Verden har brug for meget energi. Den teknologiske udvikling kræver i dag langt mere energi, end der hidtil er blevet produceret. Data viser, at jo større BNP, desto større er energiproduktionen og energiforbruget pr. indbygger, og jo større energiproduktionen er, desto længere lever befolkningen. Den mest almindelige energiproduktion er baseret på afbrænding af fossile og andre brændsler (træ, kul, olie, naturgas), men disse naturressourcer vil snart være opbrugt eller blive uoverkommeligt dyre. De nuværende skøn varierer fra omkring 50 til 150 år. Før eller siden får vi brug for andre energiformer. Kan kernekraft være svaret?

Alle naturlige ressourcer som geotermisk energi, vindkraft, solenergi osv. er forbundet med høje omkostninger, og på grund af vind- og solenergiens svingende karakter kræver de en kraftig reserve i form af pålidelige grundlastsystemer. Vandkraft er en vigtig og billig energikilde og kan køre stabilt som grundlastsystem, men ressourcerne er begrænsede, og i mange lande er de allerede udnyttet fuldt ud.

Vi har allerede en stor og yderst effektiv (mere end nogen anden!) energikilde lige ved hånden – nemlig kernekraft. I dag er omkring 16 % af den elektriske energi, der produceres i hele verden, kerneenergi. Denne energi kan dække menneskehedens energibehov i tusinder af år – og endnu bedre: Det anslås, at formeringsreaktorer kan levere energi i op til nogle få milliarder år! De samlede produktionsomkostninger for elektrisk energi fra atomkraftværker, inklusive omkostningerne til sikkerhedssystemer, beskyttelse mod spredning af fissilt materiale, fremtidig nedlukning af reaktorerne og omkostningerne til behandling og sikring af det radioaktive affald, har vist sig at være blandt de laveste for de forskellige energikilder.

Produktion af kerneenergi forurener ikke miljøet og bidrager ikke til den globale opvarmning. Det ville derfor være et frygteligt spild af ressourcer, hvis menneskeheden ikke gjorde udstrakt brug af kerneenergi. Den tekniske udfordring er at bruge den på en så sikker måde som muligt. For eksempel sparer hver 22 tons uran, der bruges til elproduktion, udledningen af omkring en million tons kuldioxid, som ville være resultatet af en tilsvarende brug af kul.

Der er risici forbundet med muligheden for alvorlige reaktorsvigt, den ioniserende stråling, der udsendes, håndteringen af radioaktivt affald og spredningen af spalteligt materiale. Det er dog en vanskelig opgave at vurdere disse risici, da de ikke hører ind under den almindelige kategori af “frivillige” risici. For at få en grov idé kan vi dog se på “dødsfald pr. produceret elektrisk energi”. Ulykker i konventionelle kulminer og ved oliebrønde, sammen med den luftforurening, der skyldes afbrænding af fossile brændsler, giver en risikofaktor, der er omkring 40 gange højere end for hele atomindustrien tilsammen, fra uranminedrift til mulige svigt på atomkraftværker. Et enkelt dæmningsbrud eller en simpel ulykke på en kemisk fabrik kan dræbe op til flere tusinde mennesker, mens der ved den formentlig værste (og helt enestående) katastrofe i atomkraftens historie, Tjernobyl, kun blev dræbt 31 mennesker, heraf 28 af store doser absorberet stråling. Hele det amerikanske atomprogram indebærer en risiko svarende til at hæve hastighedsgrænsen på motorvejen fra 80 km/t til 81 km/t!

Grafen til venstre viser de relative risici (målt som dødsfald pr. produceret TWh) ved forskellige energikilder: (billedkilde: www.adamsmith.org)

Under det seneste uheld på atomkraftværket i Fukushima blev der udledt store mængder radioaktivt materiale til omgivelserne, og eksperter forudser en betydelig stigning i antallet af kræfttilfælde blandt lokalbefolkningen inden for de næste 50 år. Det umiddelbare antal dødsfald på grund af stråling var dog nul.

Vi ved nu, at der dannes radioaktive kerner ved fission. Antallet af neutroner i uran (143 eller 146) er langt større end antallet af protoner (92), hvilket gør det relativt stabilt (levetiden for ²³⁸U er 4,5 milliarder år, og levetiden for ²³⁵U er 1,3 milliarder år). I mindre kerner er det forhold mellem neutroner og protoner, der kræves for en stabil isotop, lavere. Når kernen deler sig i mindre kerner, er antallet af neutroner i hvert fragment derfor større, end der skal til for at gøre det stabilt. Det betyder, at fissionsfragmenterne er ustabile, altså radioaktive – og ret mange af dem har lang levetid.

Ud over fissionsfragmenterne dannes der også transuraner ved neutronindfangning i kernebrændslet. Lad os sige, at en hurtig neutron indfanges af ²³⁸U. Så dannes der efter to betahenfald ²³⁹Pu – et fissilt grundstof, der i formeringsreaktorer bruges som brændsel (og så taler vi om uran-plutonium-kredsløbet). I en reaktor af PWR-typen bliver den samme isotop dog til radioaktivt affald. Man skal også huske på, at reaktorens konstruktionsmaterialer bliver aktiveret, mens reaktoren er i drift (et typisk produkt af en sådan aktivering er ⁶⁰Co), og de skal håndteres korrekt.

Klassificering af radioaktivt affald:

Type	Efter volumen	Efter radioaktivt indhold
Højaktivt affald	3%	95%
Mellemaktivt affald	7%	4%
Lavaktivt affald	90%	1%

Højaktivt affald udgør kun 3 % af den samlede mængde affald fra kernekraftproduktion, men indeholder 95 % af radioaktiviteten. Lavaktivt affald udgør 90 % af den samlede mængde radioaktivt affald, men indeholder kun omkring 1 % af radioaktiviteten.

Radioaktivt affald udgør alvorlige teknologiske problemer, som skal løses for at gøre kernekraft sikker for offentligheden. I modsætning til kul, olie eller gas brænder kernebrændsel aldrig helt op. Det skyldes, at der under “forbrændingen” dannes en række kerner, som absorberer neutroner kraftigt. Med tiden vil de neutroner, der dannes ved fission, for det meste blive absorberet af produkterne fra tidligere reaktioner. Forøgelsen af deres antal i en enkelt fission vil ikke være nok til at opretholde kædereaktionen. Så kan brændselselementet ikke længere tjene som brændsel og bliver til højradioaktivt affald.

Desuden er halveringstiderne for de grundstoffer, der dannes ved fission, ofte så lange som titusinder eller endda hundredtusinder af år, så man skal være særlig omhyggelig med at opbevare sådant affald og skal opbevare det sikkert i ufattelig lang tid. Det er det, der skaber alvorlige sociale, politiske og lovgivningsmæssige problemer med bortskaffelsen af dette affald.

I forskningsreaktorer, der ikke producerer så meget brugt brændsel, er den enkleste løsning at bruge et vandbassin, som regel placeret ved siden af reaktorbassinet. Det brugte brændsel kan opbevares der, så længe korrosionen af brændselskapslerne tillader det, normalt omkring 30-40 år. I mellemtiden falder temperaturen i de brugte brændselsstave, og naturlige henfaldsprocesser mindsker deres aktivitet. Der skal gå yderligere 40 eller 50 års opbevaring, før det brugte brændsels aktivitet er lav nok til, at det kan sendes til slutdepotet for radioaktivt affald.

På atomkraftværker kan man bruge lignende metoder. Efter nogle års opbevaring i vandbassinet flyttes brændslet dog til oparbejdningsanlæg, hvor det kan gennemgå en kemisk proces, hvor de fissile grundstoffer (uran og plutonium og andre transuraner) genvindes og til sidst bruges til fremstilling af nyt reaktorbrændsel. Det resterende materiale, som for det meste er flydende, forglasses, indkapsles i store metalbeholdere og sendes til depotet. Denne teknologi er ikke særlig udbredt, da den kræver et højteknologisk miljø. Hvis det brugte brændsel ikke oparbejdes, skal det opbevares direkte i egnede metalbeholdere i særlige depoter dybt under jorden: for eksempel i gamle saltminer, i ler eller i granit.

Opbevaring af radioaktivt affald 500-1000m under jordoverfladen giver større sikkerhed end opbevaring på jordoverfladen. Den stråling, der udsendes efter for eksempel 1000 år, vil være på niveau med den naturlige stråling i de øverste 1000m af jordskorpen. Hvis vi lærer at transmutere og forbrænde radioaktivt affald, bliver problemet naturligvis endnu lettere at løse. Dyb opbevaring udgør ingen reel fare for de mennesker, der bor i nærheden af depoterne, medmindre nogen ved et uheld forsøger at bruge området til noget andet og begynder at bore. Selv i så fald vil faren dog forblive lokal og bestemt ikke nå globale dimensioner.

Når man diskuterer farerne ved industrielt radioaktivt affald, glemmer man ofte, at jordskorpen selv indeholder mange radioaktive grundstoffer, som hele tiden diffunderer op mod overfladen og udgør en del af den naturlige radioaktive baggrund.

Som figuren ovenfor viser, bidrager radioaktivt affald kun med en lille del af baggrundsstrålingen. For eksempel vil alt det radioaktive affald, der var ophobet frem til år 2000, efter at have fået lov til at køle af i 500 år, have en aktivitet svarende til den naturlige radioaktivitet i et stykke jord på 30x30x2km (2 kilometer er den typiske dybde for et underjordisk affaldsdepot).

Man begynder med at bryde uranmalm. Malmen knuses og males derefter til et fint pulver. Til sidst gennemgår den en kemisk proces, der gør det muligt at udskille uranet fra malmen. Resultatet er uranoxid, U₃O₈. For at drive et atomkraftværk, der producerer for eksempel 1000 MW elektrisk effekt, skal man bruge omkring 200 tons U₃O₈ om året.

Næste trin består i at berige uranet med ²³⁵U. Processen begynder med at omdanne triuranoktoxidet til gasformigt uranhexafluorid (UF₆). Hurtigtroterende centrifuger bruges til at dele gassen i to dele: Udskillelsen af ²³⁸U gør den ene strøm beriget med ²³⁵U, mens den anden bliver udarmet for ²³⁵U. Den første bruges til fremstilling af kernebrændsel, mens den anden, “udarmet uran”, for eksempel kan bruges i metallisk form som et meget effektivt skjold mod gammastråling.

Når brændslet er brugt i en atomreaktor, opbevares det brugte brændsel og bliver derefter enten oparbejdet for at genvinde fissile grundstoffer (²³⁵U og ²³⁹Pu) fra det eller gjort klar til langtidsopbevaring uden oparbejdning.

Der er et stærkt incitament til at reducere volumen og radiotoksicitet af det højaktive affald (HLW), der skal opbevares dybt under jorden, med en faktor 100 eller mere. Det viser sig, at omkring 97 % af det brugte brændsel kan genanvendes, mens resten bliver tilbage som højradioaktivt affald. Det genvundne uran indeholder kun omkring 1 % ²³⁵U (såkaldt udarmet uran). Ud over geologisk opbevaring er der også interesse for teknologier til separation og transmutation (P&T), som vil gøre det muligt at udskille aktiniderne (især Pu), de såkaldte mindre aktinider (Np, Am og Cm) og visse langlivede fissionsprodukter og transmutere dem til kortlivede eller endda stabile produkter.

Vejtransport af brugt kernebrændsel i Japan (billedkilde: The Energy Library):

I modsætning til hvad mange tror, er transport af brugt brændsel ikke farlig. Vi kan konstatere, at der i løbet af de sidste 40 år er registreret omkring 3000 transporter af brugt brændsel alene i USA. Brændslet blev transporteret med lastbiler og tog over i alt omkring 2,5 millioner kilometer, uden at der skete en eneste ulykke. Heller ikke i Europa er der sket ulykker under transport af brugt brændsel. Sikkerheden garanteres i høj grad af de tunge (~120 tons) stålbeholdere, der bruges under transporten. Væggene er typisk omkring 50 cm tykke – omkring 15 gange tykkere end i de tanke, der bruges til transport af benzin. For hvert ton brugt brændsel bruges der typisk tre gange så meget materiale til beholderen og det biologiske skjold. Sådanne beholdere er bygget til at modstå en brand i 30 minutter og et fald på 9 m ned på beton. De er endda bygget til at modstå et sammenstød med et jetfly! I hver beholder er der aldrig mere end 9-12 brugte brændselselementer. På det seneste er man begyndt at ændre beholdernes konstruktion, så de også kan modstå mulige terrorangreb.

Ud over det radioaktive affald fra atomreaktorer og militære aktiviteter dannes der radioaktivt affald overalt, hvor der bruges kilder til ioniserende stråling. Det kommer fra hospitaler (med nuklearmedicinske afdelinger og stråleterapiafdelinger), fra forskning på universiteter og i industrien og fra industriel brug af strålekilder (for eksempel i papirindustrien, i uran- og kulminer, i røgdetektorer osv.). I modsætning til det brugte brændsel har dette affald udelukkende lav eller middel aktivitet og for det meste en rimelig kort levetid. Sådant affald presses som regel sammen, før det til sidst opbevares i særlige beholdere, der forhindrer, at radioaktivt materiale siver ud i miljøet.

Der findes nogle mulige alternativer til langtidsopbevaring af radioaktivt affald. Transmutation er en proces, hvor man ved neutronindfangning omdanner en langlivet radioaktiv isotop til en anden, der har kortere halveringstid eller måske endda er stabil. Forbrænding er derimod en proces, hvor neutronindfangning fører til dannelse af en isotop, der henfalder til et stabilt grundstof gennem fission. Der arbejdes meget på at gøre begge typer reaktioner kommercielt effektive. Acceleratordrevne systemer og konceptet med den såkaldte energiforstærker giver håb om, at det radioaktive affald, der er ophobet indtil nu, og det, der vil blive produceret fremover, kan omdannes til kortlivet affald, der er lettere at opbevare.