Radioaktivt vidundermiddel gir energi til årtusener

På 2030-tallet vil thorium og smeltet salt skape en helt ny type idiotsikker kjernekraft. Reaktorer vil bli ekstremt effektive og skape et minimum av radioaktivt avfall.

Shutterstock

Ttemperaturen og trykket i reaktortanken stiger dramatisk.

Normalt får det alarmer til å hyle og røde lamper til å blinke i atomkraftverkets kontrollrom, og operatørene må straks gripe inn og skru ned kjedereaksjonene slik at reaktortanken ikke sprenges i fillebiter.

Men nå skriver vi 2030-tallet, og operatørene løfter ikke engang så mye som et øyenbryn.

Den nye smeltet salt-reaktoren demper selv kjernespaltningene og senker temperaturen, uten at operatørene må reagere.

De får heller ikke panikk hvis strømmen til kraftverket skulle svikte, selv om det var dette som skjedde da jordskjelvet og tsunamien rammet det japanske atomkraftverket Fukushima.

Det varme saltet i reaktor­tanken smelter en bunnpropp og glir deretter ned i store lagertanker under bakken. Her spres saltet med atombrenselet så mye ut at kjedereaksjonene går i stå.

Smeltet salt-kraftverket kan vise seg å bli et virkelig blinkskudd, med trygg og effektiv kjernekraft i årtusener.

Reaktoren fôres med thorium

De nye reaktorene vil være ideelle til å forbrenne thorium, og de vil åpne en ny og nærmest uuttømmelig energikilde. Thorium kan ikke spaltes selv, men det kan konverteres til uran-233 ved nøytronbestråling i en reaktor.

Smeltet salt-reaktorer vil bruke energien i thorium ekstremt effektivt sammenlignet med dagens atomkraftverk, som bare bruker rundt 6,5 prosent av uranet.

De nye reaktorene vil kunne utnytte all energien i thorium, og derfor blir brenselsforbruket mye lavere.

4,4 tonn thorium krever det å dekke strømforbruk til norske husholdninger – 38,8 TWh – til sammenligning ville det kreve 950 tonn uran.

Et vanlig atomkraftverk med en kapasitet på 1000 MW bruker årlig 35 tonn anriket uran, som produseres ut fra 250 tonn uran som utvinnes fra gruver. En smeltet salt-reaktor med samme strømproduksjon vil kunne klare seg med et enkelt tonn thorium. Mengdene av radioaktivt avfall blir tilsvarende mindre.

I tillegg vil avfallet fra thorium bare være høyradioaktivt i 300 år, mens brenselet fra dagens atomkraftverk må deponeres i 100.000 år.

På globalt plan er forekomstene av thorium tre–fire ganger større enn reservene av uran, og på grunn av det lave drivstoff­forbruket kan thorium forsyne kloden med energi i flere årtusener, mens de kjente reservene av uran bare vil kunne dekke noen ganske få århundrer.

Thorium kan presses til keramiske piller

  • Thorium utvinnes av monazitt.
  • I sin rene form er thorium et sølvskimrende metall.
  • Keramiske piller av thoriumdioksid skal testes i en ny indisk reaktor og i norske forsøksanlegg.

Thorium tas i bruk nå

Thorium finnes naturlig i bakken og er et svakt radioaktivt, sølvskimrende metall. Det kan håndteres uten store sikkerhetsforanstaltninger. Metallet finnes på alle kontinenter, og interessen for å utnytte thorium er naturligvis størst i land som har store reserver.

Et eksempel er Norge, hvor firmaet Thor Energy sammen med Institutt for energiteknikk i Halden utvikler og tester keramiske brenselsstaver med thorium, som kan brukes i dagens atomkraftverk uten at de må bygges fullstendig om.

For å oppnå dette blandes thorium med uran eller plutonium, som leverer de nøytronene som skal sette i gang konverteringen av thorium til uran. Når et nøytron treffer thorium, absorberes det, slik at det dannes thorium-233.

Thorium-233 brytes raskt ned til protactinium-233, som deretter brytes ned til uran-233. Atomkjernen spaltes og holder kjedereaksjonene i gang.

I dag

Thorium kan blandes med atombrensel

Det norske firmaet Thor Energy utvikler brenselsstaver som inneholder thorium blandet med uran.

Brenselsstaver testes i en forsøksreaktor

De norske brenselsstavene skal brukes i eksisterende atomkraftverk.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Thorium og uran-235 blandes sammen

Keramisk thoriumoksid blandes med for eksempel uran-235 (gul), som kan utvinnes av brukt atombrensel. Uranatomkjernene er ustabile, det vil si at de spaltes spontant.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Uran setter fart I prosessene

Ved kjernespaltningen sender uran-235 (gul) ut nøytroner (rød) som treffer thorium og konverterer det til et annet uran-isotop, uran-233 (oransj). Prosessen skaper varme som koker vann og driver en turbin.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaksjonen går av seg selv

Etter hvert er så mye thorium konvertert til uran-233 (orange) at kjedereaksjonene fortsetter automatisk: Uran-233 sender ut nye nøytroner (rød), som konverterer mer thorium til uran-233, som spaltes og så videre.

Claus Lunau & Anders Bothmann

India, som har verdens fjerde største reserver av thorium, satser tungt på det nye atombrenselet. Siden 1996 har landet hatt en forsøksreaktor som går på uran-233 som er produsert ved å nøytronbestråle thorium i en annen reaktor.

I år starter de opp en prototypereaktor med en kapasitet på 10 MW. Til sammenligning hadde Fukushima-reaktorene en kapasitet på 1100 MW. Thoriumreaktoren skal primært produsere elektrisitet ut fra plutonium, men reaktorkjernen omgis av en kappe som inneholder thorium, som via nøytronbestråling konverteres til uran-233, som leverer en mindre del av energiproduksjonen.

På 2020-tallet forventer India å være klare med en reaktor på 300 MW, som skal gå på en blanding av thorium, uran og plutonium, og her skal 60 prosent av energien komme fra keramiske piller av thoriumdioksid. Planen er at en tredjedel av Indias strøm­forbruk skal dekkes av thorium i 2050.

Thorium skal inngå i fjerde generasjon av atom-­reaktorer.

  • Generasjon 1

    Små prototyper produserer den første strømmen
    1950-tallet: Brenselet var omgitt av grafitt. Reaktortypen falt i unåde etter en ulykke der grafitten begynte å brenne, med et utslipp som resultat.

  • Generasjon 2

    Dagens atomkraftverk er lettvannsreaktorer
    I dag: Reaktortanken er fylt med vann som bremser opp nøytroner fra kjernespaltningene. Vannet kokes til damp, som driver de strømproduserende turbinene.

  • Generasjon 3

    Sikkerheten mot radioaktive utslipp økt
    2020: Finske Olkiluoto 3 blir verdens sikreste atomkraftverk. Reaktortanken omgis av et 2,6 meter tykt betongskall som kan tåle at et fly braker inn i det.

  • Generasjon 4

    Thorium og brukt atombrensel blir drivstoff
    2030: Høytemperaturreaktorer og smeltet salt-reaktorer vinner frem. Høytemperaturkraftverk vil kunne levere billig strøm i slutten av 2020-årene. Med smeltet salt-reaktorer, som går på thorium og atomavfall, elimineres risikoen for radioaktive utslipp.

Mens inderne utvikler thoriumkraftverk med fast brensel, har Kina tatt føringen når det gjelder de mer avanserte reaktorene som forbrenner flytende atombrensel oppløst i smeltet salt.

En kinesisk testreaktor med en kapasitet på 10 MW skal være klar i 2022. Ved oppstarten brenner reaktoren uran, men reaktortanken omgis av en kappe av thorium, som under driften stråles med nøytroner og konverteres til uran-233.

Det uranet som produseres på denne måten, tilføres reaktortanken i takt med at det opprinnelige brenselet brukes opp. Derfor kan reaktoren etter oppstarten drives kun med naturlig thorium, som starter i kappen og ender i reaktortanken.

I 2030 planlegger kineserne å bygge en demonstrasjonsreaktor på 100 MW, noe som skal bane vei for kommersielle atomkraftverk basert på thorium og smeltet salt.

Atomkatastrofer er fortid

I et thoriumbasert smeltet salt-kraftverk består brenselet i reaktortanken av uran-233, som er oppløst i saltet, som består av litiumfluorid og berylliumfluorid.

Saltblandingen er ekstremt kjemisk stabil og påvirkes ikke av nøytronbestråling. Dessuten kan saltet verken brenne eller eksplodere, og det begynner først å koke ved 1400 grader, noe som ligger langt over reaktorens arbeidstemperatur på 700 grader.

Hvis saltet blir for varmt, utvider det seg, slik at avstanden mellom uranatomene økes. Det betyr færre kjernespaltninger og dermed en redusert varmeproduksjon, slik at saltet synker sammen igjen.

Dermed fungerer reaktoren som en termostat som regulerer varmen selv. Derfor er en ulykke av Tsjernobyl-typen utelukket. Brenselet kan heller ikke smelte ned på katastrofalt vis fordi det allerede er smeltet under vanlig drift.

Strømproduksjonen skjer som i et vanlig atomkraftverk. Når saltblandingen med flytende uran-233 har blitt varmet opp ved kjernespaltningene, sendes blandingen gjennom et ytre kretsløp. Det er i dette kretsløpet varmen utnyttes til å drive en strømproduserende turbin.

Om 10 år

Smeltet salt-reaktoren regulerer seg selv

Et smeltet salt-kraftverk fungerer ved at thorium hele tiden konverteres til spaltbart uran-233. Dessuten er reaktoren en selvstyrende termostat, noe som sikrer at en katastrofe som Tsjernobyl aldri vil kunne gjenta seg.

Reaktoren er bare tre fjerdedeler fylt med smeltet salt. Hvis kjedereaksjonene blir for kraftige, stiger saltets temperatur, og det utvider seg. Avstanden mellom uranatomene økes, og kjernespaltningene dempes. Ttemperaturen faller, saltet trekker seg sammen igjen, og den normale driften er gjenetablert av seg selv.

Smeltet salt-kraftverk

Når kjernespaltningene først er satt i gang, kan en smeltet salt-reaktor gå på rent thorium som kraftverket selv konverterer til uran. Reaktoren er trygg selv om strømmen svikter.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktortank

Uran-233 brukes i reaktortanken, der uran er oppløst i smeltet salt. Kjerneprosessene varmer saltet opp til en temperatur på om lag 700 grader.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Thoriumkappe

Reaktortanken er omgitt av en kappe hvor thorium også er oppløst i smeltet salt. Kappen beskytes av nøytroner fra kjernespaltningene i reaktortanken. Dermed konverteres noen av thorium-atomene til uran-233.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Separasjonsanlegg

Det smeltede saltet fra kappen flyter gjennom et helt eget separasjonsanlegg. Det skiller ut uran-233 som er skapt ved nøytronbestrålingen. Dette uranet sendes videre til et brenselsanlegg, mens kappen får tilført nytt thorium utenfra til å erstatte det som har blitt konvertert til uran.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Brenselsanlegg

Smeltet salt fra reaktortanken ledes gjennom brenselsanlegget, der det renses for atomavfall. Samtidig tilføres nytt uran-233, som er skapt i thoriumkappen, før saltet sendes i retur til tanken.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Varmeveksler

Varmen fra det smeltede saltet utnyttes til å produsere strøm via en varmeveksler som koker vann til damp og fører det inn i turbinene.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Sikkerhetspropp

Hvis strømmen svikter, smelter det varme saltet en frossen bunnpropp, som normalt holdes avkjølt med en elektrisk fryser. Deretter glir saltet ned i lagertanker hvor det spres så mye at kjedereaksjonene i atombrenselet går i stå.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktoren blir en avfallskvern

Atomavfallet fra et anlegg som er basert på thorium og smeltet salt, inneholder ingen langtidsaktive radioaktive stoffer. Derfor er det nok å deponere avfallet i 300 år før radioaktiviteten er borte.

Til gjengjeld er avfallet så radioaktivt i begynnelsen at det må håndteres med fjernstyrte roboter.

En annen fordel ved denne typen anlegg er at de kan brenne radioaktivt avfall fra vanlige atomkraftverk.

Dagens atomkraftverk utnytter bare opp mot 6,5 prosent av mengden uran-235 som finnes i brenselsstavene. Etter dette inneholder ikke stavene nok aktivt uran til at de sentrale kjedereaksjonene holder seg stabile.

Ved å ta i bruk atomavfallet i de nye reaktorene kan all energien i dette materialet utnyttes. En smeltet salt-reaktor som går på atomavfall, er en enklere konstruksjon enn et anlegg som henter energi fra thorium.

Reaktortanken trenger nemlig ikke en kappe med thorium som må bestråles med nøytroner. Her oppløser man bare atom­avfallet i det varme saltet og heller det rett inn i den eksisterende reaktortanken.

Thorium gir langt mindre atomavfall enn uran

En smeltet salt-reaktor med en kapasitet på 1000 MW klarer seg med bare ett tonn naturlig thorium i året, mens et vanlig atomkraftverk brenner 35 tonn anriket uran. Avfallet er dessuten mindre farlig.

Utvinning: Uran

En typisk atomreaktor bruker 250 tonn naturlig uran i året (oransje klosser). Før bruk konverteres det til 35 tonn anriket uran (gule klosser), derav tre–fem prosent som er brukbar uran-235, mens resten er uran-238.

Forbrenning: Uran

Uran-235 kan bare utnyttes delvis, mens noe av den ikke-spaltbare uran-238 som er med i prosessen, konverteres til spaltbart plutonium-239, som også bare utnyttes delvis.

Avfall: Uran

Kraftverket produserer 35 tonn avfall. Det består af 33,4 tonn uran-238, 0,3 tonn uran-235, 0,3 tonn plutonium og 1 tonn restprodukter. De brukte brendselsstavene må deponeres trygt i 100.000 år.

Utvinning: Thorium

En smeltet salt-reaktor forbruker årlig et tonn thorium, som ikke må gjennomgå en omstendelig prosess for anrikning.

Forbrenning: Thorium

Thoriumet konvertertes til spaltbart uran-233 og utnyttes fullstendig. Avfallet utgjøres av ett tonn spaltningsprodukter som består av radioaktive atomer som er for små til å kunne brukes.

Avfall: Thorium

83 prosent av det høyradioaktive avfallet henfaller til ikke-radioaktive stoffer på bare 10 år, mens 17 prosent må deponeres trygt i 300 år. Da står det igjen 100 gram plutonium som kan bli til nytt atombrensel.

Keramikk skal motvirke rust

Selv om smeltet salt-reaktorer fortsatt ligger et stykke inn i fremtiden, er ikke ideen ny. På 1960-tallet var en forsøksreaktor i drift på det amerikanske atomanlegget Oak Ridge.

Reaktoren virket fint, men avslørte teknologiens svake punkt: Det smeltede saltet får metallene i reaktortanken til å ruste. Den største utfordringen blir derfor å utvikle materialer som kan tåle glovarmt salt og nøytronbestråling gjennom tiår.

I Oak Ridge var reaktortanken og rørsystemet produsert av en nikkellegering som tålte belastningen i fire år, men metallet kan neppe tåle 30–40 års drift i et atomkraftverk. Derfor setter forskerne sin lit til rustfri keramikk av silisiumkarbid, som kan vise seg å være nøkkelen til fremtidens enkle, sikre og effektive kjernekraft.

Verdens første atomkirkegård ligger i Finland

Finland har nå, som det første landet i verden, sørget for et virkelig sluttdepot, hvor landets høy­radioaktive avfall skal begraves en halv km under jordoverflaten i geologisk stabil granitt.

Her skal de brukte brenselsstavene ligge i 100.000 år, mens radioaktiviteten faller mot et nivå som tilsvarer strålingen i naturlige bergarter. Sverige har valgt samme løsning ved Forsmark. Sluttdepotene i de to skandinaviske landene tas i bruk på 2020-tallet.

I USA skal høyradioaktivt avfall fra 2048 begraves i Yucca Mountain i Nevada. Ingen andre land har tatt stilling til hva de vil gjøre med atomavfallet sitt.

Atomkirkegården begraves 500 meter under jordoverfladen

1 / 3

undefined

123

Atomkirkegården ligger i et geologisk stabilt område og kan holde i 100.000 år.

© Posiva Oy

I fremtiden

Overskuddsenergi skal tvinges ut av atomavfall

350.000 tonn høyradioaktivt atomavfall er deponert i midlertidige lagre verden over. Nye reaktortyper basert på smeltet salt kan fjerne en del av avfallet.

Dagens atomkraftverk bruker bare opp mot 6,5 prosent av den mengden uran-235 som er tilgjengelig i brenselsstavene. Deretter lønner det seg ikke å bruke brenselet.

Smeltet salt-reaktorer kan brenne alt det spaltbare materialet i brukt brensel, og deretter kan de gjenværende radioaktive stoffene deponeres i bare noen århundrer.

Smeltet salt-reaktorer kan imidlertid ikke fjerne avfallsproblemene helt uten videre. Flibe Energy i USA har beregnet at vi hver dag gjennom 93 år må åpne et 100-MW-kraftverk for å få bukt med de enorme mengdene av høyradioaktivt avfall.

Derfor har vi et akutt behov for å bygge sikre lagringsplasser som kan erstatte dagens midlertidige depoter.

Depoter med atomavfall er i dag sårbare ved naturkatastrofer og terror.

© Thomas Imo/Getty Images

Les også:

Atomkraft

Nytt kraftverk skal spise atomavfall

0 minutter
Tsjernobyl
Atomkraft

Tsjernobyl skal produsere energi igjen

0 minutter
Atomkraft

Flytende atomkraftverk seiler forbi

1 minutt

Logg inn

Feil: Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!