Du har säkert hört talas om atombomber (kärnvapen) – ett exempel på militär användning av kärnenergi. En atombomb är en anordning där en okontrollerad kedjereaktion sker i fissilt material. Processen är extremt snabb, så energin byggs upp och temperaturen blir extremt hög och når tiotals miljoner grader.

Little Boy (bildkälla: U.S. National Archives, RG 77-AEC, avhemligad 1960).

Trycket i det fissila materialet vid en sådan temperatur blir enormt, och anordningen exploderar. För att det ska ske måste bomben innehålla en kritisk massa (till och med en överkritisk massa) av fissilt material. Det betyder dock inte att allt material klyvs. Explosionen sker innan alla ²³⁵U-kärnor hinner klyvas – i bomben som fälldes över Hiroshima klövs till exempel bara omkring 2 % av urankärnorna. Det räckte ändå för att orsaka enorm förödelse.

Sådana bombers dödande kraft väcker viktiga etiska frågor om forskning om och utveckling av sådana vapen.

Möjligheten att terrorister skulle kunna skaffa och använda kärnvapen är en akut och potentiellt katastrofal utmaning för den globala säkerheten. I april 2010 fokuserade Nuclear Security Summit i Washington, D.C., på hotet från kärnvapenterrorism, och deltagarna slöt konkreta avtal om bland annat ökad säkerhet kring nukleära material och minskad tillgång till plutonium och höganrikat uran.

Kärnenergi kan användas i mycket små anordningar som batterier. När man utforskar planeterna och rymden behöver man långlivade och effektiva batterier (faktum är att så kallade pacemakers, som används av människor med allvarliga hjärtsjukdomar, också drivs av sådana batterier). Radioaktiva strömkällor har använts för detta ändamål sedan 1961.

Det finns två sorters sådana strömkällor:

1) termjoniska radioisotopgeneratorer, där kärnvärmen används för att skapa en elektrisk potentialskillnad mellan två metallelektroder, och

2) RTG – radioisotoptermoelektriska generatorer, där sönderfallsvärmen från t.ex. ²³⁸Pu (0,56 W/g) används för att värma upp en p-n-halvledarövergång (termoelement)

Rymdsonderna Voyager, Galileo-uppdraget till Jupiter och Cassini-uppdraget till Saturnus drivs alla av RTG:er. Marsbilarna Spirit och Opportunity har använt solpaneler för elektricitet och RTG:er för värme. Marsbilen Curiosity använder RTG:er för både värme och elektricitet, eftersom solpaneler ensamma inte skulle kunna ge tillräckligt med el.

Små kärnreaktorer med antingen termoelektriska eller termjoniska omvandlare har byggts och utvecklas för olika tillämpningar i rymdfarkoster, till exempel för framdrivning.

Användning av kärnbränsle i en kärnreaktor ger ett energiutbyte som är omkring 100 miljoner (10⁸) gånger större än det man får av en motsvarande mängd kemiska reaktanter!

Hittills har två framdrivningssystem med kärnreaktorer utvecklats. Det första, det så kallade nukleära termiska framdrivningssystemet (förkortat NTR för Nuclear Thermal Rockets), går ut på att värma upp vätedrivmedel som förvaras i flytande form vid låga temperaturer. Vätgasen, som håller omkring 2500 °C, stöts sedan ut genom ett munstycke och ger dragkraft. Det andra systemet, nukleär-elektrisk framdrivning (NEP), går ut på att omvandla kärnenergi till elektrisk energi och sedan använda denna elektriska energi för att driva en lämplig elektromagnetisk anordning som accelererar joner till mycket höga hastigheter. De accelererade jonerna passerar en neutralisator i munstycket och bildar en stråle av neutrala atomer som lämnar motorn och ger dragkraft. Den här typen av framdrivning användes i ett stort antal, främst sovjetiska, uppdrag i omloppsbana. Särskilt vid långvariga uppdrag är kärnkraftsdriven framdrivning helt klart att föredra framför kemisk framdrivning.

Att använda kärnenergi i ubåtar och flygplan övervägdes nästan från början av kärnreaktorernas historia. Riskerna med att använda kärnreaktorer i flygplan gjorde att idén aldrig utvecklades på allvar för vare sig civila eller militära flygplan, även om idén har utvecklats, använts och fortfarande utvecklas för framdrivning av rymdfarkoster. Kärnkraftsdriven framdrivning används däremot med stor framgång i moderna militära och civila fartyg.

USA:s första atomubåt, ”Nautilus”, som man började bygga redan 1946 och som sjösattes 1954, var den första som korsade Nordpolen under den arktiska isen, den 23 juli 1958. Före detta Sovjetunionens atomdrivna isbrytare ”Arktika” var det första ytfartyg som nådde Nordpolen, den 17 augusti 1977. USA byggde också hangarfartyg. Det första, USS Enterprise, sjösattes 1960. Det första fraktfartyget, NS Savannah, sjösattes i USA 1959. Japan sjösatte handelsfartyget Mutsu 1962.

De reaktorer som används i fartyg är av PWR-typ. Alla ryska ubåtar och alla ytfartyg drivs av två reaktorer. Därför är det viktigt att dessa reaktorer är så kompakta som möjligt. Från början uppnådde man det genom att använda höganrikat kärnbränsle: ²³⁵U-koncentrationer på 90 %. På senare tid är anrikningar på omkring 20-25 % i amerikanska reaktorhärdar och omkring 50 % i ryska dock vanligare.

Vid första anblicken kan det verka naturligt att vilja driva bilar med kärnenergi. Framför allt skulle motorn kunna gå i många år utan att bränsleelementen behövde bytas. Energikällan – i själva verket en liten kärnreaktor – skulle dock producera neutroner, som är joniserande strålning med stor genomträngningsförmåga. Denna strålning skulle vara skadlig för alla i bilen och till och med för fotgängare runt bilen. För att föraren och passagerarna inte skulle utsättas för neutronstrålning skulle härdens biologiska skärm behöva vara mycket skrymmande och mycket tung – något som inte riktigt passar in i vår nuvarande bild av en praktisk personbil.

Men även om man lyckades bygga en säker bil med t.ex. effektiva termoelektriska omvandlare skulle problemet med att hålla kontroll över de radioaktiva materialen kvarstå.

Ford Nucleon var en skalmodell av en konceptbil som Ford Motor Company tog fram 1958 som ett förslag på hur en atomdriven bil skulle kunna se ut. Konstruktionen hade ingen förbränningsmotor; i stället skulle fordonet drivas av en liten kärnreaktor baktill, utifrån antagandet att detta en dag skulle bli möjligt när storlekarna krympte. Bilen skulle använda en ångmaskin som drevs av uranfission, på samma sätt som atomubåtar fungerar.

Väte spelar en allt större roll inom kemin, i jordbruket (produktion av kvävegödsel), i oljeindustrin och som en möjlig energikälla, dvs. som bränsle. Man kan förvänta sig att bland alla möjliga användningar av väte kommer användningen i bränsleceller att bli den vanligaste. Mot bakgrund av det växande intresset för väte uppskattar man att den energi som krävs för att producera det snart kan bli lika stor som den nuvarande produktionen av elektrisk energi.

Man är därför mycket intresserad av effektiva energikällor som kan producera vätgas, och här skulle kärnreaktorer kunna vara till stor hjälp. Reaktorer kan producera elektrisk energi för elektrolys av vatten. Den nukleära värmeenergin kan också användas för att framställa vätgas ur naturgas och, genom termokemiska processer, ur vatten. Till skillnad från den kemiska process där naturgas omvandlas med ånga (ångreformering) har de termokemiska reaktionerna fördelen att ingen koldioxid bildas. Eftersom det i båda fallen krävs relativt höga temperaturer (1000-1300K) kommer man sannolikt att använda högtemperaturreaktorer för ändamålet. Sådana reaktorer skulle under dagen kunna fungera som vanliga kärnkraftverk och leverera el till nätet och under natten producera vätgas inför nästa dags leveranser.

Kärnenergi används redan för avsaltning av vatten – ett problem av största betydelse för en stor del av världen som lider brist på dricksvatten, ett särskilt allvarligt problem i Asien och Nordafrika. Sådana reaktorer kan dessutom producera elektricitet, dvs. fungera som små kärnkraftverk. Ett exempel på en kärnreaktor som producerar både elektricitet och avsaltat vatten är den snabba reaktorn BN-350 i Aktau i Kazakstan. Japan, Ryssland och Kanada har alla erfarenhet av kärnreaktorer för avsaltning av vatten, och Internationella atomenergiorganet (IAEA) arbetar aktivt för att främja denna användning av kärnenergi. Idén är att använda kärnkraftverken för att producera el till nätet under perioder med störst efterfrågan och, när efterfrågan sjunker, använda en del av den producerade elen till avsaltning. Projekt utvecklas i Indien, Kina, Ryssland, Pakistan, Tunisien, Marocko, Egypten, Algeriet, Iran, Sydkorea, Indonesien och Argentina.

Neutroner är partiklar av stort vetenskapligt intresse. De må sakna laddning, men de beter sig som pyttesmå magneter: vi säger att de har ett magnetiskt moment. Fria neutroner sönderfaller till en proton, en elektron och en antineutrino med en halveringstid på 10,25 minuter, så neutroner som bildas i solen har ingen chans att nå vår planet. Även om de förmodas sakna elektrisk laddning letar fysikerna fortfarande efter en liten laddning; det skulle bli förstasidesnyheter om en sådan laddning hittades. Hittills har vi visat att laddningen måste vara mindre än 10^-21 elementarladdningar! Men vi vet att det finns positiva och negativa laddningar inuti en neutron, och det får oss att undra om de bildar en så kallad elektrisk dipol, där de positiva och negativa laddningarna är åtskilda av ett litet avstånd. Hittills har man experimentellt visat att ett sådant avstånd måste vara mindre än 10^-26cm, vilket vittnar om hur noggranna dagens experiment är.

För att göra sådana studier behöver man många neutroner, och kärnreaktorer är mycket användbara eftersom de är gigantiska neutronfabriker. Reaktorer som är konstruerade för att producera neutroner för experiment kallas forskningsreaktorer. Forskningsreaktorer har många tillämpningar inom vetenskap, medicin och teknik.

TRIGA-forskningsreaktor vid AERE i Bangladesh (bild: IAEA).

De vanligaste neutronkällorna för forskning är reaktorer med kontinuerlig drift, som producerar neutroner hela tiden. I de flesta av dem är reaktorhärden nedsänkt i en vattenbassäng. Vattnet ingår i kylsystemet, fungerar som biologisk skärm och är också en del av neutronmoderatorn. Alla kärnkraftverk använder reaktorer med kontinuerlig drift.

Det finns också pulsade neutronkällor som ger periodiska skurar av neutroner. Några av dem använder en spallationsreaktion i stället för fission.

En process som i dag kräver stor skicklighet har faktiskt ägt rum spontant i naturen för omkring två miljarder år sedan. I urangruvan Oklo i Gabon i Västafrika gjordes i juni 1972 en sensationell upptäckt. Man upptäckte att halten av ²³⁵U i uranmalmen var betydligt lägre än de 0,72 % som finns överallt annars. Hur kunde det komma sig?

Eftersom ²³⁵U har kortare halveringstid än ²³⁸U måste den relativa förekomsten av ²³⁵U i uran för 2 miljarder år sedan ha legat på 3-4 % i stället för de typiska 0,72 %. Men en anrikning av uran till 3-4 % ²³⁵U är helt normal för dagens kraftreaktorer. De hydrogeologiska förhållandena kring den anrikade uranmalmen var gynnsamma för en kedjereaktion. Vatten är en bra neutronmoderator och kan också fungera som reflektor. ’Reaktorn’ kunde fungera när det fanns vatten. När vattnet förångades stannade reaktorn, tills det åter fanns färskt vatten i närheten av uranmalmen. Malmen blev efter hand allt fattigare på ²³⁵U, så att det man upptäckte 1972 var ²³⁵U som hade utarmats av denna naturliga fissions-’reaktor’.

Man uppskattar att dessa naturliga reaktorer (hittills har 17 fossila reaktorer upptäckts i Oklo) var i drift i omkring 1 miljon år. Undersökningarna har visat att Oklos reaktorer också avlade ²³⁹Pu som sönderföll (genom alfasönderfall) till ²³⁵U, så de var naturliga bridreaktorer! Oklo var en gåva till mänskligheten, eftersom studier av hur Oklos långlivade fissionsfragment sprids genom marken gör det möjligt att bedöma hur effektiva de underjordiska slutförvar för kärnavfall som byggs i dag kommer att vara.