Hur påverkar fission och fusion uppvärmningen av planeten?

Jag funderar över hur fission och fusion påverkar uppvärmningen av planeten. Vid första anblick säger man ju att dessa energislag är mer miljövänliga än olja/kol då man inte bidrar till en ökad växthuseffekt. Hur är det dock med uppvärmning? Både fusion och fission genererar ju elenergi från massa som ju måste sägas vara en relativt stabil energiform. I slutändan kommer elenergin att omvandlas till värme. Påverkar detta uppvärmningen? Om inte, varför gör det inte det?

Frågan ställdes 2021-10-28 av Pablo, 35 år.

Frågan om ifall värmekällor skulle kunna bidra till global uppvärming har kommit upp vid flera tillfällen förut. Även om det iofs. är sant att värmeproduktion från energikällor som fission och fusion (och även fossila bränslen) i en viss mån gör jorden varmare, så är detta en försumbar term i sammanhanget.

I fallet med fossila bränslen som kol, olja och gas, så är problemet att de släpper ut koldioxid som är en växthusgas. Att de också släpper ut värme som lagrades för miljontals år sedan gör ingen betydande skillnad. Det är likadant för värmet från nukleära energikällor. Det gör ingen betydelsefull skillnad.

Varför blir det så? Vi vet ju att om vi har en kamin på i ett hus, så blir huset varmare. Anledningen till det är att våra kraftsystem är en mycket liten kamin, och att jorden är ett mycket stor hus.

En mycket enkel modell av temperaturen på en upphettad kropp (som jorden), är att strålningsvärmet från kroppen beskrivs av Stefan Boltzmanns lag:

Q =σεA T⁴

Där Q är värmet som strålar ut från jorden, som i jämvikt ska motsvara uppvärmingen från solen och eventuella andra tillskott.

Epsilon är jordens emissionkoefficient.

A är jordens mantelarea.

Denna modell tar inte hänsyn till växthuseffekten, men den duger till att grovt uppskatta storleken på den temperaturökning som förändrad värmeeffekt skulle ge, till exempel genom ett extra värmetillskott från fission. Det viktiga för att analysera detta är att se att strålningsvärmet från jorden är proportionellt mot temperturen upphöjt i fyra.

Q ~ T⁴                             (= T · T · T · T)

Detta betyder att en förändrad värmeeffekt på jorden, som ska strålas ut i rymden, orsakar en temperaturförändring som är mycket mindre. Den ändras som fjärderoten. All kärnkraft på jorden har en total effektkapactitet på ca 400 GigaWatt. Detta är elektrisk effekt, så den termiska är lite högre, ca 1000 GW antar jag för diskussionen. Detta gör att jordens uppvärming från solen på ca 10¹⁷ W får ett litet tillskott på ca 10¹² W.

Det innebär en ökning på ca 10 miljondelar av värmet som ska stråla ut från jorden i jämvikt. Så värmet Q ökar med en faktor på ca 1,00001. Temperaturökningsfaktorn med hänsyn till Stefan-Boltzmanns lag blir då fjärderoten ur detta. Det är ca 1,000002.

Den absoluta temperaturökningen ∆T fås genom att multiplicera förändringsfaktorn av jordens temperatur med vår medeltemperatur i Kelvin, ca 300 Kelvin.

∆T = (1,000002 – 1) · 300 K = 0,0006 K

Notera att en temperaturhöjning i Kelvin är samma som i grader Celsius. Så all världens kärnkraft kan grovt uppskattas öka medeltemperaturen med 0,0006 grader. Det är obetydligt om man jämför med de koldioxidrelaterade effekter som vi ser från vårt energisystem, som orsakar temperaturförändringar på ca tiotusen ggr högre skala. Min enkla modell är dessutom förmodligen en överskattning, då kärnkraft inte värmer jorden homogent, utan väldigt lokalt, så att temperaturhöjningen och strålningen just från närmaste omgivningen blir högre.

Även det geotermiska värmetillskottet, från radiaktiva sönderfall i jordens inre, är också rätt försumbart i en beräkning av jordens temperatur. Trots att detta är större än vår totala fissionseffekt.

Så därför kan man med gott samvete bortse från värmet från fission, fusion eller andra energikällor. Det som man däremot bör ta hänsyn till är livscykelrelaterade växthusgasutsläpp. Detta gäller för såväl nukleära energikällor som förnybara eller fossila. Pga. att vårt energisystem inte är fossilfritt, så finns det koldioxidutsläpp från transporter, konstruktion, drift, m.m. Dessa har viss påverkan, och man bör sträva efter att minska detta avtryck.

Andra effekter som hypotetiskt kan påverka temperaturen är förändrat albedo. Dvs., när vi bygger energisystemet och därigenom ändrar miljön, så ändras andelen av solstrålningen som reflekteras ut igen, utan att värma jorden. Detta kan också påverka litegrann, speciellt om man har ett energisystem som tar väldigt mycket areal i anspråk. Förmodligen har detta större påverkan än uppvärmningen som vi just har utrett.

Men till syvene och sist, så är effekten av växthusgaser mycket stark, och det reella hot som vi har att hantera. Detta motsvaras också av samhällets fokus på just utsläppen av koldioxidekvivalenter. Anledningen att koldioxid har så stark påverkan är att det hindrar utstrålningen av värme från jorden till rymden, så att värmet istället absorberas i atmosfären, varifrån den återemitteras och i viss utsträckning återkommer till jordklotet, som därför blir varmare. Det må vara en liten andel av ursprungliga solinstrålningen som påverkas, men i absoluta tal så kan det göra flera grader på vår medeltemperatur.

Frågan besvarades av Peter Andersson, forskare vid avdelningen tillämpad kärnfysik vid institutionen för fysik och astronomi.