Olet varmasti kuullut ydinpommeista (tai atominpommeista) — esimerkki ydinenergian sotilaallisesta käytöstä. Ydinpommi on laite, johon liittyy hallitsematon fissiiliaineen ketjureaktio. Tämä prosessi on erittäin nopea, joten energia kasvaa ja lämpötilasta tulee äärimmäisen korkea, jopa kymmeniä miljoonia asteita.

Little Boy (Kuvalähde: US National Archives, RG 77-AEC, salassapito poistettu 1960).

Fissiiliaineen sisäinen paine sellaisessa lämpötilassa muuttuu valtavaksi ja laite räjähtää. Jotta tämä tapahtuisi, pommin täytyy sisältää kriittinen massa (jopa ylikriittinen massa) fissiilimateriaalia. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kaikki materiaali fissioituu. Räjähdys tapahtuu ennen kuin kaikilla ²³⁵U-ytimillä on mahdollisuus fissioitua — Hiroshimaan pudotetussa pommissa esimerkiksi vain noin 2 % uraaniytimistä fissioitui. Se riitti kuitenkin aiheuttamaan valtavat tuhot.

Tällaisten pommien tappava voima herättää tärkeitä eettisiä kysymyksiä tällaisten aseiden tutkimuksesta ja kehityksestä.

Mahdollisuus, että terroristit saattavat hankkia ja käyttää ydinaseita, on kiireellinen ja mahdollisesti katastrofaalinen haaste globaalille turvallisuudelle. Huhtikuussa 2010 Washingtonissa, DC:ssä pidetty ydinturvallisuushuippukokous keskittyi ydinterroritismin uhkaan, ja osallistujat tekivät konkreettisia sopimuksia, kuten ydinmateriaalien turvallisuuden parantaminen ja plutoniumin ja erittäin rikastetun uraanin saatavuuden vähentäminen.

Ydinenergiaa voidaan käyttää hyvin pienissä laitteissa kuten paristoissa. Planeettojen ja avaruuden tutkimisessa tarvitaan pitkäkestoisia ja tehokkaita paristoja (itse asiassa niin sanotut tahdistinlaitteet, joita vakavia sydänsairauksia sairastavat ihmiset käyttävät, toimivat myös tällaisilla paristoilla). Radioaktiivisia virtalähteitä on käytetty tähän tarkoitukseen vuodesta 1961 lähtien.

Tällaisia virtalähteitä on kahta tyyppiä:

1) termioniset radioaktiiviset generaattorit, joissa ydinlämpöä käytetään sähköisen potentiaalieron luomiseen kahden metallielektrodin välille, ja

2) RTG — radioisotooppiset termoelektriset generaattorit, joissa esim. ²³⁸Pu:n (0,56 W/g) hajoamislämpöä käytetään p-n-tyyppisen puolijohdeliitoksen (termoparin) lämmittämiseen

Voyager-avaruusluotaimet, Galileo-tehtävä Jupiterille ja Cassini-tehtävä Saturnukselle on kaikki virroitettu RTG:llä. Spirit- ja Opportunity-Mars-ajoneuvot ovat käyttäneet aurinkopaneeleja sähkölle ja RTG:tä lämmölle. Mars-ajoneuvo Curiosity käyttää RTG:tä lämmölle ja sähkölle, koska pelkät aurinkopaneelit eivät pystyisi toimittamaan riittävästi sähköä.

Pieniä ydinreaktoreita, jotka käyttävät termoelektrisiä tai termionisia muuntimia, on rakennettu ja niitä kehitetään erilaisiin sovelluksiin avaruusaluksissa, esimerkiksi niiden propulsiossa.

Ydinpolttoaineen käyttö ydinreaktorissa tuottaa energiaa noin 100 miljoonaa (10⁸) kertaa enemmän kuin vastaavan määrän kemiallisia reaktantteja!

Tähän mennessä on kehitetty kaksi ydinreaktoreita käyttävää propulsiojärjestelmää. Ensimmäinen, ns. ydin-terminen propulsiojärjestelmä (lyhyesti NTR, Nuclear Thermal Rockets), koostuu matalassa lämpötilassa nestemäisessä muodossa varastoitun vetypropellantin lämmittämisestä. Noin 2500 °C:n lämpötilassa oleva vetykaasu työnnetään sitten suuttimen läpi työntövoiman tuottamiseksi. Toinen järjestelmä, ydin-sähköinen propulsio (NEP), koostuu ydinener­gian muuntamisesta sähköksi ja sen jälkeen tämän sähköenergian käyttämisestä sopivan sähkömagneettisen laitteen virittämiseen, joka kiihdyttää ioneja erittäin suuriin nopeuksiin. Kiihdytetyt ionit, kulkiessaan suuttimessa olevan neutralisoijan läpi, tuottavat neutraaleja atomeja sisältävän suihkun, joka poistuu moottorista ja tuottaa työntövoiman. Tällaista propulsiota käytettiin lukuisissa, pääasiassa neuvostoliittolaisissa, kiertoratatehtävissä. Erityisesti pitkäaikaisissa tehtävissä ydinpropulsio on edullisempaa kuin kemiallinen propulsio.

Ydinreaktorien käyttämistä sukellusveneissä ja lentokoneissa harkittiin lähes ydinreaktorien historian alusta lähtien. Ydinreaktorien käyttöön lentokoneissa liittyvä vaara ei sallinut idean todellista kehitystä siviili- eikä sotilaskoneissa, vaikka idea on kehitetty, otettu käyttöön ja se on edelleen kehitteillä avaruusalusten propulsiossa. Ydinpropulsio on kuitenkin erittäin onnistuneesti käytössä nykyaikaisissa laivasto- ja siviilialuksissa.

Ensimmäinen ydinvoimalla toimiva yhdysvaltalainen sukellusvene "Nautilus", jonka rakentaminen aloitettiin jo 1946 ja laskettiin vesille 1954, oli ensimmäinen, joka ylitti Pohjoisnavan Arktisen jääpeitteen alla 23. heinäkuuta 1958. Entisen Neuvostoliiton ydinvoimainen jäänmurtaja "Arktika" oli ensimmäinen pintaalus, joka saavutti Pohjoisnavan 17. elokuuta 1977. Yhdysvallat rakensi myös lentotukialuksia. Ensimmäinen, USS Enterprise, laskettiin vesille 1960. Ensimmäinen rahtialus, NS Savannah, laskettiin vesille Yhdysvalloissa 1959. Japani laski kauppalaiva Mutsun vesille 1962.

Laivastosovelluksissa käytettävät reaktorit ovat PWR-tyyppisiä. Kaikkia venäläisiä sukellusveneitä ja kaikkia pintaaluksia käyttävät kaksi reaktoria. Siksi on tärkeää, että nämä reaktorit ovat mahdollisimman kompakteja. Aluksi tämä saavutettiin käyttämällä erittäin rikastettua ydinpolttoainetta: ²³⁵U-pitoisuuksia 90 %. Viime aikoina kuitenkin noin 20–25 %:n rikastusasteet yhdysvaltalaisissa reaktoriytimissä ja noin 50 %:n venäläisissä ovat yleisempiä.

Ensi silmäyksellä tuntuisi luontevalta haluta käyttää autoja ydinenergian avulla. Erityisesti moottori voisi toimia monta vuotta ilman polttoaineelementtien vaihtamista. Energianlähde — pieni ydinreaktori käytännössä — tuottaisi kuitenkin neutroneja, jotka ovat erittäin läpäisevää ionisoivaa säteilyä. Tämä säteily olisi haitallista kaikille autossa oleville ja jopa ympärillä oleville jalankulkijoille. Jotta kuljettajaa ja matkustajia ei altistettaisi neutronisäteilylle, ytimen biologisen suojan täytyisi olla erittäin tilava ja erittäin raskas — jotain, mikä ei oikein sovi nykyiseen käsitykseemme hyödyllisestä henkilöautosta.

Vaikka onnistuttaisiin rakentamaan turvallinen auto esimerkiksi tehokkaita termoelektrisiä muuntimia käyttämällä, radioaktiivisten materiaalien hallitsemisen ongelma silti jäisi.

Ford Nucleon oli pienoismallinen konseptiauto, jonka Ford Motor Company kehitti 1958 esittääkseen idean siitä, miltä ydinvoimalla toimiva auto voisi näyttää. Suunnitelmaan ei sisältynyt polttomoottoria; sen sijaan ajoneuvon oli määrä saada voimansa ajoneuvon takaosassa olevasta pienestä ydinreaktorista, perustuen oletukseen, että tämä olisi jonain päivänä mahdollista koon pienenemisen myötä. Auton oli määrä käyttää uraanifissiolla toimivaa höyrymoottoria, samaan tapaan kuin ydinsukellusveneet toimivat.

Vedyllä on kasvava rooli kemiassa, maataloudessa (typpilan­noitteiden tuotanto), öljyteollisuudessa ja potentiaalisena energianlähteenä eli polttoaineena. Voidaan olettaa, että vedyn monipuolisten mahdollisten sovellusten joukossa sen käyttö polttokennoissa tulee suosituimmaksi. Kasvavan kiinnostuksen valossa vetyyn on arvioitu, että sen tuottamiseen tarvittava energia voi pian olla yhtä suuri kuin nykyinen sähköntuotanto.

Ollaan siis hyvin kiinnostuneita tehokkaista energianlähteistä, jotka voivat tuottaa vetyä, ja tässä ydinreaktorien käyttö voisi olla elintärkeää. Reaktorit voivat tuottaa sähköenergiaa veden elektrolyysiä varten. Ydinlämpöenergiaa voidaan käyttää myös vedyntuotantoon maakaasusta ja termokemiallisissa prosesseissa vedestä. Toisin kuin kemiallisessa prosessissa, jossa höyry reformoi maakaasua, termokemiallisilla reaktioilla on se etu, että hiilidioksidia ei tuoteta. Koska molemmissa tapauksissa tarvitaan suhteellisen korkeita lämpötiloja (1000–1300 K), korkean lämpötilan reaktoreita käytettäneen tähän tarkoitukseen. Toimiessaan tavallisina ydinvoimaloina ja toimittaessaan sähköä verkkoon päivällä, tällaiset reaktorit voisivat tuottaa vetyä yöllä, valmistaen seuraavan päivän vetytoimitusta.

Ydinenergiaa käytetään jo veden suolanpoistoon — ongelma, jolla on äärimmäinen merkitys suurelle osalle maailmaa, joka kärsii juomaveden puutteesta, erityisen vakava ongelma Aasiassa ja Pohjois-Afrikassa. Tällaiset reaktorit voivat lisäksi tuottaa sähköä eli toimia pieninä ydinvoimaloina. Esimerkki ydinreaktorista, joka tuottaa sekä sähköä että suolanpoistettua vettä, on nopea reaktori BN-350 Aktaulla Kazakstanissa. Japanilla, Venäjällä ja Kanadalla on kaikilla kokemusta ydinreaktoreista, joita käytetään veden suolanpoistoon, ja Kansainvälinen atomienergiajärjestö (IAEA) edistää voimakkaasti tätä ydinenergiankäyttöä. Ajatuksena on käyttää ydinvoimaloita sähkön tuottamiseen verkkoon suurimman kysynnän aikoina, ja kun kysyntä laskee, käyttää osa tuotetusta sähköstä suolanpoistotarkoituksiin. Projekteja kehitetään Intiassa, Kiinassa, Venäjällä, Pakistanissa, Tunisiassa, Marokossa, Egyptissä, Algeriassa, Iranissa, Etelä-Koreassa, Indonesiassa ja Argentiinassa.

Neutronit ovat suuren tieteellisen kiinnostuksen kohteena olevia hiukkasia. Vaikka niillä ei ole varausta, ne toimivat kuin pienet magneetit: sanomme, että niillä on magneettinen momentti. Vapaat neutronit hajoavat protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi puoliintumisajalla 10,25 minuuttia, joten Auringossa syntyneet neutronit eivät ehdi saavuttaa planeettaamme. Vaikka niiden oletetaan olevan varauksettomia, fyysikot etsivät edelleen pientä varausta; tällaisen varauksen löytäminen olisi uutinen. Toistaiseksi on todistettu, että varauksen on oltava alle 10^-21 alkeisvarauksia! Tiedämme kuitenkin, että neutronin sisällä on positiivisia ja negatiivisia varauksia, ja tämä saa meidät ihmettelemään, muodostavatko ne niin sanotun sähköisen dipolimomenttin positiiviset ja negatiiviset varaukset erotettuna pienellä etäisyydellä. Toistaiseksi on kokeellisesti todistettu, että tällaisen erottamisen on oltava pienempi kuin 10^-26 cm, mikä todistaa nykyisten kokeiden tarkkuudesta.

Tällaisten tutkimusten suorittamiseen tarvitaan paljon neutroneja, ja ydinreaktorit ovat äärimmäisen hyödyllisiä, koska ne ovat jättiläismäisiä neutronilähteitä. Reaktoreita, jotka on suunniteltu tuottamaan neutroneja kokeita varten, kutsutaan tutkimusreaktoreiksi. Tutkimusreaktoreilla on lukuisia sovelluksia tieteessä, lääketieteessä ja teknologiassa.

TRIGA-tutkimusreaktori AERE:ssä Bangladeshissa (Kuvaluotto: IAEA).

Suosituimpia neutronilähteitä tutkimukseen ovat vakautilan reaktorit, jotka tuottavat neutroneja jatkuvasti. Useimmissa niistä reaktoriydin on upotettuna vesiastiaan. Vesi muodostaa osan jäähdytysjärjestelmästä, toimii biologisena suojana ja on myös osa neutronimoderaat­toria. Kaikki ydinvoimalat käyttävät vakautilan reaktoreita.

On myös pulssatettuja neutronilähteitä, jotka tuottavat jaksottaisia neutronipurskauksia. Jotkut niistä käyttävät hajoamisreaktiota fission sijaan.

Prosessi, joka nykyään vaatii suurta taitoa, tapahtui itse asiassa spontaanisti luonnossa noin kaksi miljardia vuotta sitten. Länsi-Afrikkaan, Gaboniin sijaitsevassa Oklon uraanikaivoksessa tehtiin sensaatiomainen löytö kesäkuussa 1972. Löydettiin, että uraanimalmin ²³⁵U-pitoisuus oli huomattavasti pienempi kuin muualta löydettävä 0,72 %. Miten tämä saattoi olla?

Koska ²³⁵U:n puoliintumisaika on lyhyempi kuin ²³⁸U:n, ²³⁵U:n suhteellisen yleisyyden uraanissa täytyi olla kaksi miljardia vuotta sitten noin 3–4 %:n tasolla tyypillisen 0,72 %:n sijaan. Mutta 3–4 %:n rikastus uraanissa ²³⁵U:lla on varsin tyypillistä nykyisille voimareaktoreille. Rikastetun uraanimalmin ympärillä olevat hydrogeologiset olosuhteet olivat suotuisat ketjureaktiolle. Vesi on hyvä neutronimoderaat­tori ja voi toimia myös heijastimena. "Reaktori" pystyi toimimaan, kun vettä oli saatavilla. Kun vesi haihtui, reaktori pysähtyi, kunnes taas tuoretta vettä oli saatavilla uraanimalmin läheisyydessä. Malmi köyhtyi tasaisesti ²³⁵U:sta, niin että vuonna 1972 löydetty ²³⁵U oli tämän luonnollisen fissioreakto­rin köyhdyttämää.

On arvioitu, että nämä luonnolliset reaktorit (Oklosta on toistaiseksi löydetty 17 fossiilireaktoria) toimivat noin 1 miljoona vuotta. Tutkimukset ovat osoittaneet, että Oklon reaktorit tuottivat myös ²³⁹Pu:ta, joka hajosi (alfa-hajoamisen kautta) ²³⁵U:ksi, joten ne olivat luonnollisia lisäysreaktoreita! Oklo oli lahja ihmiskunnalle, koska tutkimukset siitä, miten Oklon pitkäikäiset fissiofragmentit diffundoituvat maaperään, antavat meille mahdollisuuden arvioida parhaillaan rakenteiden ydinjoulleihin tarkoitettujen maanalaisten loppusijoituspaikkojen tehokkuutta.