höger|miniatyr|stående|Schematisk bild av kärndelningsprocessen i kärnkraftverk. Kärnkraft eller atomkraft avser utvinning av energi ur atomkärnor, antingen genom att spjälka tunga atomkärnor (fission; framförallt uran) eller genom att slå ihop lätta atomkärnor (fusion; väte). Ordet förekommer i svenska media först 1968. , s. 145
Fysikalisk bakgrund
Neutroner och protoner (nukleoner) i atomkärnan hålls ihop av den fundamentala kraft som kallas stark växelverkan. En atomkärna är ett system som strävar efter så låg energinivå som möjligt i form av bindningsenergi. De kärnor i naturen som har lägst energinivå är därmed stabilast. Atomkärnor som är ungefär av samma storlek/viktförhållande som järn har lägst energinivå på atomnivå. Tyngre och lättare kärnor har därför i någon mening ett överskott på bindningsenergi. Denna obalans kan teoretiskt sett användas på två sätt för att utvinna energi, med fission och fusion. Fission utnyttjar att vissa kärnor som är tyngre än järn kan bli stabilare genom att klyvas och att processen avger överskottsenergi. Fusion utnyttjar det omvända förhållandet, att vissa atomkärnor som är lättare än järn kan göra sig av med sin överskottsenergi genom att atomkärnor slås ihop. Den hopslagna atomkärnan har sammantaget lägre energinivå än ursprungsatomkärnorna.
De kärnor som förbrukats i en viss kärnreaktion och de som har bildats i samma reaktion väger totalt sett inte lika mycket. Skillnaden i massa motsvarar den avgivna energin enligt Albert Einsteins berömda ekvation E=mc2.
I dagligt tal brukar man mena fissionskraft när man talar om kärnkraft, då fusionskraftverk ännu (2019) inte har kunnat konstrueras. De experiment som genomförts, på till exempel JET, har krävt mer energi än vad de frigjort. Projektet ITER är ett ambitiöst utvecklingsprojekt som (2019) är under uppförande i Frankrike, men inte heller detta är ett kraftverk med någon elproduktion, utan en experimentell prototyp där man testar och utvecklar olika delmoment i fusionsprocessen.
Fission
Fission innebär klyvning av tunga atomkärnor som till exempel vissa isotoper av uran, torium eller plutonium. Fission kan uppstå spontant eller induceras genom att atomkärnan bestrålas med neutroner. Atomkärnor som kan klyvas kallas fissionabla. Atomkärnor som dessutom kan upprätthålla en nukleär kedjereaktion (kriticitet) kallas fissila (klyvbara). Atomkärnor som kan bli fissila genom neutronabsorption kallas fertila.
Då en klyvbar atomkärna träffas av en neutron och klyvs, sänder den i typiska fall ut två eller tre nya neutroner. Dessa kan klyva ytterligare atomkärnor och på så sätt skapa en kedjereaktion. Ett system innehållande fissila atomkärnor i en sådan konfiguration att en kedjereaktion kan skapas, upprätthållas och kontrolleras benämns kärnreaktor eller bara reaktor. För att kontrollera eller stoppa kedjereaktionen i en reaktor använder man någon neutronabsorbator (vanligen bor, kadmium eller hafnium) till exempel i så kallade styrstavar.
Neutronernas hastighet bestämmer deras rörelseenergi och deras förmåga att klyva olika typer av atomkärnor. Med några få undantag använder de kraftproducerande reaktorerna i världen så kallad termiska neutroner (med energier omkring 0,025 eV) för att klyva bränslets atomkärnor. De neutroner som sänds ut vid fissionen är dock i genomsnitt mycket snabbare och måste bromsas in. Denna inbromsning åstadkoms genom att låta neutronerna krocka med andra atomer i ett så kallat moderatormaterial och därmed ge ifrån sig en del av sin rörelseenergi. Bra moderatorer är i första hand de med atomkärnor som är ungefär lika stora som en neutron, som till exempel väte eller dess isotop deuterium (som ger tungt vatten i förening med syre). Kol är dock också en god moderator.
Fusion
I fusion slås lätta atomkärnor ihop och bildar en tyngre. Exempelvis kan kärnor av väteisotoperna deuterium (D) och tritium (T) slås ihop och bilda heliumkärnor samt neutroner. Då de båda atomkärnorna är positivt laddade måste man vid en fusionsreaktion övervinna coulombkraften så att den starka kärnkraften kan ta över på kortare avstånd. Detta kräver högt tryck och hög temperatur. Vid dessa förutsättningar har atomkärnor och deras elektroner separerats och materien bildar ett plasma. För att behålla den höga temperaturen och trycket under reaktionen måste plasmat hållas ihop av någon yttre kraft, inneslutas. Detta åstadkoms naturligt i stjärnors inre med hjälp av den starka gravitation som råder där. I konstgjord fusion på jorden hålls plasman istället ihop av intensiva laserpulser (inertiell inneslutning) eller starka magnetfält (magnetisk inneslutning).
Fusionsforskning har pågått sedan 1951 men har inte lett till någon produktion av användbar energi. Detta beror i första hand på svårigheten i att innesluta plasmat under kontrollerade former under så lång tid att betydande mängder fusionsenergi kan frigöras. Fusionsanläggningar som bygger på magnetisk inneslutning har antagligen kommit längst i denna strävan, till exempel Joint European Torus i England och Tore supra i Cadarache Frankrike. I Cadarache kommer också fusionsexperimentet ITER att byggas upp. Enligt nuvarande (2018) tidplan kommer den att uppnå "first plasma" 2025 och påbörja "Deuterium-Tritium-drift" 2035.
Magnetisk inneslutning kräver generering av magnetfält med hjälp av starka elektriska strömmar i supraledare. Dessa måste kylas till mycket låga temperaturer. Då plasmat samtidigt är extremt varmt kommer en sådan fusionsreaktor därför att ha mycket stora inbyggda temperaturgradienter vilket ställer extremt höga krav på konstruktionsmaterialen.
Historia miniatyr|Lise Meitner och Otto Hahn i arbete.
De allra första lyckade experimenten med nukleär fission utfördes i Berlin 1938 av de tyska fysikerna Otto Hahn, Lise Meitner och Fritz Strassmann.
Under andra världskriget började flera nationer att forska inom området. Motivet var då framförallt framställning av kärnvapen. Den första självuppehållande nukleära kedjereaktionen skapades av Enrico Fermi den 2 december 1942 och reaktorer baserade på hans forskning användes för att tillverka plutoniumet som användes i Fat Man-bomben som fälldes över Nagasaki, Japan.
I ett tal ("Atoms for peace") i december 1953 av USA:s president Dwight D. Eisenhower, förklarade han den amerikanska regeringens stöd för internationellt användande av kärnkraft. Den 27 juni 1954 startades det första kärnkraftverket i Obninsk, Ryssland. Reaktorn var grafitmodererad, vattenkyld och hade en kapacitet på 5 megawatt (MW). Världens första kommersiella kärnkraftverk, Calder Hall i Sellafield, England öppnades 1956. Det var en gaskyld magnoxreaktor med en kapacitet på 50 MW (senare 200 MW). 1957 startades Euratom och det internationella atomenergiorganet (IAEA).
Den sammanlagda kapaciteten hos världens kärnkraftverk ökade snabbt. Från mindre än 1 gigawatt (GW) 1960 till 100 GW i slutet på 1970-talet och 300 GW i slutet på 1980-talet. Sedan dess har kapaciteten ökat långsammare till ett sammanlagt värde av 372 GW (dock bara inräknat det som är övervakat av IAEA) i slutet av 2007IAEA: Nuclear Technology Review 2008 . Läst 2009-05-23.. Under 1970- och 1980-talen medförde ökande byråkrati fördyringar och längre konstruktionstider i bland annat USA, vilket gjorde kärnkraftverksinvesteringar mindre attraktiva.
Folkrörelser mot kärnkraft bildades och kärnkraftsmotståndet tog fart under den sista tredjedelen av 1900-talet, i Sverige i form av "Folkkampanjen Nej till kärnkraft". Man protesterade mot kärnkraften på grund av olycksrisken, riskerna för kärnvapenspridning och problemen kring slutförvaringen av det radioaktiva avfallet. Olyckorna på Three Mile Island (1979) och i Tjernobyl (1986) bidrog till att stoppa utbyggningen av kärnkraften i flera länder. Österrike (1978), Sverige (1980) och Italien (1987) och Polenhttps://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_energy_in_Poland(1990) beslutade i folkomröstningar att avsluta eller gradvis avveckla kärnkraftsprogrammen där. Drivet bland annat av oro för växthuseffekten har kärnkraften sedan millennieskiftet upplevt ett ökande intresse, men Fukushima-olyckan 2011 ledde till att bland annat Tyskland beslöt att avveckla kärnkraften. Idag är intresset för kärnkraft stort främst i Asien, där bland annat Kina, Indien, Turkiet, Ryssland, Sydkorea och Förenade arabemiraten driver ambitiösa kärnkraftsprogram. I Europa är planerna på nya reaktorer framförallt koncentrerade till Östeuropa, bland annat Polen, Armenien, Bulgarien och Rumänien. I Västeuropa är det främst Storbritannien och Finland som har framåtsyftande kärnkraftsprogram.
Kärnkraftverk miniatyr|250px|Ett kyltorn till ett kärnkraftverk i Schweiz, som bestämt sig för att avveckla alla sina kärnkraftverk till 2034.Sveriges Radio - Schweiz sätter slutdatum för kärnkraften höger|miniatyr|Forsmarks kärnkraftverk. Notera att dessa reaktorer släpper ut överskottsvärme i havet och därför saknar kyltorn. miniatyr|Olkiluoto kärnkraftverk i Finland. Enhet III (vänster) är en ännu inte färdig tryckvattenreaktor som på denna bild lagts in med datoriserad bildbehandling.
Fissionskraftverk utförs nästan uteslutande som elproducerande kondenskraftverk och kan konstrueras enligt flera olika principer och därmed också kategoriseras enligt flera egenskaper, till exempel bränsle, moderator, reaktortemperatur eller kylmedium. När det gäller bränsle, kan man urskilja två huvudtyper: så kallade konsumerande reaktorer (engelska "burners"), där processen i allmänhet drivs av termiska neutroner och bridreaktorer (engelska "breeders"), vilka utnyttjar snabba neutroner. De senare är tekniskt avancerade och kommersiella reaktorer finns inte i drift. De kan förutom att klyva fissila kärnor genom neutronabsorption förvandla kärnor som torium eller uran-238, till fissilt bränsle, i det senare fallet plutonium. Produktionen av plutonium är också politiskt problematiskt, då ämnet kan användas för kärnvapen. Alla dagens snabbneutronreaktorer kyls med flytande metall och detta gäller även många av kommande fjärde generationens reaktorer.
Bränsle miniatyr|Urankutsar och en bränslestav. Med kärnbränslecykeln avses den kedja av åtgärder och processer som bereder kärnbränsle till reaktorerna och tar hand om detta hela vägen från malmbrytning till avfallshantering.
Det vanligaste kärnkraftsbränslet är uran. Uran är ungefär lika vanligt som tenn, men förekommer sällan i höga koncentrationer, och endast en del isotoper kan användas i de normala reaktortyperna. Uran utvinns därför endast tillsammans med andra ämnen. För närvarande räknas områden med minst 0,1 procent uran som ekonomiskt försvarbara att utvinna uran från.
Med oförändrad bränsleförbrukning och prisnivå på uran, som de var år 2016, beräknades det finnas rimligt säkra uranfyndigheter för drift i ytterligare 80 år, och upp till 130 år om man även räknar med sannolika fyndigheter.Uranium 2018: Resources, Production and Demand, OECD Nuclear Energy Agency (NEA) och International Atomic Energy Agency (IAEA), 2018. Läst 25 juni 2022.Nikolaus Muellner et al. Nuclear energy - The solution to climate change?, Energy Policy, vol. 155, augusti 2021. Läst 25 juni 2022.
På senare år har forskare ifrågasatt om tillgången till uran är tillräcklig för de satsningar på kärnkraft som görs i flera länder.
Nuvarande lättvattenreaktorer kan inte använda bränslet effektivt, vilket bland annat leder till ett stort energiöverskott som inte nyttiggörs (kylvattnet kan inte användas för fjärrvärme, då kärnkraftverk placeras långt från större städer). En bättre reaktordesign eller upparbetning skulle reducera mängden överskottsmaterial och spillvärme och ge bättre användning av de tillgängliga resurserna.