Världen behöver mycket energi. Den tekniska utvecklingen kräver i dag mycket mer energi än vad som hittills har producerats. Data visar att ju större BNP, desto större energiproduktion och energiförbrukning per invånare, och ju större energiproduktion, desto längre lever befolkningen. Den vanligaste energiproduktionen bygger på förbränning av fossila och andra bränslen (ved, kol, olja, naturgas), men dessa naturresurser kommer snart att vara uttömda eller bli orimligt dyra. Nuvarande uppskattningar varierar från omkring 50 till 150 år. Förr eller senare kommer vi att behöva andra energiformer. Kan kärnkraft vara svaret?

Alla naturliga resurser som geotermisk energi, vindkraft, solenergi osv. är förknippade med höga kostnader och kräver, på grund av vind- och solenergins ojämna tillgång, en kraftfull reserv i form av pålitliga baskraftsystem. Vattenkraft är en viktig och billig energikälla och kan gå stadigt som baskraft, men resurserna är begränsade, och i många länder har de redan byggts ut fullt.

Vi har redan en stor och mycket effektiv (mer än någon annan!) energikälla till hands – nämligen kärnkraft. I dag är omkring 16 % av den elektriska energi som produceras i världen kärnenergi. Denna energi kan täcka mänsklighetens energibehov i tusentals år – och ännu bättre: man uppskattar att bridreaktorer kan ge energi i upp till några miljarder år! De totala produktionskostnaderna för elektrisk energi från kärnkraftverk, inklusive kostnaderna för säkerhetssystem, skydd mot spridning av klyvbart material, framtida avveckling av reaktorerna och kostnaderna för behandling och säkring av kärnavfallet, har visat sig vara bland de lägsta av de olika energikällorna.

Produktion av kärnenergi förorenar inte miljön och bidrar inte till den globala uppvärmningen. Det vore därför ett fruktansvärt slöseri med resurser om mänskligheten inte gjorde stor användning av kärnenergi. Den tekniska utmaningen är att använda den på ett så säkert sätt som möjligt. Till exempel sparar varje 22 ton uran som används för elproduktion utsläpp av omkring en miljon ton koldioxid, som skulle bli resultatet av en motsvarande användning av kol.

Det finns risker förknippade med möjligheten av allvarliga reaktorhaverier, den joniserande strålning som släpps ut, hanteringen av kärnavfall och spridningen av klyvbart material. Att bedöma dessa risker är dock en svår uppgift, eftersom de inte hör till den allmänna kategorin ”frivilliga” risker. För att få en grov uppfattning kan vi dock titta på ”dödsfall per producerad elektrisk energi”. Olyckor i vanliga kolgruvor och vid oljekällor, tillsammans med den luftförorening som förbränning av fossila bränslen orsakar, ger en riskfaktor som är omkring 40 gånger högre än för hela kärnkraftsindustrin sammantaget, från uranbrytning till eventuella haverier i kärnkraftverk. Ett enda dammbrott eller en enkel olycka på en kemisk fabrik kan döda upp till flera tusen människor, medan den troligen värsta (och helt unika) katastrofen i kärnkraftens historia, Tjernobyl, bara krävde 31 människors liv, varav 28 dog av stora doser absorberad strålning. Hela det amerikanska kärnkraftsprogrammet innebär en risk som motsvarar att höja hastighetsgränsen på motorvägen från 80 km/h till 81 km/h!

Diagrammet till vänster visar de relativa riskerna (mätt som dödsfall per producerad TWh) för olika energikällor: (bildkälla: www.adamsmith.org)

Vid det senaste haveriet i kärnkraftverket i Fukushima släpptes stora mängder radioaktivt material ut i omgivningen, och experter förutspår en betydande ökning av antalet cancerfall bland lokalbefolkningen under de kommande 50 åren. Det omedelbara antalet dödsfall på grund av strålning var dock noll.

Vi vet nu att det bildas radioaktiva kärnor vid fission. Antalet neutroner i uran (143 eller 146) är mycket större än antalet protoner (92), vilket gör det relativt stabilt (livslängden för ²³⁸U är 4,5 miljarder år och livslängden för ²³⁵U är 1,3 miljarder år). I mindre kärnor är det förhållande mellan neutroner och protoner som krävs för en stabil isotop lägre. När kärnan delar sig i mindre kärnor blir antalet neutroner i varje fragment därför större än vad som behövs för att det ska vara stabilt. Det betyder att fissionsfragmenten är instabila, alltså radioaktiva – och ganska många av dem har lång livslängd.

Förutom fissionsfragmenten bildas också transuraner genom neutroninfångning i kärnbränslet. Säg att en snabb neutron fångas in av ²³⁸U. Efter två betasönderfall bildas då ²³⁹Pu – ett fissilt grundämne som i bridreaktorer används som bränsle (och då talar vi om uran-plutonium-kretsloppet). I en reaktor av PWR-typ blir samma isotop dock kärnavfall. Man måste också komma ihåg att reaktorns konstruktionsmaterial aktiveras medan reaktorn är i drift (en typisk produkt av sådan aktivering är ⁶⁰Co) och måste hanteras på rätt sätt.

Klassificering av kärnavfall:

Typ	Efter volym	Efter radioaktivt innehåll
Högaktivt avfall	3%	95%
Medelaktivt avfall	7%	4%
Lågaktivt avfall	90%	1%

Högaktivt avfall utgör bara 3 % av den totala mängden avfall från kärnkraftsproduktion, men innehåller 95 % av radioaktiviteten. Lågaktivt avfall utgör 90 % av den totala mängden radioaktivt avfall, men innehåller bara omkring 1 % av radioaktiviteten.

Kärnavfall innebär allvarliga tekniska problem som måste lösas för att kärnkraften ska vara säker för allmänheten. Till skillnad från kol, olja eller gas brinner kärnbränsle aldrig upp helt. Det beror på att det under ”förbränningen” bildas ett antal kärnor som absorberar neutroner kraftigt. Med tiden kommer de neutroner som bildas vid fission mest att absorberas av produkter från tidigare reaktioner. Ökningen av deras antal i en enda fission räcker då inte för att upprätthålla kedjereaktionen. Då kan bränsleelementet inte längre fungera som bränsle utan blir högradioaktivt kärnavfall.

Dessutom är halveringstiderna för de grundämnen som bildas vid fission ofta så långa som tiotusentals eller till och med hundratusentals år, så man måste vara särskilt noggrann när man förvarar sådant avfall och måste förvara det säkert under väääldigt lång tid. Det är detta som skapar allvarliga sociala, politiska och regelmässiga problem med slutförvaringen av detta avfall.

I forskningsreaktorer som inte producerar så mycket använt bränsle är det enklaste sättet att använda en vattenbassäng, som oftast är placerad bredvid reaktorbassängen. Det använda bränslet kan förvaras där så länge korrosionen i bränslekapslingarna tillåter, vanligen omkring 30-40 år. Under tiden sjunker temperaturen i de använda bränslestavarna, och naturliga sönderfallsprocesser minskar deras aktivitet. Ytterligare 40 eller 50 års förvaring måste gå innan det använda bränslets aktivitet är tillräckligt låg för att det ska kunna skickas till slutförvaret för kärnavfall.

I kärnkraftverk kan liknande metoder användas. Efter några års förvaring i vattenbassängen flyttas bränslet dock till upparbetningsanläggningar, där det kan genomgå en kemisk process där de fissila grundämnena (uran och plutonium och andra transuraner) återvinns och så småningom används för att tillverka nytt reaktorbränsle. Det återstående materialet, som mest är i flytande form, förglasas, kapslas in i stora metallbehållare och skickas till slutförvaret. Denna teknik är inte särskilt utbredd, eftersom den kräver en högteknologisk miljö. Om det använda bränslet inte upparbetas måste det förvaras direkt, i lämpliga metallbehållare, i särskilda förvar djupt under jord: till exempel i gamla saltgruvor, i lera eller i granitberggrund.

Förvaring av kärnavfall 500-1000m under markytan ger högre säkerhet än förvaring på markytan. Den strålning som sänds ut efter, säg, 1000 år kommer att ligga på samma nivå som den naturliga strålningen i de översta 1000m av jordskorpan. Om vi lär oss att transmutera och förbränna kärnavfall blir problemet naturligtvis ännu lättare att lösa. Djupförvar utgör ingen verklig fara för människor som bor nära förvaren, om inte någon av misstag försöker använda området till något annat och börjar borra. Även i så fall skulle faran förbli lokal och absolut inte nå globala proportioner.

När man diskuterar riskerna med industriellt kärnavfall glömmer man ofta att jordskorpan själv innehåller många radioaktiva grundämnen som ständigt diffunderar upp mot ytan och utgör en del av den naturliga radioaktiva bakgrunden.

Som bilden ovan visar bidrar kärnavfall bara med en liten del av bakgrundsstrålningen. Till exempel kommer allt radioaktivt avfall som hade samlats fram till år 2000, efter att ha fått svalna i 500 år, att ha en aktivitet som motsvarar den naturliga radioaktiviteten i ett markstycke på 30x30x2km (2 kilometer är det typiska djupet för ett underjordiskt slutförvar).

Man börjar med att bryta uranmalm. Malmen krossas och mals sedan till ett fint pulver. Slutligen genomgår den en kemisk process som gör det möjligt att skilja ut uranet ur malmen. Resultatet är uranoxid, U₃O₈. För att driva ett kärnkraftverk som producerar, säg, 1000 MW elektrisk effekt behöver man omkring 200 ton U₃O₈ per år.

Nästa steg består i att anrika uranet med ²³⁵U. Processen börjar med att triuranoktoxiden omvandlas till gasformig uranhexafluorid (UF₆). Snabbroterande centrifuger används för att dela upp gasen i två delar: när ²³⁸U avskiljs blir den ena strömmen anrikad på ²³⁵U, medan den andra blir utarmad på ²³⁵U. Den första används för tillverkning av kärnbränsle, medan den andra, ”utarmat uran”, till exempel kan användas i metallisk form som ett mycket effektivt skydd mot gammastrålning.

När bränslet har förbrukats i en kärnreaktor förvaras det använda bränslet och upparbetas sedan antingen för att återvinna fissila grundämnen (²³⁵U och ²³⁹Pu) ur det eller förbereds för långtidsförvaring utan upparbetning.

Det finns ett starkt incitament att minska volymen och radiotoxiciteten hos det högaktiva avfall (HLW) som ska förvaras djupt under jord med en faktor 100 eller mer. Det visar sig att omkring 97 % av det använda bränslet kan återvinnas, medan resten blir kvar som högradioaktivt kärnavfall. Det återvunna uranet innehåller bara omkring 1 % ²³⁵U (så kallat utarmat uran). Förutom geologisk slutförvaring finns det också intresse för teknik för separation och transmutation (P&T), som skulle göra det möjligt att avskilja aktiniderna (särskilt Pu), de så kallade mindre aktiniderna (Np, Am och Cm) och vissa långlivade fissionsprodukter och transmutera dem till kortlivade eller till och med stabila produkter.

Vägtransport av använt kärnbränsle i Japan (bildkälla: The Energy Library):

I motsats till vad många tror är transporter av använt bränsle inte farliga. Vi kan konstatera att det under de senaste 40 åren har registrerats omkring 3000 transporter av använt bränsle bara i USA. Bränslet transporterades med lastbil och tåg en sammanlagd sträcka på omkring 2,5 miljoner kilometer, utan att en enda olycka inträffade. Inte heller i Europa har några olyckor inträffat vid transporter av använt bränsle. Säkerheten garanteras till stor del av de tunga (~120 ton) stålbehållare som används vid transporten. Väggarna är vanligen omkring 50 cm tjocka – ungefär 15 gånger tjockare än i de tankar som används för att transportera bensin. För varje ton använt bränsle används vanligen tre gånger så mycket material till behållaren och den biologiska skärmen. Sådana behållare är byggda för att tåla en 30 minuter lång brand och ett fall på 9 m ner på betong. De är till och med byggda för att tåla en kollision med ett jetflygplan! I varje behållare finns aldrig mer än 9-12 använda bränsleelement. På senare tid har man börjat ändra behållarnas konstruktion så att de också ska tåla eventuella terrorattacker.

Förutom det kärnavfall som produceras av kärnreaktorer och militär verksamhet uppstår kärnavfall överallt där strålkällor används. Det kommer från sjukhus (med nuklearmedicinska avdelningar och strålbehandlingsavdelningar), från forskning vid universitet och i industrin och från industriell användning av strålkällor (till exempel i pappersindustrin, i uran- och kolgruvor, i brandvarnare osv.). Till skillnad från det använda bränslet har detta avfall enbart låg eller medelhög aktivitet och för det mesta ganska kort livslängd. Sådant avfall pressas vanligen samman innan det slutligen förvaras i särskilda behållare som förhindrar att radioaktivt material läcker ut i miljön.

Det finns några möjliga alternativ till långtidsförvaring av kärnavfall. Transmutation är en process där man genom neutroninfångning omvandlar en långlivad radioaktiv isotop till en annan som har kortare halveringstid eller kanske till och med är stabil. Förbränning är däremot en process där neutroninfångning leder till att det bildas en isotop som sönderfaller till ett stabilt grundämne genom fission. Det pågår omfattande arbete för att göra båda typerna av reaktioner kommersiellt effektiva. Acceleratordrivna system och idén om den så kallade energiförstärkaren ger hopp om att det kärnavfall som hittills samlats, och det som kommer att produceras, ska kunna omvandlas till kortlivat avfall som är lättare att förvara.