Kjarnorka

Kjarnorka er hugtak, sem haft er um þá orku sem leyst er úr læðingi atómkjarna, með kjarnasamruna eða kjarnaklofnun. Eina nýtanlega aðferðin í dag til að vinna orku úr atómkjarna er með kjarnaklofnun. Allir kjarnakljúfar hita vatn til að framleiða gufu, sem er síðan breytt í vélaorku til að framleiða rafmagn eða hreyfiorku. Árið 2005 kom 15% af öllu rafmagni í heiminum frá kjarnorku.

Notkun.

Árið 2005 útvegaði kjarnorka 6,3% af allri orkunotkun heimsins og 15% af rafmagninu. Bandaríkin, Frakkland og Japan standa fyrir 56,5% af þessu. Samkvæmt alþjóða kjarnorkumálastofnuninnni (IAEA) eru 439 kjarnaofnar í notkun í heiminum árið 2007, í 31 landi.

Bandaríkin framleiða mestu kjarnorkuna en 19% af heildarraforkunotkun þeirra er framleitt með kjarnorku en Frakkland framleiðir hæst hlutfall síns rafmagn úr kjarnorku — 78% árið 2006. Í Evrópusambandinu útvegar kjarnorka 30% af rafmagninu. Kjarnorkustefnan er ólík milli Evrópusambandslanda og sum, eins og Austurríki, Eistland og Írland, hafa engin virk kjarnorkuver.

Mörg hernaðarfarartæki og sum borgaraleg farartæki nota kjarnaklofnun til orkuvinnslu, til dæmis kafbátar og ísbrjótar.

Saga.

Fyrsta kjarnaklofnunin á tilraunastofu var framkvæmd af Enrico Fermi árið 1934 þegar lið hans skaut á úran með nifteindum. Árið 1938 náðu þýsku efnafræðingarnir Otto Hahn og Fritz Strassmann, ásamt austurrísku eðlisfræðingunum Lise Meitner og bróðursyni Lise Meitner, Otto Robert Frisch, að stjórna tilraunum með úran sem hafði verið skotið á nifteindum. Þau komust að því að ofurlítil nifteindin klýfur kjarna þykkrar úran frumeindarinna í tvo nokkuð jafna hluta, sem var talin furðuleg niðurstaða.

Fjölmargir vísindamenn, meðal annars Leó Szilard sem var einn af þeim fyrstu, gerðu sér grein fyrir því að ef klofnun leysti úr læðingi viðbótarnifteindir, þá gæti það leitt til sjálffæðandi keðjuverkunar. Í Bandaríkjunum, þar sem Fermi og Szilard höfðu báðir sest að, gerðu þeir fyrsta kjarnaofninn Chicago Pile-1, sem náði markástandi 2. desember 1942. Þessi vinna varð partur af Manhattan-verkefninu, sem byggði stóra kjarnaofna við Hanford til þess að framleiða plútón til notkunar í fyrstu kjarnavopnunum, sem voru notuð á borgirnar Híroshima og Nagasaki.

Rafmagn var framleitt í fyrsta skipti með kjarnaofni þann 20. desember árið 1951 við EBR-I tilraunastöð nálægt Arco í Idaho, sem upphaflega framleiddi um 100 kW.

Tækni.

Þegar nifteind, hinni óhlöðnu kjarnaeind, er skotið á úrankjarna, klofnar hann í ýmis léttari efni. Eitt slíkt ferli leiðir til myndunar frumefnanna tellúrs og sirkons (auk tveggja nifteinda), annað til klofnings úrans í frumefnin barín og krypton (auk þriggja nifteinda).

Kjarnakljúfar nota óstöðug geislavirk frumefni, sem henta til kjarnasundrunar á borð við samsætuna úran235, sem hefur 92 róteindir og 143 nifteindir. Í þessu skyni er úran, sem er unnið úr grjóti auðgað þannig að um þrjú af hundraði þess innihaldi úran235-samsætuna áður en það er notað til að mynda töflur eða pillur úr úranoxíði. Sérstakar tangir, sem innihalda frumefnin kadmín og bór, eru notaðar til að stjórna kjarnaklofnuninni með því að draga í sig nifteindir og hægja á ferlinu. Þannig er keðjuverkuninni haldið gangandi um leið og komið er í veg fyrir að kjarnakljúfurinn ofhitni.

Í flestum kjarnakljúfum er varminn sem myndast við klofnunina leiddur með vökva á borð við vatn eða stundum sem fljótandi natrín til varmaskiptis þar sem gufa er mynduð. Vökvinn í varmaskiptinum rennur eftir lokuðu ferli og er gufan sem myndast notuð til að knýja rafala.

Gífurleg orka losnar úr læðingi við sundrun frumtengja efnisheimsins. Samkvæmt kenningu Einsteins um samband massa og orku er mismuninum á heildarmassanum fyrir og eftir klofninginn umbreytt í orku samkvæmt jöfnu hans E=mc2 frá árinu 1905.

Kjarnasamruni.

Kjarnasamruni er þegar kjarnar tveggja atóma sameinast og við það losnar massi og orka, mun meira en í kjarnaklofnun. Orka sólarinnar kemur frá kjarnasamruna þar sem tvö vetnisatóm sameinast í helíum atóm.

Til að stuðla að kjarnasamruna á rannsóknarstofu þarf að herma eftir ferlum í sólinni og tengja saman í beinum árekstri tvö tvívetnisatóm sem renna saman í helín atóm. Slíkum árekstri er fremur erfitt að koma á og stjórna, einkum vegna þess að hitastigið í þessum manngerða sólarsamruna er mjög hátt og engin þekkt efni hafa þá nauðsynlegu eiginleika sem þarf til að halda slíkum ofurheitum hrærigraut í skefjum. Af þessum sökum er komið fyrir segulspeglum í kjarnaofninum við tilraunir með kjarnasamruna, en speglarnir mynda á milli sín öflugt segulsvið, sem hefur hemil á hrærigrautnum í nokkurs konar segulskál.

Umhverfisáhrif.

Geislavirkur úrgangur er helsti akkilesarhæll kjarnaklofnunar. Meðal afurða slíkrar klofnunar er samsætan plútón239 sem hefur 24.000 ára helmingunartíma eða einn þann lengsta sem um getur. Skilvirkasta leiðin til að geyma geislavirkan úrgang er að koma honum fyrir í steinsalti eða kalsínsúlfati.

Sumir umhverfisverndarsinnar hafa haft horn í síðu kjarnorkunnar, enda hafa þeir ekki samþykkt þær aðferðir og þá tækni sem beitt er við geymslu geislavirks úrgangs. Á hitt ber að líta að vinnsla kjarnorku leiðir til mun minni losunar koltvísýringi en til dæmis bruni kola til orkuvinnslu og á þessi staðreynd þátt í að þessi orkugjafi er nú skoðaður í nýju ljósi.

Geislavirkni er mjög hættuleg öllu lífi. Vandamálið sem fylgir hinum geysilega langa líftíma aukaafurðanna er mikil hindrun og ókostur. Jákvæða hliðin er hins vegar sú að hlutfallslega lítið magn af koldíoxíði verður til við orkuvinnsluna ().