Du har sikkert hørt om atombomber (kjernevåpen) – et eksempel på militær bruk av kjerneenergi. En atombombe er en innretning der det skjer en ukontrollert kjedereaksjon i fissilt materiale. Prosessen er ekstremt rask, slik at energien hoper seg opp og temperaturen blir ekstremt høy og når titalls millioner grader.

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

Trykket i det fissile materialet ved en slik temperatur blir enormt, og innretningen eksploderer. For at dette skal skje, må bomben inneholde en kritisk masse (til og med en overkritisk masse) av fissilt materiale. Det betyr imidlertid ikke at alt materialet spaltes. Eksplosjonen skjer før alle ²³⁵U-kjernene rekker å spaltes – i bomben som ble sluppet over Hiroshima, ble for eksempel bare omtrent 2 % av urankjernene spaltet. Det var likevel nok til å forårsake enorme ødeleggelser.

Den drepende kraften til slike bomber reiser viktige etiske spørsmål om forskning på og utvikling av slike våpen.

Muligheten for at terrorister kan skaffe seg og bruke kjernevåpen, er en akutt og potensielt katastrofal utfordring for den globale sikkerheten. I april 2010 satte Nuclear Security Summit i Washington, D.C., søkelyset på trusselen fra kjernefysisk terrorisme, og deltakerne inngikk konkrete avtaler om blant annet å øke sikkerheten rundt kjernefysiske materialer og redusere tilgangen på plutonium og høyanriket uran.

Kjerneenergi kan brukes i svært små innretninger, som batterier. Når man utforsker planetene og verdensrommet, trenger man langvarige og effektive batterier (faktisk drives også de såkalte pacemakerne, som brukes av mennesker med alvorlige hjertesykdommer, av slike batterier). Radioaktive strømkilder har vært brukt til dette formålet siden 1961.

Det finnes to typer slike strømkilder:

1) termioniske radioisotopgeneratorer, der kjernevarmen brukes til å skape en elektrisk potensialforskjell mellom to metallelektroder, og

2) RTG – radioisotop-termoelektriske generatorer, der henfallsvarmen fra f.eks. ²³⁸Pu (0,56 W/g) brukes til å varme opp en p-n-halvlederovergang (termoelement)

Romsondene Voyager, Galileo-ferden til Jupiter og Cassini-ferden til Saturn drives alle av RTG-er. Marskjøretøyene Spirit og Opportunity har brukt solcellepaneler til strøm og RTG-er til varme. Marskjøretøyet Curiosity bruker RTG-er til både varme og strøm, siden solcellepaneler alene ikke ville kunne levere nok strøm.

Det er bygd små kjernereaktorer med enten termoelektriske eller termioniske omformere, og de utvikles for ulike anvendelser i romfartøyer, for eksempel til framdrift.

Bruk av kjernebrensel i en kjernereaktor gir et energiutbytte som er omtrent 100 millioner (10⁸) ganger større enn det man får fra en tilsvarende mengde kjemiske reaktanter!

Det er hittil utviklet to framdriftssystemer med kjernereaktorer. Det første, det såkalte kjernetermiske framdriftssystemet (forkortet NTR for Nuclear Thermal Rockets), går ut på å varme opp hydrogendrivstoff som lagres i flytende form ved lave temperaturer. Hydrogengassen, som holder omtrent 2500 °C, støtes så ut gjennom en dyse og gir skyvekraft. Det andre systemet, kjerneelektrisk framdrift (NEP), går ut på å omdanne kjerneenergi til elektrisk energi og deretter bruke denne elektriske energien til å drive en egnet elektromagnetisk innretning som akselererer ioner til svært høye hastigheter. De akselererte ionene passerer en nøytralisator i dysen og danner en stråle av nøytrale atomer som forlater motoren og gir skyvekraft. Denne typen framdrift ble brukt i en lang rekke, hovedsakelig sovjetiske, ferder i bane rundt Jorda. Særlig ved langvarige ferder er kjernefysisk framdrift klart å foretrekke framfor kjemisk framdrift.

Bruk av kjerneenergi i ubåter og fly ble vurdert nesten helt fra begynnelsen av kjernereaktorenes historie. Farene ved å bruke kjernereaktorer i fly gjorde at ideen aldri ble utviklet for alvor, verken for sivile eller militære fly, selv om ideen er utviklet, brukt og fortsatt utvikles for framdrift av romfartøyer. Kjernefysisk framdrift brukes imidlertid med stor suksess i moderne marinefartøyer og sivile skip.

USAs første atomdrevne ubåt, «Nautilus», som man begynte å bygge allerede i 1946, og som ble sjøsatt i 1954, var den første som krysset Nordpolen under den arktiske iskappen, den 23. juli 1958. Det tidligere Sovjetunionens atomdrevne isbryter «Arktika» var det første overflatefartøyet som nådde Nordpolen, den 17. august 1977. USA bygde også hangarskip. Det første, USS Enterprise, ble sjøsatt i 1960. Det første lasteskipet, NS Savannah, ble sjøsatt i USA i 1959. Japan sjøsatte handelsskipet Mutsu i 1962.

Reaktorene som brukes i skip, er av PWR-typen. Alle russiske ubåter og alle overflatefartøyer drives av to reaktorer. Derfor er det viktig at disse reaktorene er så kompakte som mulig. Opprinnelig oppnådde man dette ved å bruke høyanriket kjernebrensel: ²³⁵U-konsentrasjoner på 90 %. I nyere tid er anrikninger på omtrent 20-25 % i amerikanske reaktorkjerner og omtrent 50 % i russiske imidlertid mer vanlig.

Ved første øyekast kunne det virke naturlig å ønske seg biler drevet av kjerneenergi. Særlig ville motoren kunne gå i mange år uten at brenselselementene måtte skiftes. Energikilden – i virkeligheten en liten kjernereaktor – ville imidlertid produsere nøytroner, som er ioniserende stråling med stor gjennomtrengningsevne. Denne strålingen ville være skadelig for alle i bilen og til og med for fotgjengere rundt bilen. For ikke å utsette sjåføren og passasjerene for nøytronstråling måtte kjernens biologiske skjold være svært stort og svært tungt – noe som ikke helt passer med dagens forestilling om en praktisk personbil.

Men selv om man klarte å bygge en trygg bil med for eksempel effektive termoelektriske omformere, ville man fortsatt ha problemet med å holde kontroll på de radioaktive materialene.

Ford Nucleon var en skalamodell av en konseptbil som Ford Motor Company utviklet i 1958 som et forslag til hvordan en atomdrevet bil kunne se ut. Konstruksjonen hadde ingen forbrenningsmotor; i stedet skulle kjøretøyet drives av en liten kjernereaktor bak i bilen, ut fra antakelsen om at dette en dag ville bli mulig etter hvert som størrelsene krympet. Bilen skulle bruke en dampmaskin drevet av uranfisjon, på samme måte som atomubåter fungerer.

Hydrogen spiller en stadig større rolle i kjemien, i landbruket (produksjon av nitrogengjødsel), i oljeindustrien og som en mulig energikilde, det vil si som brensel. Man kunne vente at blant de mange mulige bruksområdene for hydrogen vil bruken i brenselceller bli den mest utbredte. I lys av den økende interessen for hydrogen anslår man at energien som trengs for å produsere det, snart kan bli like stor som dagens produksjon av elektrisk energi.

Man er derfor svært interessert i effektive energikilder som kan produsere hydrogen, og her kunne kjernereaktorer være til stor hjelp. Reaktorer kan produsere elektrisk energi til elektrolyse av vann. Den kjernefysiske varmeenergien kan også brukes til å produsere hydrogen fra naturgass og, ved termokjemiske prosesser, fra vann. I motsetning til den kjemiske prosessen der naturgass omdannes med damp (dampreformering), har de termokjemiske reaksjonene den fordelen at det ikke dannes karbondioksid. Siden det i begge tilfeller kreves relativt høye temperaturer (1000-1300K), vil man sannsynligvis bruke høytemperaturreaktorer til dette formålet. Slike reaktorer kunne om dagen fungere som vanlige kjernekraftverk og levere strøm til nettet, og om natten produsere hydrogen til neste dags leveranser.

Kjerneenergi brukes allerede til avsalting av vann – et problem av største betydning for en stor del av verden som lider under mangel på drikkevann, et særlig alvorlig problem i Asia og Nord-Afrika. Slike reaktorer kan i tillegg produsere strøm, det vil si fungere som små kjernekraftverk. Et eksempel på en kjernereaktor som produserer både strøm og avsaltet vann, er den raske reaktoren BN-350 i Aktau i Kasakhstan. Japan, Russland og Canada har alle erfaring med kjernereaktorer til avsalting av vann, og Det internasjonale atomenergibyrået (IAEA) arbeider aktivt for å fremme denne bruken av kjerneenergi. Ideen er å bruke kjernekraftverkene til å produsere strøm til nettet i perioder med størst etterspørsel, og når etterspørselen faller, bruke en del av den produserte strømmen til avsalting. Det utvikles prosjekter i India, Kina, Russland, Pakistan, Tunisia, Marokko, Egypt, Algerie, Iran, Sør-Korea, Indonesia og Argentina.

Nøytroner er partikler av stor vitenskapelig interesse. De har riktignok ingen ladning, men de oppfører seg som bitte små magneter: Vi sier at de har et magnetisk moment. Frie nøytroner henfaller til et proton, et elektron og et antinøytrino med en halveringstid på 10,25 minutter, så nøytroner som dannes i Sola, har ingen sjanse til å nå vår planet. Selv om de angivelig ikke har noen elektrisk ladning, leter fysikerne fortsatt etter en bitte liten ladning; det ville bli førstesidestoff om en slik ladning ble funnet. Hittil har vi vist at ladningen må være mindre enn 10^-21 elementærladninger! Men vi vet at det finnes positive og negative ladninger inne i et nøytron, og det får oss til å lure på om de danner en såkalt elektrisk dipol, der de positive og negative ladningene er atskilt av en liten avstand. Hittil er det eksperimentelt vist at en slik atskillelse må være mindre enn 10^-26cm, noe som vitner om hvor nøyaktige dagens eksperimenter er.

For å gjøre slike undersøkelser trenger man mange nøytroner, og kjernereaktorer er svært nyttige fordi de er gigantiske nøytronfabrikker. Reaktorer som er konstruert for å produsere nøytroner til eksperimenter, kalles forskningsreaktorer. Forskningsreaktorer har mange anvendelser innen vitenskap, medisin og teknologi.

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

De vanligste nøytronkildene for forskning er reaktorer med kontinuerlig drift, som produserer nøytroner hele tiden. I de fleste av dem er reaktorkjernen senket ned i et vannbasseng. Vannet er en del av kjølesystemet, fungerer som biologisk skjold og er også en del av nøytronmoderatoren. Alle kjernekraftverk bruker reaktorer med kontinuerlig drift.

Det finnes også pulsede nøytronkilder som gir periodiske støt av nøytroner. Noen av dem bruker en spallasjonsreaksjon i stedet for fisjon.

En prosess som i dag krever stor dyktighet, skjedde faktisk spontant i naturen for omtrent to milliarder år siden. I urangruva Oklo i Gabon i Vest-Afrika gjorde man en oppsiktsvekkende oppdagelse i juni 1972. Man fant ut at innholdet av ²³⁵U i uranmalmen var betydelig lavere enn de 0,72 % man finner alle andre steder. Hvordan kunne det ha seg?

Siden ²³⁵U har kortere halveringstid enn ²³⁸U, må den relative forekomsten av ²³⁵U i uran for 2 milliarder år siden ha ligget på 3-4 % i stedet for de typiske 0,72 %. Men en anrikning av uran til 3-4 % ²³⁵U er helt vanlig for dagens kraftreaktorer. De hydrogeologiske forholdene rundt den anrikede uranmalmen var gunstige for en kjedereaksjon. Vann er en god nøytronmoderator og kan også fungere som reflektor. ‘Reaktoren’ kunne fungere når det var vann til stede. Når vannet fordampet, stoppet reaktoren, til det igjen fantes friskt vann i nærheten av uranmalmen. Malmen ble etter hvert stadig fattigere på ²³⁵U, slik at det man oppdaget i 1972, var ²³⁵U som var blitt utarmet av denne naturlige fisjons-‘reaktoren’.

Man anslår at disse naturlige reaktorene (hittil er det oppdaget 17 fossile reaktorer i Oklo) var i drift i omtrent 1 million år. Undersøkelsene har vist at Oklo-reaktorene også avlet fram ²³⁹Pu, som henfalt (ved alfahenfall) til ²³⁵U, så de var naturlige formeringsreaktorer! Oklo var en gave til menneskeheten, fordi studier av hvordan Oklos langlivede fisjonsfragmenter sprer seg gjennom grunnen, gjør det mulig å vurdere hvor effektive de underjordiske lagrene for radioaktivt avfall som bygges i dag, vil være.