Flytande kärnkraftverk lägger till i hamnen

Nya kärnreaktorer baserade på flytande salt är så små att de kan installeras på pråmar. De flytande kärnkraftverken ska lägga till i hamnar i världens storstäder och förse dem med energi när sol- och vindkraften inte räcker till.

Nya kärnreaktorer baserade på flytande salt är så små att de kan installeras på pråmar. De flytande kärnkraftverken ska lägga till i hamnar i världens storstäder och förse dem med energi när sol- och vindkraften inte räcker till.

Shutterstock & Seaborg

En dag i början av 2030-talet bogseras en 285 meter lång pråm till kajen i storstadens gamla kolhamn. Där har fraktfartyg i generationer lossat enorma berg av kol, som man eldat med i det närliggande kraftverket.

Varje dag vällde den mörkgrå röken ut ur de höga skorstenarna. För några årtionden sedan plågade de hälsovådliga luftföroreningarna invånarna, medan deras vackra miljö förgiftades av surt regn.

Lyckligtvis renas röken sedan länge från svavel och kväveoxid, men i gengäld har stadens koldioxidutsläpp ökat dramatiskt i takt med att invånarna blivit fler och deras elförbrukning gått upp.

Nu är det slut med det. På pråmen finns åtta små kärnreaktorer, som i framtiden ska garantera den levande miljonstadens elförsörjning i kombination med vindkraftsparken utanför kusten och solcellspanelerna på backarnas sydsidor.

Kärnkraft kan göra storstädernas elförsörjning koldioxidfri.

I samma stund som pråmens kärnkraftverk ansluts till elnätet och ersätter kolkraftverket blir elen i vägguttagen klimatneutral. Under de kommande tolv åren ska de åtta reaktorerna befria staden från 67,2 miljoner ton koldioxidutsläpp och förse 1,6 miljoner hushåll med el.

På så vis kommer det flytande kärnkraftverket att bli den avgörande pusselbiten, som över en natt gör storstadens elförsörjning koldioxidfri. Dessutom kommer det att ske utan några stora anläggningskostnader och utan problem med att hitta lämplig mark för ett nytt kraftverk.

Danskt företag förespråkar kärnkraft

Flytande kärnkraftverk kommer att inta storstäder runtom i världen, åtminstone om det danska företaget Seaborg Technologies får bestämma. Man planerar nämligen att bygga tusentals minireaktorer som får plats i en container och som kan transporteras på lastbilar eller med tåg och fartyg.

Ett skeppsvarv i Sydkorea ska fylla reaktorerna med uranbränsle och bygga in dem i flytande pråmar som är utrustade med turbiner och generatorer för elproduktion. Därefter ska bogserbåtar dra ut pråmarna till energitörstande storstäder, som i många fall ligger vid antingen en kust eller en flod.

Kärnkraft, pråmar

Pråmarna ska byggas i flera varianter med två, fyra, sex eller åtta reaktorer, så att olika stora städers elbehov kan tillgodoses.

© Seaborg

Det finns naturligtvis kommersiella hänsyn att ta, men Seaborg ser det som sitt uppdrag att åstadkomma snabba och kraftiga minskningar av världens utsläpp av växthusgaser med en ny typ av kärnkraft, som är både mer flexibel och säkrare än traditionell kärnkraft. Till en början satsar företaget huvudsakligen på att ersätta kolkraftverk i Asien.

Saltlösning utnyttjar uranet bättre

Dagens reaktorer, som använder fast kärnbränsle, utnyttjar bara omkring sex procent av bränslestavarnas klyvbara uran-235. Efter det har stavarna inte längre tillräckligt mycket klyvbart uran för att energiutvinningen ska bli lönsam.

Dessutom uppstår det med tiden sprickor i stavarna till följd av det kraftiga neutronbombardemang som sker i samband med kärnklyvningarna. Även det begränsar deras livslängd.

Båda dessa problem elimineras i Seaborgs minireaktorer, vars bränsle består av flytande uran som har lösts upp i smälta fluoridsalter. Saltblandningen skadas inte av neutronbestrålning och man behöver inte avlägsna uranet från reaktorn, eftersom i stort sett allt klyvbart material används. Därför är mängden bränsleavfall liten, och avfallet går inte heller att använda vid tillverkning av kärnvapen.

Uran

Minireaktorerna drivs av uran uppblandat med fluoridsalter. Under driften är saltet flytande och 700 grader varmt.

© Depositphotos

Reaktorer med smält salt utvecklades redan på 1960-talet, men de konkurrerades ut av lättvattenreaktorer, som förutom att producera el även levererade plutonium till supermakternas snabbt växande kärnvapenlager under kalla kriget.

Mycket liten reaktor

Seaborgs reaktorer är emellertid inte helt och hållet ett gammalt koncept. De innehåller en viktig teknisk innovation som möjliggör en extremt liten reaktor.

När bränslesaltets uran klyvs avges två eller tre neutroner som kan starta nya kärnklyvningar och på så vis hålla i gång en kedjereaktion. Neutronerna avges dock i så hög hastighet att de vanligen kastas tillbaka från urankärnorna, ungefär som hagel som skjuts mot ett metallklot.

För att kunna tränga in i urankärnorna måste neutronerna bromsas ner. I reaktorer med smält salt har man traditionellt använt grafit som moderator, det vill säga bromskloss. Neutronerna måste emellertid tränga igenom ett par meter grafit innan de har saktats ner tillräckligt. Därför finns det gränser för hur små reaktorerna kan bli.

I Seaborgs reaktor flyter bränslesaltet genom ett kretslopp av rör i reaktortanken. Rören omges av ett yttre rör med ett annat flytande salt, natriumhydroxid, som bromsar neutronerna.

Det effektiva utnyttjandet av uran i bränslesaltet innebär att bränslet tar mindre plats än i andra reaktorer. Samtidigt gör ett annat salt att kedjereaktionen i reaktorn kan ske på ett mycket litet område.

Salt i reaktor
© Ken Ikeda Madsen

1. Salt cirkulerar i reaktorn

Reaktorns bränslesalt (grönt) omges av moderatorsalt (gult). Det uppvärmda reaktorsaltet pumpas genom värmeväxlare (till höger), där värmen avges till vatten. Vattenånga driver sedan en turbin och en generator som producerar el.

Uran, kedjereaktion
© Ken Ikeda Madsen

2. Kedjereaktionen startar i bränslesaltet

Kärnreaktorn skapar energi genom att klyva uran-235. Spontana klyvningar i saltet friger neutroner, som träffar andra atomkärnor. När kärnan i en uran-235-atom tillförs en neutron övergår den till uran-236, som är en väldigt instabil atom.

Uran, klyvning
© Ken Ikeda Madsen

3. Klyvning av uran alstrar energi

Den instabila kärnan i uran-236 klyvs, varefter kärnkrafterna friges. Vid klyvningen frigörs också två eller tre neutroner, som i hög hastighet rör sig ut i moderatorsaltet. Neutronerna är dock för snabba för att kunna klyva nya atomkärnor.

Moderatorsaltet
© Ken Ikeda Madsen

4. Moderatorsaltet förbereder inför nya klyvningar

I moderatorsaltet bromsas neutronerna, så att de kan åstadkomma nya klyvningar när de når bränslesaltet igen. Nedbromsningen sker på några få centimeter. I andra reaktorer, som använder grafit som moderator, krävs flera meters bromssträcka.

Bromssaltet har nyligen testats på neutronacceleratorn Isis utanför Oxford i England. Försöken visade att saltet bromsar neutronerna effektivt efter bara några centimeter. Därför kan reaktorn vara så pass liten att den får plats i en container.

Teknikens svaghet är att smält salt är extremt korrosivt, vilket innebär att det får metallerna i reaktortanken och rörsystemet att rosta. Därför går det inte att använda vanligt rostfritt stål, utan man behöver utveckla metallegeringar som står emot korrosionen bättre över tid.

Seaborg försöker även åtgärda problemet genom att anpassa bränslesaltet på kemisk väg, så att det blir mindre korrosivt. Enligt företaget kommer reaktorerna att ha en livslängd på tolv år.

Minireaktorerna är mycket säkra

I reaktorer med smält salt är risken för olyckor extremt låg. Saltet kan nämligen varken brinna eller explodera och reaktorn kan inte råka ut för en härdsmälta, eftersom bränslet redan är smält under normal drift.

Dessutom har reaktorn en extra, mycket effektiv säkerhetsfunktion. I rörsystemet under reaktortanken sitter en bottenpropp av fryst salt som kyls med hjälp av ett elektriskt aggregat.

Om strömmen till kärnkraftverket bryts, till exempel på grund av en naturkatastrof, får det 700 grader varma saltet i reaktorn bottenproppen att smälta, varefter saltet rinner ner i en lagertank. Då sprids det flytande uranbränslet så mycket att kedjereaktionerna upphör.

Det värsta tänkbara scenariot är en bombning i ett krig eller vid en terrorattack, då det flytande bränslesaltet kan slungas ut i luften eller ner i vattnet. Även då har emellertid saltet en inbyggd säkerhetsfunktion.

Så snart saltet blir svalare än 490 grader stelnar det och blir till sten. Därför finns det ingen risk att ett radioaktivt moln skulle blåsa in över staden och förorena stora områden.

”Föroreningen sker bara precis runt reaktorn, där de radioaktiva stenarna kan avlägsnas av experter med rätt skyddsutrustning. Det blir naturligtvis dyrt och besvärligt, men uppgiften går att lösa”, säger Troels Schönfeldt, Seaborgs vd och medgrundare.

Kärnkraftspråmarna håller i 24 år

År 2026 ska Seaborg enligt planerna vara klara med den första demonstrationsreaktorn, som ska kunna leverera ström till elnätet. Företaget har siktat in sig på industriell serietillverkning med början tidigt 2030-tal.

De minsta kärnkraftspråmarna ska ha plats för fyra reaktorer i fyra lastrum mitt på fartyget. Varje reaktor genererar 100 megawatt, vilket täcker 200 000 hushålls elförbrukning. Vid leveransen sätts två reaktorer i drift och när de når slutet av sin livslängd sätts två nya reaktorer in i de tomma lastutrymmena.

Seaborgs minsta pråmar levereras med två reaktorer (1), som producerar el i tolv år. Därefter sätts två nya reaktorer in i de tomma lastutrymmena (2), så att pråmens totala livslängd blir 24 år.

© Seaborg

Efter 24 år bogseras pråmen bort och ersätts med en ny. Den gamla pråmen hamnar på en anläggning där det radioaktiva avfallet kan upparbetas. Lyckligtvis rör det sig inte om särskilt stora mängder avfall.

Under driften är reaktorn väl inpackad i en avskärmning av stål samt vattentankar som håller tillbaka strålningen från själva reaktorn. När den är uttjänt är det därför bara ett fåtal radioaktiva komponenter som behöver tas om hand.

Reaktorerna omges av en skyddande sköld som består av tre lager, som håller tillbaka neutroner och joniserande strålning från kärnklyvningarna. Två av lagren består av vatten (1 och 2), medan det tredje är av stål (3).

© Seaborg

Reaktortanken och rörsystemet kan packas ihop till en volym motsvarande två stycken tolv meter långa fartygscontainrar, medan bränslesaltet får plats i en tre meter lång container. Saltet innehåller två typer av radioaktiva ämnen, som kan separeras genom centrifugering.

Den ena typen är högradioaktiva klyvningsprodukter, som behöver deponeras i 300 år. I jämförelse behöver högradioaktivt avfall från dagens reaktorer deponeras i 100 000 år. Den andra typen av avfall är en liten rest av klyvbara ämnen, som kan överföras till nya bränsleblandningar i nästa grupp reaktorer och förbrännas där.

Reaktorerna kan drivas med avfallsprodukter

Seaborgs reaktorer kan användas som nukleära avfallskvarnar. I princip kan de från första början drivas av använt kärnbränsle från traditionella kärnkraftverk, i vilka bara en liten del av det klyvbara uranet i bränslestavarna förbrukas.

Det finns gott om sådant bränsle. På världsnivå förvaras 400 000 ton uttjänt kärnbränsle i mellanlager, vanligen bassänger där vatten kyler de använda bränslestavarna och skyddar mot strålning.

Uttjänt kärnbränsle är dock strikt reglerat, eftersom det kan innehålla plutonium, som används vid framställning av kärnvapen. Därför har Seaborg till en början valt att använda kommersiellt lågberikat uran i sina minireaktorer.

”Sol och vind räcker inte. Våra minireaktorer kan vara ett viktigt bidrag till den gröna omställningen.” Troels Schönfeldt, Seaborgs vd

Enligt Troels Schönfeldt är det inte avgörande. Det viktigaste för honom är att världen snabbt får ner koldioxidutsläppen och kan minska mängden växthusgaser i atmosfären, så att den globala uppvärmningen blir så liten som möjligt.

”Det räcker inte att bygga ut energikällor som sol- och vindkraft. Kärnkraft är en nödvändig del av lösningen och våra minireaktorer kan vara ett viktigt bidrag till den gröna omställningen”, menar Troels Schönfeldt.