Du har helt sikkert hørt om atombomber (kernevåben) – et eksempel på militær brug af kerneenergi. En atombombe er en anordning, hvor der finder en ukontrolleret kædereaktion sted i fissilt materiale. Denne proces er ekstremt hurtig, så energien hobes op, og temperaturen bliver ekstremt høj og når titusinder af millioner grader.

Little Boy (billedkilde: U.S. National Archives, RG 77-AEC, frigivet i 1960).

Trykket i det fissile materiale ved en sådan temperatur bliver enormt, og anordningen eksploderer. For at det kan ske, skal bomben indeholde en kritisk masse (endda en overkritisk masse) af fissilt materiale. Det betyder dog ikke, at alt materialet spaltes. Eksplosionen sker, før alle ²³⁵U-kerner når at blive spaltet – i bomben, der blev kastet over Hiroshima, blev for eksempel kun omkring 2 % af urankernerne spaltet. Det var stadig nok til at forårsage enorme ødelæggelser.

Sådanne bombers dræbende kraft rejser vigtige etiske spørgsmål om forskning i og udvikling af sådanne våben.

Muligheden for, at terrorister kan skaffe sig og bruge kernevåben, er en akut og potentielt katastrofal udfordring for den globale sikkerhed. I april 2010 satte Nuclear Security Summit i Washington, D.C., fokus på truslen fra nuklear terrorisme, og deltagerne indgik konkrete aftaler om blandt andet at øge sikkerheden omkring nukleare materialer og begrænse tilgængeligheden af plutonium og højt beriget uran.

Kerneenergi kan bruges i meget små anordninger som batterier. Når man udforsker planeterne og rummet, har man brug for langtidsholdbare og effektive batterier (faktisk drives de såkaldte pacemakere, som bruges af mennesker med alvorlige hjertesygdomme, også af den slags batterier). Radioaktive strømkilder har været brugt til dette formål siden 1961.

Der findes to slags sådanne strømkilder:

1) termioniske radioisotopgeneratorer, hvor kernevarmen bruges til at skabe en elektrisk spændingsforskel mellem to metalelektroder, og

2) RTG – radioisotop-termoelektriske generatorer, hvor henfaldsvarmen fra f.eks. ²³⁸Pu (0,56 W/g) bruges til at opvarme en p-n-halvlederovergang (termoelement)

Voyager-rumsonderne, Galileo-missionen til Jupiter og Cassini-missionen til Saturn får alle deres strøm fra RTG’er. Mars-køretøjerne Spirit og Opportunity har brugt solpaneler til elektricitet og RTG’er til varme. Mars-køretøjet Curiosity bruger RTG’er til både varme og elektricitet, da solpaneler alene ikke ville kunne levere nok strøm.

Der er bygget små atomreaktorer med enten termoelektriske eller termioniske omformere, og de er under udvikling til forskellige anvendelser i rumfartøjer, for eksempel til fremdrift.

Brug af kernebrændsel i en atomreaktor giver et energiudbytte, der er omkring 100 millioner (10⁸) gange større end det, man får ved at bruge en tilsvarende mængde kemiske reaktanter!

Der er indtil nu udviklet to fremdriftssystemer med atomreaktorer. Det første, det såkaldte nukleare termiske fremdriftssystem (kort NTR for Nuclear Thermal Rockets), går ud på at opvarme brintdrivmiddel, der opbevares i flydende form ved lave temperaturer. Brintgassen, der har en temperatur på omkring 2500 °C, udstødes derefter gennem en dyse og giver fremdrift. Det andet system, nuklear-elektrisk fremdrift (NEP), går ud på at omdanne kerneenergi til elektrisk energi og derefter bruge denne elektriske energi til at drive en elektromagnetisk anordning, som accelererer ioner til meget høje hastigheder. De accelererede ioner passerer en neutralisator i dysen og danner en stråle af neutrale atomer, som forlader motoren og giver fremdrift. Denne form for fremdrift er blevet brugt på talrige, hovedsageligt sovjetiske, missioner i kredsløb. Især ved langvarige missioner er nuklear fremdrift klart en fordel frem for kemisk fremdrift.

Brug af kerneenergi i ubåde og fly blev overvejet næsten fra begyndelsen af atomreaktorernes historie. Farerne ved at bruge atomreaktorer i fly forhindrede, at idéen for alvor blev udviklet i hverken civile eller militære fly, selvom idéen er blevet udviklet, brugt og stadig er under udvikling til fremdrift af rumfartøjer. Nuklear fremdrift bruges dog med stor succes i moderne militære og civile skibe.

USA’s første atomdrevne ubåd, “Nautilus”, som man begyndte at bygge allerede i 1946, og som blev søsat i 1954, var den første, der krydsede Nordpolen under den arktiske iskappe, den 23. juli 1958. Det tidligere Sovjetunionens atomdrevne isbryder “Arktika” var det første overfladeskib, der nåede Nordpolen, den 17. august 1977. USA byggede også hangarskibe. Det første, USS Enterprise, blev søsat i 1960. Det første fragtskib, NS Savannah, blev søsat i USA i 1959. Japan søsatte handelsskibet Mutsu i 1962.

Reaktorerne til skibsbrug er af PWR-typen. Alle russiske ubåde og alle overfladeskibe drives af to reaktorer. Derfor er det vigtigt, at disse reaktorer er så kompakte som muligt. Oprindeligt opnåede man det ved at bruge højt beriget kernebrændsel: ²³⁵U-koncentrationer på 90 %. I nyere tid er berigelser på omkring 20-25 % i amerikanske reaktorkerner og omkring 50 % i russiske dog mere almindelige.

Ved første øjekast kunne det virke naturligt at ønske sig biler drevet af kerneenergi. Især ville motoren kunne køre i mange år uden at skulle have skiftet brændselselementerne. Energikilden – i virkeligheden en lille atomreaktor – ville dog producere neutroner, som er ioniserende stråling med stor gennemtrængningsevne. Denne stråling ville være skadelig for alle i bilen og endda for fodgængere omkring bilen. For ikke at udsætte føreren og passagererne for neutronstråling skulle kernens biologiske skjold være meget voluminøst og meget tungt – noget, der ikke rigtig passer med vores nuværende forestilling om en praktisk personbil.

Men selv hvis det lykkedes at bygge en sikker bil med f.eks. effektive termoelektriske omformere, ville der stadig være problemet med at holde styr på de radioaktive materialer.

Ford Nucleon var en skalamodel af en konceptbil, som Ford Motor Company udviklede i 1958 som et bud på, hvordan en atomdrevet bil kunne se ud. Designet havde ikke nogen forbrændingsmotor; i stedet skulle køretøjet drives af en lille atomreaktor bag i bilen, ud fra en forventning om, at det en dag ville blive muligt, efterhånden som størrelserne skrumpede. Bilen skulle bruge en dampmaskine drevet af uranfission, på samme måde som atomubåde fungerer.

Brint spiller en stigende rolle i kemien, i landbruget (produktion af kvælstofgødning), i olieindustrien og som en mulig energikilde, dvs. som brændstof. Man kunne forvente, at blandt de mange mulige anvendelser af brint vil brugen i brændselsceller blive den mest udbredte. I lyset af den voksende interesse for brint vurderer man, at den energi, der skal bruges til at producere den, snart kan blive lige så stor som den nuværende produktion af elektrisk energi.

Man er derfor meget interesseret i effektive energikilder, der kan producere brint, og her kunne atomreaktorer være en afgørende hjælp. Reaktorer kan producere elektrisk energi til elektrolyse af vand. Den nukleare varmeenergi kan også bruges til at producere brint ud fra naturgas og, ved termokemiske processer, ud fra vand. I modsætning til den kemiske proces, hvor naturgas omdannes med damp (dampreformering), har de termokemiske reaktioner den fordel, at der ikke dannes kuldioxid. Da der i begge tilfælde kræves relativt høje temperaturer (1000-1300K), vil man sandsynligvis bruge højtemperaturreaktorer til formålet. Sådanne reaktorer kunne i løbet af dagen fungere som almindelige atomkraftværker og levere elektricitet til nettet og om natten producere brint, så brintleverancen til næste dag er klar.

Kerneenergi bruges allerede til afsaltning af vand – et problem af afgørende betydning for en stor del af verden, der lider under mangel på drikkevand, et særligt alvorligt problem i Asien og Nordafrika. Sådanne reaktorer kan desuden producere elektricitet, dvs. fungere som små atomkraftværker. Et eksempel på en atomreaktor, der producerer både elektricitet og afsaltet vand, er den hurtige reaktor BN-350 i Aktau i Kasakhstan. Japan, Rusland og Canada har alle erfaring med atomreaktorer til afsaltning af vand, og Det Internationale Atomenergiagentur (IAEA) arbejder aktivt for at fremme denne anvendelse af kerneenergi. Idéen er at bruge atomkraftværkerne til at producere elektricitet til nettet i perioder med størst efterspørgsel og, når efterspørgslen falder, at bruge en del af den producerede elektricitet til afsaltning. Der udvikles projekter i Indien, Kina, Rusland, Pakistan, Tunesien, Marokko, Egypten, Algeriet, Iran, Sydkorea, Indonesien og Argentina.

Neutroner er partikler af stor videnskabelig interesse. De har måske ingen ladning, men de opfører sig som bittesmå magneter: Vi siger, at de har et magnetisk moment. Frie neutroner henfalder til en proton, en elektron og en antineutrino med en halveringstid på 10,25 minutter, så neutroner, der dannes i Solen, har ingen chance for at nå vores planet. Selvom de angiveligt ikke har nogen elektrisk ladning, leder fysikerne stadig efter en lillebitte ladning; det ville være forsidestof, hvis man fandt en sådan ladning. Indtil nu har vi bevist, at ladningen må være mindre end 10^-21 elementarladninger! Men vi ved, at der er positive og negative ladninger inde i en neutron, og det får os til at undre os over, om de danner en såkaldt elektrisk dipol, hvor de positive og negative ladninger er adskilt af en lille afstand. Indtil nu er det eksperimentelt bevist, at en sådan adskillelse må være mindre end 10^-26cm, hvilket vidner om, hvor nøjagtige nutidens eksperimenter er.

For at udføre sådanne undersøgelser har man brug for mange neutroner, og atomreaktorer er yderst nyttige, da de er gigantiske neutronfabrikker. Reaktorer, der er konstrueret til at producere neutroner til eksperimenter, kaldes forskningsreaktorer. Forskningsreaktorer har talrige anvendelser inden for videnskab, medicin og teknologi.

TRIGA-forskningsreaktor ved AERE i Bangladesh (billedkredit: IAEA).

De mest udbredte neutronkilder til forskning er reaktorer med konstant drift, som producerer neutroner kontinuerligt. I de fleste af dem er reaktorkernen nedsænket i et vandbassin. Vandet er en del af kølesystemet, fungerer som biologisk skjold og er også en del af neutronmoderatoren. Alle atomkraftværker bruger reaktorer med konstant drift.

Der findes også pulserende neutronkilder, som udsender periodiske udbrud af neutroner. Nogle af dem bruger en spallationsreaktion i stedet for fission.

En proces, der i dag kræver stor kunnen, fandt faktisk spontant sted i naturen for omkring to milliarder år siden. I uranminen Oklo i Gabon i Vestafrika gjorde man i juni 1972 en sensationel opdagelse. Man fandt ud af, at indholdet af ²³⁵U i uranmalmen var betydeligt mindre end de 0,72 %, man finder alle andre steder. Hvordan kunne det være?

Da ²³⁵U har kortere halveringstid end ²³⁸U, må den relative forekomst af ²³⁵U i uran for 2 milliarder år siden have ligget på 3-4 % i stedet for de typiske 0,72 %. Men en berigelse af uran med 3-4 % ²³⁵U er ganske typisk for nutidens kraftværksreaktorer. De hydrogeologiske forhold omkring den berigede uranmalm var gunstige for en kædereaktion. Vand er en god neutronmoderator og kan også fungere som reflektor. ‘Reaktoren’ kunne arbejde, når der var vand til stede. Når vandet fordampede, standsede reaktoren, indtil der igen var frisk vand i nærheden af uranmalmen. Malmen blev efterhånden fattigere og fattigere på ²³⁵U, så det, man opdagede i 1972, var ²³⁵U, der var blevet udarmet af denne naturlige fissions-‘reaktor’.

Man anslår, at disse naturlige reaktorer (indtil nu er der opdaget 17 fossile reaktorer i Oklo) var i drift i omkring 1 million år. Undersøgelserne har vist, at Oklo-reaktorerne også avlede ²³⁹Pu, som henfaldt (ved alfahenfald) til ²³⁵U, så de var naturlige formeringsreaktorer! Oklo var en gave til menneskeheden, fordi undersøgelser af, hvordan Oklos langlivede fissionsfragmenter spredes gennem jorden, gør det muligt at vurdere effektiviteten af de underjordiske depoter for radioaktivt affald, der er under opførelse i dag.