorer, der opererer i USA, er kogende vand-reaktorer (BWR’er).
BWR’er opvarmer vand og producerer damp direkte inde i reaktorbeholderen. Vand pumpes op gennem reaktorkernen og opvarmes ved fission. Rør tilfører derefter dampen direkte til en turbine for at producere elektricitet. Den ubrugte damp kondenseres derefter tilbage til vand og genbruges i opvarmningsprocessen.

Hvordan påvirker atomkraft klimaet?

Atomkraft er en energikilde med lavt kulstofudledning, for i modsætning til kul-, olie- eller gaskraftværker producerer kernekraftværker praktisk talt ikke CO2 under deres drift. Atomreaktorer genererer tæt på en tredjedel af verdens kulstoffri elektricitet og er afgørende for at opfylde klimaforandringsmålene.

Hvad er fission, og hvordan fungerer det?

Kernefission er en reaktion, hvor kernen i et atom splittes i to eller flere mindre kerner, mens der frigives energi. – Nu bliver det lidt teknisk.
For eksempel, når den rammes af en neutron, spaltes kernen af et uran-235-atom i to mindre kerner, for eksempel en bariumkerne og en kryptonkerne og to eller tre neutroner. Disse ekstra neutroner vil ramme andre omgivende uran-235-atomer, som også vil splitte og generere yderligere neutroner i en multiplikationseffekt, og dermed generere en kædereaktion på en brøkdel af et sekund.
Hver gang reaktionen sker, frigives der energi i form af varme og stråling. Varmen kan omdannes til elektricitet i et atomkraftværk, på samme måde som varme fra fossile brændstoffer som kul, gas og olie bruges til at generere elektricitet. – Se billedet herunder for illustration.

Inde i hver uranbrændstofpille er der millioner af urankerner. Når disse kerner deles, frigives en enorm mængde energi. Noget af denne energi kommer fra stråling, men den største kilde er kinetisk energi. Dette er den energi, der producerer varme inde i en reaktor, som igen bruges til at generere damp og i sidste ende skaber elektricitet. En reaktors hovedopgave er at huse og kontrollere nuklear fission.

Hvad er uran?

Beriget uran er brændstoffet til atomreaktorer. Uran er et tilgængeligt, naturligt radioaktivt grundstof, der findes i de fleste stenarter. Når uran nedbrydes eller henfalder, producerer det varme inde i jordskorpen. En lignende proces genererer varme inde i en atomreaktor.

Udvinding, forædling og bortskaffelse af uran

Uran er et metal, der kan findes i sten over hele verden. Uran har flere naturligt forekommende isotoper, som er former for et grundstof, der adskiller sig i masse og fysiske egenskaber, men med de samme kemiske egenskaber. Uran har to primordiale isotoper: uran-238 og uran-235. Uran-238 udgør størstedelen af uran i verden, men kan ikke producere en fissionskædereaktion, mens uranium-235 kan bruges til at producere energi ved fission, men udgør mindre end 1 procent af verdens uran.

For at gøre naturligt uran mere tilbøjelige til at gennemgå fission, er det nødvendigt at øge mængden af uran-235 i en given prøve gennem en proces kaldet uranforædling. Når uranet er beriget/forædlet, kan det bruges effektivt som atombrændsel i kraftværker i tre til fem år, hvorefter det stadig er radioaktivt og skal bortskaffes efter strenge retningslinjer for at beskytte mennesker og miljø. Brugt brændsel, også kaldet forbrugt brændsel, kan også genanvendes til andre typer brændsel til brug som nyt brændsel i særlige atomkraftværker.

Atomaffald

Driften af atomkraftværker producerer affald med varierende niveauer af radioaktivitet. Disse styres forskelligt afhængigt af deres radioaktivitetsniveau og formål. Den næste generation af atomkraftværker, også kaldet innovative avancerede reaktorer, vil generere meget mindre atomaffald end nutidens reaktorer. Det forventes, at de kan være under opførelse i 2030. Du kan læse mere om afskaffelsen af atomaffald her hos Uddannelses & Forskninsministeriet.

Verdensomspændende atomkraft fakta

• I mere end 60 år har atomkraft forsynet verden med pålidelig elektricitet. I dag er mere end 440 reaktorer i drift i mere end 30 lande.
• Disse anlæg genererer omkring 10 procent af verdens elektricitet uden at udlede drivhusgasser.
• Flere nationer udforsker brugen af atomkraft, især efterhånden som efterspørgslen efter elektricitet stiger, og bekymringerne for klimaændringer stiger.

Er du interesseret i flere indlæg vedrørende videnskab og fysikkens verden? Så tag i kig i vores katalog med artikler om netop dette.