Hur fungerar ett kärnkraftverk?

Kort svar

Ett kärnkraftverk gör om värme från kärnklyvning till el. Uranbränsle hettar upp vatten till ånga, ångan driver en turbin, och turbinen snurrar en generator som producerar elektricitet – precis som i ett kolkraftverk, men utan förbränning.

Grundprincipen: energi från uranbränsle

De flesta kraftverk i världen fungerar enligt samma grundidé: värm vatten, skapa ånga, driv en turbin. Skillnaden är värmekällan. Kolkraftverk bränner kol, gasverk bränner naturgas – kärnkraftverk frigör energi ur atomkärnor.

I kärnkraftverkets reaktor sker kärnklyvning. Värmen som frigörs hettar upp kylvatten. Kylvattnet omvandlas till ånga (direkt eller via värmeväxlare). Ångan driver en turbin kopplad till en generator, och generatorn omvandlar rörelseenergi till elektricitet. Ånga som passerat turbinen kyls tillbaka till vatten och återanvänds. Verkningsgraden är cirka 30 till 35 procent – resten av energin leds bort som restvärme via havsvatten eller en flod.

Kärnklyvningen – steg för steg

Energin i ett kärnkraftverk kommer från fission, det vill säga att atomkärnor klyvs. Bränslet är anrikat uran, och det är specifikt isotopen uran-235 som är klyvbar.

Så här går det till:

1. En neutron träffar en uran-235-kärna. Kärnan absorberar neutronen och blir instabil.
2. Kärnan klyvs. Den delar sig i två mindre atomkärnor (exempelvis barium och krypton) och frigör enorma mängder energi – mest i form av rörelseenergi hos de nybildade kärnfragmenten, som omedelbart omvandlas till värme.
3. Nya neutroner slängs iväg. Vid varje klyvning frigörs 2–3 neutroner.
4. Kedjereaktionen startar. De nya neutronerna kan träffa och klyva fler uran-235-kärnor, som i sin tur frigör ännu fler neutroner – och så vidare i en självförstärkande kedjereaktion.

För att neutronerna ska vara effektiva på att klyva uran-235 behöver de bromsas ned. Det sker med hjälp av en moderator. I svenska kärnkraftverk används vanligt vatten – så kallat lättvatten – som moderator.

Hur håller man kedjereaktionen under kontroll?

En okontrollerad kedjereaktion är det man inte vill ha. Reaktorn regleras med kontrollstavar som är gjorda av material med hög förmåga att absorbera neutroner, till exempel bor eller kadmium. Sänks stavarna ned i reaktorkärnan minskar antalet lediga neutroner och kedjereaktionen dämpas. Dras de upp tillåts fler neutroner cirkulera och reaktionen ökar.

Vatten fungerar som en naturlig säkerhetsbuffert: om kylningen minskar eller vatten försvinner ur reaktorn bromsas kedjereaktionen av sig självt, eftersom moderatorn (vattnet) är nödvändig för att neutroner ska fungera. Det är en inbyggd fysikalisk mekanism, inte ett elektroniskt system.

Reaktortyper: BWR och PWR

I Sverige används två varianter av lättvattenreaktorer.

Kokvattenreaktor (BWR – Boiling Water Reactor)

Vatten i reaktortanken kokar direkt vid ca 285 °C och 70 bars tryck. Ångan leds rakt till turbinen. Det är en enkel och kompakt lösning. Forsmark och Oskarshamn har kokvattenreaktorer.

Tryckvattenreaktor (PWR – Pressurized Water Reactor)

Kylvattnet inne i reaktorn hålls under så högt tryck (ca 155 bar) att det inte kokar trots temperaturer kring 320 °C. Värmen förs i stället via en värmeväxlare till en separat sekundärkrets, där vatten vid lägre tryck kan koka och bilda ånga som driver turbinen. Det ger en extra säkerhetsbarriär: radioaktivt vatten från reaktorn blandas aldrig med det som driver turbinen. Ringhals använder tryckvattenreaktorer.

Bränslet – vad är anrikat uran?

Naturligt uran innehåller bara 0,7 procent av den klyvbara isotopen uran-235. Resten är i huvudsak uran-238, som inte klyvs av termiska neutroner. För att hålla igång en kontrollerad kedjereaktion i en lättvattenreaktor behöver andelen uran-235 höjas till 3–5 procent – det kallas anrikning.

Anrikat uran formas sedan till keramiska tabletter ungefär stora som ett finger. Tabletterna staplas inuti långa metallrör av zirkoniumlegering – bränslestavar – som buntas ihop till bränsleelement. Hundratals bränsleelement fyller reaktorkärnan.

Säkerhetssystem: ett skal utanpå ett skal

Moderna kärnkraftverk är byggda med flera skyddslager:

• Bränslehöljet – zirkoniumrören runt uranet hindrar radioaktiva fissionsprodukter från att läcka ut ur bränslet.
• Reaktortanken – en tjock stålbehållare (10–30 cm väggtjocklek) omger reaktorkärnan.
• Primärkretsen – ett slutet system av rör, pumpar och ånggeneratorer som håller radioaktivt vatten inneslutet.
• Containment – en yttre trycksäker betongbyggnad som omger hela reaktorn och ska innehålla radioaktivt material även vid ett allvarligt haveri.
• Nödkylningssystem – oberoende pumpar och vattentankar som kan kyla reaktorkärnan om ordinarie kylning slås ut.

Kärnkraftsolyckor som Chernobyl (1986) och Fukushima (2011) inträffade delvis på grund av att dessa skyddslager sviktade – av bristande design respektive extrem naturkatastrof. Moderna reaktorkonstruktioner har dragit lärdomar av båda.

Radioaktivt avfall och slutförvaring

Utbränt kärnbränsle tas ut ur reaktorn med regelbundna mellanrum. Det är starkt radioaktivt och alstrar mycket värme. Direkt efter uttag lagras det i kylvattenbassänger vid anläggningen, vanligtvis i 30–50 år, tills radioaktiviteten sjunkit tillräckligt.

Allt utbränt kärnbränsle från svenska reaktorer ryms i en vattenbassäng ungefär stor som en halv fotbollsplan – ett mått på hur litet volym kärnavfall är jämfört med fossil bränsleaska.

På lång sikt är bränslet ändå farligt i över 100 000 år. Sverige planerar ett djupgeologiskt slutförvar i Forsmark: bränslet ska läggas i kopparkapslar, förseglas med bentonitlera och sänkas ned 500 meter under jord i urberget. Systemet är utformat för att fungera utan mänsklig tillsyn under milleniers tid.

Fördelar: låga utsläpp och nackdelar med kärnkraft

Kärnkraft räknas som en fossilfri energikälla eftersom driften i sig inte ger några koldioxidutsläpp, och den kan producera stora mängder el fossilfritt dygnet runt. Nackdelarna med kärnkraft handlar i stället om den höga investeringskostnaden, den långa byggtiden för nya kärnreaktorer och frågan om hur radioaktivt avfall ska hanteras i tiotusentals år framöver.

Kärnkraft, klimat och utsläpp

Ur klimatsynpunkt är kärnkraft ett av de minst koldioxidintensiva kraftslagen. Enligt IPCC producerar kärnkraft 50–100 gånger mindre växthusgaser per kilowattimme än fossila kraftverk, ett värde jämförbart med vindkraft och vattenkraft. De utsläpp som finns uppstår vid uranbrytning, byggande av anläggningarna och vid avveckling, inte under driften.

Kärnkraft är dessutom planerbar baskraft – den kan producera el dygnet runt oberoende av vind och sol. Det är en egenskap som skiljer den från de flesta förnybara energikällor och som gör den till ett viktigt komplement i ett elsystem med hög andel väderberoende produktion.

Sverige har tre kärnkraftverk i drift: Forsmark, Oskarshamn och Ringhals. Under 2024 producerade landets sex aktiva reaktorer 48,7 TWh el, vilket motsvarade 28,9 procent av landets totala elproduktion.

Kärnkraft i Sverige: historia i korthet

• 1938: Lise Meitner och Otto Hahn lyckas genomföra och förklara kärnklyvning.
• 1942: Enrico Fermi och hans team skapar den första kontrollerade kedjereaktionen i Chicago.
• 1954: Obninsk i Sovjet öppnar som världens första kommersiella kärnkraftverk.
• 1963: Sverige tar sitt första steg med Ågestaverket utanför Stockholm.
• 2024: Globalt är 442 reaktorer i drift, med ytterligare 51 under byggnation.

Kärnkraft är alltså en teknologi med lång historia och välkänd fysik – men med utmaningar kring avfall och säkerhet som fortfarande kräver noggrann hantering.