Kjarnorkuver – Sagan, notkun Úrans

Grein/Linkur:  Framhaldssagan um kjarnorkuna

Höfundur: Ketill Sigurjónsson

Heimild: 

.

.

Júlí 2008

Í Júlí 2008 framleiddu um 440 kjarnorkuver í 31 landi rúmlega 17% af öllu rafmagni í heiminum.  Bandaríkin eru stórtækust í þessum hluta orkuiðnaðarins, með um 100 þúsund MW framleiðslugetu frá kjarnorku (20% rafmagnsnotkunarinnar). En langhæsta hlutfall rafmagnsframleiðslu með kjarnorku er í Frakklandi (80%) og Litháen (70%).

Nuclear_Finland_olkiluoto

Athugið að hlutfallstölurnar á myndinni eru heldur lægri, enda frá 2005. Af Norðurlöndunum eru það Svíþjóð og Finnland sem framleiða rafmagn með kjarnorku. Þó svo mikil umræða sé um að loka kjarnorkuverum, sérstaklega í Svíþjóð, er ekki ólíklegt að bæði þessi lönd muni veðja enn frekar á kjarnorkuna. Þau hafa fáa aðra góða kosti í orkumálum. Í Finnlandi er einmitt verið að smíða stærsta kjarnorkuver í heimi þessa dagana (þ.e. stærsta kjarnakljúf sem nú er í smíðum). Það rís á eyjunni Olkiluoto við suðvesturhorn landsins og á að vera tilbúið 2011. Verið mun framleiða 1.600-1.700 MW. Það eru vel rúmar tvær Kárahnjúkavirkjanir.

Hér til hliðar er mynd af því hvernig verið í Olkiluoto mun líta út. Finnar fengu fyrsta kjarnorkuverið sitt snemma á 8. áratugnum. Sennilega er Finnland eina ríkið í Evrópu þar sem þokkaleg sátt er um að rafmagnið skuli koma frá kjarnorku. Enda myndi annað þýða gífurleg útgjöld vegna innfluttrar orku eða kola.

Nuclear_World_History

Í Bandaríkjunum er nú mikið talað um að koma upp nýjum kjarnorkuverum. Þrátt fyrir að orkulöggjöfin þar fyrir vestan sé afar hliðholl kjarnorkuiðnaðinum, gengur „endurreisn“ kjarnorkunnar þar þó hægt. Eins og myndin hér til hliðar sýnir vel, hefur dregið mjög úr byggingu nýrra kjarnorkuvera síðustu 20 árin. Ástæður þess eru einkum þrjár; lágt olíuverð lengst af, slysið á Þriggja mílna eyju (og slysið í Chernobyl) og einfaldlega andstaða við kjarnorkuver sem var sterk á tímum vígbúnaðakapphlaupsins. Í Bandaríkjunum hefur ekki verið reist nýtt kjarnorkuver í þrjá áratugi!

Bandaríkin nota nú u.þ.b. 24 þúsund tonn af úrangrýti árlega og þar af er um 90% innflutt. Ef áætlanir um stækkun bandaríska kjarnorkuiðnaðarins ganga eftir þýðir það einfallega aukna heimseftirspurn eftir úrani. Á sama tíma eru Kínverjar með stórtækar áætlanir um byggingu kjarnorkuvera.

periodic table

Úran – þetta makalausa frumefni – er að finna nánast út um allt. Úran er t.d.talið vera 40 sinnum algengara frumefni en silfur og 500 sinnum algengara en gull. En er fremur óvíða í vinnanlegu magni.

Stærstu framleiðendur úrangrýtis eru Ástralía, Kanada og Kazakhstan með samtals um 50% allrar framleiðslunnar. Hvað bestu úrannámurnar er að finna í Kanada. Nánast allt úranið kemur frá um tug landa og meðal annarra framleiðenda má t.d. nefna Rússland, Namibíu, Níger og Uzbekistan.

Til að unnt sé að nota úranið til rafmagnsframleiðslu í kjarnorkuverum, þarf að auðga það. Kannski rétt að útskýra þetta stuttlega – frá sjónarhóli leikmanns í fræðunum sem er aðeins farinn að ryðga í eðlis- og efnafræðinni. Þótt þau hafi, ásamt stærðfræðinni, verið uppáhaldsfögin mín í MH hér í Den. En síðan eru liðin rúm 20 ár.Til allrar hamingju hef ég alltaf haft afskaplega gott minni. Í alvöru. Sem er að sumu leyti galli – því ég er nokkuð langrækinn. Rétt eins og Dabbi. Oddsson.

Í úrangrýtinu er ekki allt úranið alveg eins. Heldur samanstendur það af tveimur mismunandi samsætum. Annars vegar er  U235 (einungis ca. 0,7%) og hins vegar U238 (99,3%). Munurinn á þessum samsætum er eftirfarandi. U238 hefur 92 róteindir í kjarnanum og 146 nifteindir. U235, sem miklu minna er af, hefur einnig 92 róteindir en aftur á móti einungis 143 nifteindir. Það er í sjálfu sér enginn munur á kúk og skít – m.ö.o. er þetta sama frumefnið og að mestu með sömu eiginleika. En samt er stór munur á – það eru nefnilega miklu meiri líkur á því að U235 (sjaldæfa samsætan) klofni. Og það er einmitt kjarnaklofnunin sem skapar hina gríðarlegu orku – kjarnorkuna – sem veldur miklum hita og er nýtt til að framleiða rafmagn.

Nuclear_U235_fission_cycle

Klofnunin verður þegar einmana nifteind rekst á kjarna U235 samsætunnar. Og þegar klofnunin skeður losna yfirleitt nokkrar nifteindir, sem svo rekast á kjarna annarra U235 samsæta og valda fleiri kjarnaklofnunum og keðjuverkun myndast. Rekist nifteind á hina samsætuna, þ.e. U238 sem er jú langmest af, gerist hins vegar sjaldan nokkur skapaðan hlutur. Sem sagt er U235 beib, en ekki U238. Svona frá sjónarhóli lögfræðings, sem kann vel að meta fallegar stelpur. Kannski væri betri samlíking að segja, að U235 samsætan sé laus, liðug og til í tuskið. En U238 samsætan hamingjusamlega gift og lítur ekki við nifteindum sem blikka hana.

Uran_enrichment-process

Til að flækja ekki málið, sleppi ég því að lýsa mismunandi tegundum kjarnakljúfa sem til eru. En til að auka líkur á að nifteindir nái að kljúfa úrankjarnana, er úranið auðgað, eins og fyrr segir. Auðgun úrans felst í því að fjölga U235 samsætunum. Sem fyrr segir er um 0.7% af U235 í úrani, en með auðgunarferlinu eykst þetta hlutfall í allt að 3-5%. Fleiri U235 samsætur auka líkur á árekstrum nifteinda við slíkar samsætur og því verður meira um kjarnaklofnanir.

En hvernig fer þessi auðgun á U235 fram? Sáraeinfalt – og það vita Íranar rétt eins Orkubloggið. Sökum þess að U235 er léttari samsæta en U238, er hægt að aðskilja samsæturnar. Það er gert með sérstakri „skilvindu“ (ég hef alla vega ekki betra íslenskt orð yfir þessa tækni). Fyrst er þó úraninu (eða úranoxíði, sbr. lýsing í færslunni hér á undan um úrangrýti) breytt í s.k. úranflúoríð. Þessa lofttegund með úrani, er tiltölulega einfalt að nota til að framleiða auðgað úran. Íranar eru sagðir hafa framleitt 300 tonn af úranflúoríði og eru þar af leiðandi á þröskuldi þess að geta framleitt auðgað úran. Sem er mikilvægt til að geta rekið kjarnorkuver.

Nuclear_Power_Station

En vandamálið er að auðgað úran má einnig nota í kjarnorkusprengju (sprengja með venjulegu úrani myndi aftur á móti aldrei koma af stað þeirri kjarnaklofnun, sem nauðsynleg er). Til að geta smíðað kjarnorkusprengju þarf nokkra tugi kílóa af vel auðguðu úrani. Líklegt er að Íranar þurfi all nokkur ár til að geta náð að auðga svo mikið úran. En spurningin er hvað Bandaríkjastjórn og Ísrael munu bíða lengi…

En til að klára þetta um kjarnorkuframleiðsluna. Þegar hlutfall U235 í úranflúoríðinu er komið yfir 3% er því breytt í úrandíoxíð. Sem er tiltölulega einföld efnafræði. Það efni er eldsneytið sem notað er í kjarnaofninn (eða kjarnakljúfinn). Auðgaða úranið í úrandíoxíðinu klofnar, þegar nifteindir rekast á kjarna þess, og við það losnar gríðarlegur hiti. Um leið losna nifteindir, sem rekast á aðra úrankjarna, sem klofna o.s.frv. Hitinn er notaður til að mynda gufukraft sem knýr túrbínu og framleiðir rafmagn. Nokkuð snjallt ferli.

Því miður er þar með ekki öll sagan sögð. Gæta þarf þess að halda keðjuverkuninni í kjarnakljúfnum innan hóflegra marka – annars getur t.d. myndast óstjórnlegur hiti sem ekki verður við ráðið. En það er önnur saga. Í næstu færslu verður reynt að spá um úran-eftirspurnina eftir nokkur ár. Þar verður að finna sterka peningalykt. Mjög sterka!