Verden trenger mye energi. Den teknologiske utviklingen krever i dag langt mer energi enn det som hittil er produsert. Data viser at jo større BNP, desto større er energiproduksjonen og energiforbruket per innbygger, og jo større energiproduksjonen er, desto lenger lever befolkningen. Den vanligste energiproduksjonen bygger på forbrenning av fossile og andre brensler (ved, kull, olje, naturgass), men disse naturressursene vil snart være oppbrukt eller bli uoverkommelig dyre. Dagens anslag varierer fra omtrent 50 til 150 år. Før eller senere vil vi trenge andre energiformer. Kan kjernekraft være svaret?

Alle naturressurser som geotermisk energi, vindkraft, solenergi osv. er forbundet med høye kostnader og krever, på grunn av vind- og solenergiens ujevne tilgang, en kraftig reserve i form av pålitelige grunnlastsystemer. Vannkraft er en viktig og billig energikilde og kan gå jevnt som grunnlast, men ressursene er begrenset, og i mange land er de allerede fullt utbygd.

Vi har allerede en stor og svært effektiv (mer enn noen annen!) energikilde for hånden – nemlig kjernekraft. I dag er omtrent 16 % av den elektriske energien som produseres i verden, kjerneenergi. Denne energien kan dekke menneskehetens energibehov i tusenvis av år – og enda bedre: Man anslår at formeringsreaktorer kan levere energi i opptil noen få milliarder år! De samlede produksjonskostnadene for elektrisk energi fra kjernekraftverk, inkludert kostnadene til sikkerhetssystemer, beskyttelse mot spredning av spaltbart materiale, framtidig nedleggelse av reaktorene og kostnadene til behandling og sikring av det radioaktive avfallet, har vist seg å være blant de laveste for de ulike energikildene.

Produksjon av kjerneenergi forurenser ikke miljøet og bidrar ikke til global oppvarming. Det ville derfor være et fryktelig sløseri med ressurser om menneskeheten ikke gjorde utstrakt bruk av kjerneenergi. Den tekniske utfordringen er å bruke den på en så sikker måte som mulig. For eksempel sparer hver 22 tonn uran som brukes til strømproduksjon, utslipp av omtrent én million tonn karbondioksid, som ville vært resultatet av en tilsvarende bruk av kull.

Det er risikoer knyttet til muligheten for alvorlige reaktorhavarier, den ioniserende strålingen som slippes ut, håndteringen av radioaktivt avfall og spredningen av spaltbart materiale. Å vurdere disse risikoene er imidlertid en vanskelig oppgave, siden de ikke hører inn under den vanlige kategorien «frivillige» risikoer. For å få en grov idé kan vi likevel se på «dødsfall per produsert elektrisk energi». Ulykker i vanlige kullgruver og ved oljebrønner, sammen med luftforurensningen som forbrenning av fossile brensler forårsaker, gir en risikofaktor som er omtrent 40 ganger høyere enn for hele kjernekraftindustrien til sammen, fra urangruvedrift til mulige havarier ved kjernekraftverk. Ett enkelt dambrudd eller en enkel ulykke ved en kjemisk fabrikk kan drepe opptil flere tusen mennesker, mens den trolig verste (og helt enestående) katastrofen i kjernekraftens historie, Tsjernobyl, bare krevde 31 menneskeliv, hvorav 28 døde av store doser absorbert stråling. Hele det amerikanske kjernekraftprogrammet innebærer en risiko som tilsvarer å heve fartsgrensen på motorveien fra 80 km/t til 81 km/t!

Grafen til venstre viser de relative risikoene (målt som dødsfall per produsert TWh) for ulike energikilder: (bildekilde: www.adamsmith.org)

Under det nylige havariet ved kjernekraftverket i Fukushima ble store mengder radioaktivt materiale sluppet ut i omgivelsene, og eksperter venter en betydelig økning i antall krefttilfeller i lokalbefolkningen i løpet av de neste 50 årene. Det umiddelbare antallet dødsfall på grunn av stråling var imidlertid null.

Vi vet nå at det dannes radioaktive kjerner ved fisjon. Antallet nøytroner i uran (143 eller 146) er langt større enn antallet protoner (92), noe som gjør det relativt stabilt (levetiden til ²³⁸U er 4,5 milliarder år, og levetiden til ²³⁵U er 1,3 milliarder år). I mindre kjerner er forholdet mellom nøytroner og protoner som kreves for en stabil isotop, lavere. Når kjernen deler seg i mindre kjerner, blir antallet nøytroner i hvert fragment derfor større enn det som trengs for at det skal være stabilt. Det betyr at fisjonsfragmentene er ustabile, altså radioaktive – og ganske mange av dem har lang levetid.

I tillegg til fisjonsfragmentene dannes det også transuraner ved nøytroninnfanging i kjernebrenselet. La oss si at et raskt nøytron fanges inn av ²³⁸U. Etter to betahenfall dannes da ²³⁹Pu – et fissilt grunnstoff som i formeringsreaktorer brukes som brensel (og da snakker vi om uran-plutonium-kretsløpet). I en reaktor av PWR-typen blir den samme isotopen imidlertid radioaktivt avfall. Man må også huske at reaktorens konstruksjonsmaterialer blir aktivert mens reaktoren er i drift (et typisk produkt av slik aktivering er ⁶⁰Co), og de må håndteres riktig.

Klassifisering av radioaktivt avfall:

Type	Etter volum	Etter radioaktivt innhold
Høyaktivt avfall	3%	95%
Middels aktivt avfall	7%	4%
Lavaktivt avfall	90%	1%

Høyaktivt avfall utgjør bare 3 % av den totale mengden avfall fra kjernekraftproduksjon, men inneholder 95 % av radioaktiviteten. Lavaktivt avfall utgjør 90 % av den totale mengden radioaktivt avfall, men inneholder bare omtrent 1 % av radioaktiviteten.

Radioaktivt avfall skaper alvorlige tekniske problemer som må løses for at kjernekraft skal være trygg for befolkningen. I motsetning til kull, olje eller gass brenner kjernebrensel aldri helt opp. Det skyldes at det under «forbrenningen» dannes en rekke kjerner som absorberer nøytroner kraftig. Med tiden vil nøytronene som dannes ved fisjon, for det meste bli absorbert av produkter fra tidligere reaksjoner. Økningen i antallet nøytroner ved én enkelt fisjon vil da ikke være nok til å opprettholde kjedereaksjonen. Da kan brenselselementet ikke lenger brukes som brensel og blir til høyradioaktivt avfall.

Dessuten er halveringstidene for grunnstoffene som dannes ved fisjon, ofte så lange som titusener eller til og med hundretusener av år, så man må være særlig nøye når man lagrer slikt avfall, og må lagre det sikkert i uhyre lang tid. Det er dette som skaper alvorlige sosiale, politiske og regulatoriske problemer med sluttdisponeringen av dette avfallet.

I forskningsreaktorer som ikke produserer så mye brukt brensel, er den enkleste løsningen å bruke et vannbasseng, som vanligvis er plassert ved siden av reaktorbassenget. Det brukte brenselet kan oppbevares der så lenge korrosjonen i brenselskapslingene tillater det, vanligvis omtrent 30-40 år. I mellomtiden synker temperaturen i de brukte brenselsstavene, og naturlige henfallsprosesser reduserer aktiviteten deres. Det må gå ytterligere 40 eller 50 års lagring før aktiviteten i det brukte brenselet er lav nok til at det kan sendes til et sluttlager for radioaktivt avfall.

I kjernekraftverk kan lignende metoder brukes. Etter noen års lagring i vannbassenget flyttes brenselet imidlertid til reprosesseringsanlegg, der det kan gjennomgå en kjemisk prosess der de fissile grunnstoffene (uran og plutonium og andre transuraner) gjenvinnes og etter hvert brukes til å lage nytt reaktorbrensel. Det gjenværende materialet, som for det meste er flytende, forglasses, kapsles inn i store metallbeholdere og sendes til sluttlageret. Denne teknologien er ikke særlig utbredt, siden den krever et høyteknologisk miljø. Hvis det brukte brenselet ikke reprosesseres, må det lagres direkte, i egnede metallbeholdere, i spesielle lagre dypt under bakken: for eksempel i gamle saltgruver, i leire eller i granitt.

Lagring av radioaktivt avfall 500-1000m under bakken gir høyere sikkerhet enn lagring på overflaten. Strålingen som sendes ut etter for eksempel 1000 år, vil ligge på nivå med den naturlige strålingen i de øverste 1000m av jordskorpa. Hvis vi lærer å transmutere og forbrenne radioaktivt avfall, blir problemet selvsagt enda lettere å løse. Dyp lagring utgjør ingen reell fare for folk som bor i nærheten av lagrene, med mindre noen ved et uhell prøver å bruke området til noe annet og begynner å bore. Selv da vil faren forbli lokal og absolutt ikke nå globale proporsjoner.

Når man diskuterer farene ved industrielt radioaktivt avfall, glemmer man ofte at jordskorpa selv inneholder mange radioaktive grunnstoffer som hele tiden diffunderer opp mot overflaten og utgjør en del av den naturlige radioaktive bakgrunnen.

Som figuren ovenfor viser, bidrar radioaktivt avfall bare med en liten del av bakgrunnsstrålingen. For eksempel vil alt radioaktivt avfall som var samlet opp fram til år 2000, etter å ha fått kjøle seg ned i 500 år, ha en aktivitet som tilsvarer den naturlige radioaktiviteten i et jordstykke på 30x30x2km (2 kilometer er den typiske dybden for et underjordisk avfallslager).

Man begynner med å bryte uranmalm. Malmen knuses og males deretter til et fint pulver. Til slutt gjennomgår den en kjemisk prosess som gjør det mulig å skille uranet fra malmen. Resultatet er uranoksid, U₃O₈. For å drive et kjernekraftverk som produserer for eksempel 1000 MW elektrisk effekt, trenger man omtrent 200 tonn U₃O₈ per år.

Neste trinn består i å anrike uranet med ²³⁵U. Prosessen begynner med at triuranoktoksidet omdannes til gassformig uranheksafluorid (UF₆). Hurtigroterende sentrifuger brukes til å dele gassen i to deler: Når ²³⁸U skilles ut, blir den ene strømmen anriket på ²³⁵U, mens den andre blir utarmet på ²³⁵U. Den første brukes til produksjon av kjernebrensel, mens den andre, «utarmet uran», for eksempel kan brukes i metallisk form som et svært effektivt skjold mot gammastråling.

Når brenselet er brukt opp i en kjernereaktor, lagres det brukte brenselet og blir deretter enten reprosessert for å gjenvinne fissile grunnstoffer (²³⁵U og ²³⁹Pu) fra det, eller gjort klart for langtidslagring uten reprosessering.

Det er et sterkt insentiv for å redusere volumet og radiotoksisiteten til det høyaktive avfallet (HLW) som skal lagres dypt under bakken, med en faktor 100 eller mer. Det viser seg at omtrent 97 % av det brukte brenselet kan gjenvinnes, mens resten blir igjen som høyradioaktivt avfall. Det gjenvunne uranet inneholder bare omtrent 1 % ²³⁵U (såkalt utarmet uran). I tillegg til geologisk lagring er det også interesse for teknologier for separasjon og transmutasjon (P&T), som skulle gjøre det mulig å skille ut aktinidene (særlig Pu), de såkalte mindre aktinidene (Np, Am og Cm) og enkelte langlivede fisjonsprodukter, og transmutere dem til kortlivede eller til og med stabile produkter.

Veitransport av brukt kjernebrensel i Japan (bildekilde: The Energy Library):

I motsetning til hva mange tror, er transport av brukt brensel ikke farlig. Vi kan merke oss at det i løpet av de siste 40 årene er registrert omtrent 3000 transporter av brukt brensel bare i USA. Brenselet ble fraktet med lastebil og tog over til sammen omtrent 2,5 millioner kilometer uten en eneste ulykke. Heller ikke i Europa har det skjedd ulykker under transport av brukt brensel. Sikkerheten garanteres i stor grad av de tunge (~120 tonn) stålbeholderne som brukes under transporten. Veggene er vanligvis omtrent 50 cm tykke – omtrent 15 ganger tykkere enn i tankene som brukes til å frakte bensin. For hvert tonn brukt brensel brukes det vanligvis tre ganger så mye materiale til beholderen og det biologiske skjoldet. Slike beholdere er bygd for å tåle en brann på 30 minutter og et fall på 9 m ned på betong. De er til og med bygd for å tåle en kollisjon med et jetfly! I hver beholder er det aldri mer enn 9-12 brukte brenselselementer. I senere tid har man begynt å endre beholdernes konstruksjon slik at de også skal tåle mulige terrorangrep.

I tillegg til radioaktivt avfall fra kjernereaktorer og militær virksomhet oppstår det radioaktivt avfall overalt der det brukes strålekilder. Det kommer fra sykehus (med nukleærmedisinske avdelinger og stråleterapiavdelinger), fra forskning ved universiteter og i industrien og fra industriell bruk av strålekilder (for eksempel i papirindustrien, i uran- og kullgruver, i røykvarslere osv.). I motsetning til brukt brensel har dette avfallet utelukkende lav eller middels aktivitet og for det meste ganske kort levetid. Slikt avfall presses vanligvis sammen før det til slutt lagres i spesielle beholdere som hindrer at radioaktivt materiale lekker ut i miljøet.

Det finnes noen mulige alternativer til langtidslagring av radioaktivt avfall. Transmutasjon er en prosess der man ved nøytroninnfanging omdanner en langlivet radioaktiv isotop til en annen som har kortere halveringstid eller kanskje til og med er stabil. Forbrenning er derimot en prosess der nøytroninnfanging fører til at det dannes en isotop som henfaller til et stabilt grunnstoff gjennom fisjon. Det arbeides mye med å gjøre begge typer reaksjoner kommersielt effektive. Akseleratordrevne systemer og konseptet med den såkalte energiforsterkeren gir håp om at det radioaktive avfallet som er samlet opp hittil, og det som vil bli produsert, kan omdannes til kortlivet avfall som er lettere å lagre.