En så kallad vågrörelsereaktor ska kunna ge hundrafalt mer energi från samma mängd kärnbränsle

1932 upptäckte den engelske fysikern James Chadwick neutronen; en partikel i atomers kärna som saknade elektrisk laddning. Kombinerat med tidigare forskning kring förhållandet mellan massa och energi lade upptäckten den teoretiska grunden för kärnkraften. Förenklat kan man säga att kärnkraft går ut på att klyva stora atomer, vanligtvis uran, genom att bombardera dem med neutroner. När urankärnan klyvs bildas två nya atomkärnor, samt ytterligare två till tre neutroner. Dessa neutroner kan i sin tur krocka med, absorberas av och slå sönder fler uranatomer. En kedjereaktion uppstår.

Men vad är det som gör att just uranatomer fungerar väl som kärnbränsle? Först och främst är det viktigt att notera att uran är en förhållandevis stor atom. I en atomkärna finns två motsatta krafter. Den första av dessa är elektromagnetism. Den gör att protonerna, positivt laddade partiklar i atomkärnan, vill stöta bort varandra. Det är samma typ av kraft som gör att det är svårt att föra samman två magnetiska poler med samma laddning. Vad är det då som gör att atomen håller ihop, i stället för att splittras? Det är här den ”starka kärnkraften” kommer in i bilden.

Kärnkraft under utveckling

Den starka kärnkraften är 1038 gånger starkare än gravitationen, och gör att protonerna hålls samman. Den starka kraften avtar dock snabbt när avståndet mellan partiklarna ökar. Vad som händer när en uran 235-atom, den uranisotop som är det vanligaste kärnbränslet, absorberar en neutron är att atomens geometri förändras. Den blir större, och den starka kärnkraften försvagas när avståndet mellan kärnpartiklarna ökar. I fyra av fem fall sker tillräckligt stora förändringar för att den elektromagnetiska kraften ska bli större än den starka kärnkraften. Protonerna stöter bort varandra och atomen splittras.

Vad är det då som gör att krossade atomer kan ge oss el? Jo, den samlade massan hos de partiklar som bildas när uranet klyvs är lägre än massan hos den ursprungliga uranatomen och neutronen. Och som Einstein konstaterade innebär detta att massa har omvandlats till energi. Den energin kan sedan användas för att värma upp vatten, vars ånga slutligen kan driva turbiner som genererar elektricitet.

Detta är den grundläggande princip som gått som en röd tråd, från det första kärnkraftverket 1942, till de fjärde generationens reaktorer som det idag forskas kring. Att den fysikaliska grunden är densamma i dagens kärnkraftverk betyder dock inte att utvecklingen stått still. Energieffektivitet, säkerhet och avfallshantering är tre av de områden som det bedrivs mest forskning kring. Idag pågår också forskning kring vad man kallar den fjärde generationens kärnreaktorer. Denna generation reaktorer har främst tre fördelar jämfört med sina föregångare:

  • Kärnavfallet varar i decennier snarare än årtusenden.
  • Hundrafalt mer energi kan produceras från samma mängd kärnbränsle.
  • Möjligheten att använda dagens avfall som bränsle i de nya reaktorerna.

Mer specifikt fokuserar man på två typer av reaktorer: termiska reaktorer och snabba reaktorer. Och inom dessa kategorier finns tre specifika reaktorkonstruktioner vardera som man forskar kring. Den stora skillnaden mellan termiska och snabba reaktorer är hastigheten med vilken den neutron som ska absorberas av uranet färdas. I termiska reaktorer behöver neutronen saktas in, men i gengäld är chansen högre att neutronen absorberas av uranet.

I snabba reaktorer kan bränslet användas mer effektivt. Det gör att det blir mindre avfall kvar efter användning, och man kan till och med använda avfallet från äldre reaktormodeller som bränsle i de nya snabba reaktorerna. Snabba reaktorer är dock mer svårstyrda och mer krävande ur ett konstruktionsperspektiv.

Traveling wave reactor

En specifik reaktortyp som fått mycket uppmärksamhet den senaste tiden är den så kallade vågrörelsereaktorn, eller traveling wave reactor. Bland annat Bill Gates har engagerat sig i utvecklingen av reaktortypen, där uran 238 – en uranisotop som det finns enormt mycket mer av än det uran 235 som de flesta reaktorer använder idag – används som bränsle. I själva verket behövs bara en liten mängd nytt kärnbränsle för att starta processen, därefter kan gammalt kärnavfall användas som bränsle. En av huvudpoängerna med reaktorn, att den ska kunna vara i drift konstant under lång tid, är också en av dess svagheter. Att bygga en anläggning som klarar den typen av påfrestningar är inte helt enkelt.

Som alltid är det svårt att i förhand säga exakt hur ny teknik kommer att se ut i kommersialiserad form. Många länder är inblandade i den pågående forskningen, och vilken eller vilka reaktortyper som slutligen kommer att hamna i framtidens kärnkraftverk är det ännu för tidigt att sia om. Men att de kommer att innebära ett stort steg framåt för kärntekniken och energiproduktionen är högst troligt.

Kärnkraften har alltid varit ett hett debatterat ämne. Och så kommer det antagligen att förbli. Men det går inte att bortse från att dagens kärnkraftverk, över sin livscykel, producerar energi med lägre utsläpp av växthusgaser än till och med vindkraftverk. Den enorma potential som finns gömd i atomkärnan är helt enkelt för stor för att bortses ifrån. Med framtidens reaktorer kanske denna potential kommer att kunna utnyttjas i ännu högre grad.

Artikeln publicerad i februari 2011