Radioaktivt mirakelmedel ska ge oss energi för årtusenden

På 2030-talet kommer torium och smält salt att ge en nästan idiotsäker kärnkraft. Framtidens reaktorer blir extremt effektiva och ger upphov till ett minimum av radioaktivt avfall.

Shutterstock

Temperaturen och trycket i reaktortanken stiger.

Normalt får det larm att börja tjuta och röda lampor att blinka i kärnkraftverkets kontrollrum. Operatörerna måste omedelbart gripa in och dra ned på kedjereaktionen så att reaktortanken inte sprängs i bitar.

Men nu skriver vi 2030-talet och operatörerna lyfter inte ens på ögonbrynen.

Den nya smält salt-reaktorn dämpar kärnklyvningen på egen hand och sänker temperaturen utan att de behöver reagera.

De får inte ens panik om strömmen till verket försvinner, som när jordskalvet och tsunamin drabbade det japanska kärnkraftverket i Fukushima.

Det varma saltet i reaktor­tanken smälter en propp i botten och glider sedan ned i stora förvaringstankar under marken. Här sprids saltet med det upplösta kärnbränslet så mycket att bränslets kedjereaktioner avstannar.

Smält salt-kraftverket kan visa sig bli en gås som värper gyllene ägg och ger säker och effektiv kärnkraft i tusentals år.

Reaktorn fodras med torium

De nya reaktorerna är idealiska för att förbränna torium och ger en ny och nästan outsinlig energikälla. Torium kan inte klyvas i sig, men kan ombildas till klyvbart uran-233 genom neutronbestrålning i en reaktor.

Smält salt-reaktorer kan förbränna torium extremt effektivt jämfört med dagens kärnkraftverk som bara förbränner upp till 6,5 procent av uranet.

De nya reaktorerna kommer att kunna utnyttja all energin i torium och därför blir bränsleförbrukningen mycket lägre.

15,3 ton torium krävs det för att täcka Sveriges årliga strömförbrukning på 135,6 TWh – vilket skulle motsvara 3 800 ton uran.

Ett vanligt kärnkraftverk med en kapacitet på tusen megawatt förbrukar varje år 35 ton anrikat uran som framställs ur 250 ton uran från gruvor. En smält salt-­reaktor med samma elproduktion kan klara sig med bara ett ton utvunnet torium.

Mängderna av radioaktivt avfall blir motsvarande mindre. Avfallet från torium kommer också bara att vara kraftigt radioaktivt i 300 år medan det använda bränslet från dagens kärnkraftverk måste deponeras i 100 000 år.

Globalt sett är förekomsterna av torium tre–fyra gånger större än reserverna av uran, och den låga bränsleförbrukningen gör att torium kan förse jorden med energi i flera tusentals år medan de kända reserverna av uran bara räcker i ett par århundraden.

Torium kan pressas till keramiska piller

  • Torium utvinns av mineralet monazit.
  • I sin rena form är torium en silver­glänsande metall.
  • Keramiska piller av toriumdioxid ska testas i en ny indisk reaktor och i norska försöksanläggningar.

Torium börjar användas nu

Torium finns naturligt i marken och är en svagt radioaktiv, silverglänsande metall som kan hanteras utan stora säkerhetsför­beredelser. Metallen finns på alla kontinenter och intresset för att utnyttja torium är naturligtvis störst i länder med stora reserver.

Ett exempel är Norge, där företaget Thor Energy tillsammans med Institutet för Energi­teknik i Halden utvecklar och testar keramiska bränslestavar med torium, som kan användas i dagens kärnkraftverk utan att de behöver byggas om.

För att lyckas med det blandas torium med uran eller plutonium, som levererar de neutroner som ska sätta igång ombildning av torium till uran. När en neutron träffar torium absorberas den, vilket bildar
torium-233.

Torium-233 sönderfaller snabbt till proactinium-233, vilket i sin tur sönder­faller till uran-233. Atomkärnan klyvs och kedjereaktionen hålls igång.

I dag

Torium kan blandas med kärnbränsle

Det norska företaget Thor Energy utvecklar bränslestavar som innehåller torium blandat med uran.

Bränslestavar testas i en försöksreaktor

De norska bränslestavarna ska användas i befintliga kärnkraftverk.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Torium och uran-235 blandas ihop

Keramisk toriumoxid blandas med till exempel klyvbart uran-235 (gul), som kan utvinnas ur använt kärnbränsle. Uranatomkärnorna är instabila, vilket betyder att de klyvs spontant.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Uran sätter igång processerna

Vid kärnklyvningen avger uran-235 (gul) neutroner (röd) som träffar torium (grön) och ombildar det till en annan uranisotop, uran-233 (orange). Processen avger värme som kokar vatten och driver en turbin.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktionen fortsätter av sig själv

Efterhand har så mycket torium (grön) ombildats till uran-233 (orange) att kedjereaktionen fortsätter automatiskt. Uran-233 avger nya neutroner (röd) som ombildar mer torium till uran-233, som klyvs och så vidare.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Indien, som har världens fjärde största reserver av torium, satsar stort på det nya kärnbränslet. Sedan 1996 har landet kört en försöksreaktor på uran-233, som framställts genom att torium neutronbestrålats i en annan reaktor.

I år startas en prototypreaktor med en kapacitet på tio megawatt. Fukushimas reaktorer hade en kapacitet på 1 100 megawatt. Toriumreaktorn ska huvudsakligen producera ström från plutonium men reaktorkärnan omges av en kappa av torium som bestrålas av neutroner och ombildas till uran-233, vilket levererar en mindre del av energiproduktionen.

Någon gång efter 2020 räknar Indien med att starta en 300 MW-reaktor som ska förbränna en blandning av torium, uran och plutonium, och här ska 60 procent av energin komma från keramiska piller av toriumdioxid. Planen är att en tredjedel av Indiens elförbrukning ska täckas av torium 2050.

Torium ska ingå i fjärde generationen av kärnreaktorer.

  • Generation 1

    Små prototyper producerade den första strömmen
    1950-talet Bränslet var omgivet av grafit. Reaktortypen föll i onåd efter en olycka i England, där grafiten fattade eld och gav ett radioaktivt utsläpp.

  • Generation 2

    Dagens kärnkraftverk är lättvattenreaktorer
    I dag: Reaktortanken är fylld med vatten som bromsar kärn­klyvningens neutroner. Vattnet förångas och driver de ström­producerande turbinerna.

  • Generation 3

    Skyddet mot radio­aktiva utsläpp ökas
    2020: Finska Olkiluoto 3 blir världens säkraste kärnkraftverk. Reaktortanken omges av ett 2,6 meter tjockt betongskal som kan tåla en flygplanskrasch.

  • Generation 4

    Drivs på torium och använt kärnbränsle
    2030: Högtemperaturreaktorer och smält salt-reaktorer gör sitt intåg. Högtemperaturkraftverk kan leverera billig ström i slutet av 2020-talet. Med smält saltreaktorer, som kör på torium och kärnavfall, elimineras risken för radioaktiva utsläpp.

Medan indierna utvecklar toriumkraftverk med fast bränsle har Kina kommit längst när det gäller de mer avancerade smält salt-reaktorerna som förbränner flytande kärnbränsle upplöst i smält salt.

En kinesisk pilotreaktor med en kapacitet på tio megawatt ska vara klar 2022. Vid starten förbränner reaktorn klyvbart uran, men reaktortanken omges av en kappa av torium som under driften bestrålas med neutroner och ombildas till klyvbart uran-233.

Det nybildade uranet tillförs reaktortanken i takt med att det ursprungliga bränslet förbrukas. Reaktorn kan därför efter start drivas enbart med naturligt torium som börjar i kappan och slutar i reaktortanken.

2030 planerar kineserna att bygga en demonstrations­reaktor på 100 megawatt, som ska bana väg för kommersiella smält salt-kärnkraftverk baserade på torium.

Kärnkraftskatastrofer är historia

I ett toriumbaserat smält salt-kraftverk består bränslet i reaktortanken av uran-233 som är upplöst i smält salt bestående av litiumfluorid och berylliumfluorid.

Salt­bland­ningen är extremt kemisk stabil och tar inte skada av neutronbestrålning. Saltet kan inte heller explodera eller fatta eld och det börjar inte koka förrän vid 1 400 grader, vilket är långt över reaktorns arbetstemperatur på 700 grader.

Om saltet blir för varmt utvidgas det så att avståndet mellan uranatomerna ökar. Det betyder färre kärnklyvningar och därmed lägre värmeproduktion vilket gör att saltet sjunker ihop igen.

Reaktorn fungerar på samma sätt som en termostat som själv reglerar värmen. Därför kan reaktorn inte koka över, som den gjorde i Tjernobyl. Bränslet kan inte heller råka ut för en härdsmälta eftersom det redan är smält under normal drift.

Elproduktionen sker som i ett vanligt kärnkraftverk. När saltblandningen med flytande uran-233 har värmts upp av kärnklyvningen skickas blandningen genom ett yttre kretslopp där värmen används för att driva en strömproducerande turbin.

Om 10 år

Smält salt-reaktorn reglerar sig själv

Ett smält salt-kraftverk fungerar genom att torium konstant ombildas till klyvbart uran-233. Dessutom är reaktorn en själv­reglerande termostat som säkerställer att en katastrof som Tjernobyl aldrig kan inträffa.

Reaktorn är bara till tre fjärdedelar fylld med smält salt. Om kedjereaktionen blir för kraftig stiger saltets temperatur och det utvidgas. Avståndet mellan uran­ato­mer­na ökar och kärnklyvningen dämpas. Temperaturen faller, saltet drar ihop sig igen och normal drift har återupprättats automatiskt.

Smält salt-kraftverk

När kärnklyvningen väl har inletts kan en smält salt-reaktor köra på rent torium, vilket kraftverket själv ombildar till klyvbart uran. Reaktorn är säker även vid ett strömavbrott.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktortank

Uran-233 förbränns i reaktortanken där uranet är upplöst i smält salt. Klyvningsprocesserna värmer saltet till dess drifttemperatur på cirka 700 grader.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Toriumkappa

Reaktortanken omges av en kappa där torium också är upplöst i smält salt. Kappan bombarderas av neutroner från kärnklyvningen i reaktortanken. Detta gör att några av torium­atomerna ombildas till uran-233.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Separationsanläggning

Det smälta saltet från kappan flyter genom en separations­anläggning. Här skiljs den uran-233 ut, som bildats vid neutron­bestrålningen. Uranet skickas vidare till en bränsleanläggning medan kappan tillförs nytt torium utifrån för att ersätta den mängd som har ombildats till uran.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Bränsleanläggning

Smält salt från reaktortanken leds genom bränsle­anlägg­ningen där det rensas från kärn­avfall. Samtidigt tillförs ny uran-233 som skapats i torium­kappan innan saltet återsänds till reaktortanken.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Värmeväxlare

Värmen från det smälta saltet används för att producera ström via en värmeväxlare som förångar vatten och leder den in i turbinerna.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Säkerhetspropp

Om strömmen går smälter det varma saltet en frusen botten­propp som normalt hålls nedkyld med en elektrisk frysenhet. Sedan glider saltet ned i lagringstankar där det sprids ut så mycket att kedjereaktionen i kärnbränslet avstannar.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktorn blir en avfallskvarn

Kärnavfallet från en smält salt-anläggning som körs på torium innehåller inga radio­aktiva ämnen med lång halveringstid. Dess avfall behöver därför bara deponeras i 300 år innan radioaktiviteten har klingat av.

I gengäld är kärnavfallet i början så kraftigt radioaktivt att det måste hanteras med fjärrstyrda robotar.

En annan fördel med smält salt-reaktorer är att de kan förbränna klyv­bart material i det använda bränslet från vanliga kärnkraftverk.

Dagens kärnkraftverk ut­nyttjar inte mer än ungefär 6,5 procent av det uran-235 som finns i bränslestavarna. Därefter innehåller stavarna inte längre tillräckligt mycket klyvbart uran för att upprätthålla en stabil kedjereaktion.

Genom att förbränna kärnavfall i en smält salt-reaktor kan allt klyvbart material utnyttjas. En smält salt-reaktor som bränner kärnavfall är en enklare konstruktion än ett motsvarande verk som hämtar energi från torium.

Reaktortanken behöver nämligen inte en kappa med torium som ska neutronbestrålas. Här upplöser man bara kärn­avfallet i det varma saltet och häller in det direkt i reaktortanken.

Torium ger betydligt mindre kärnavfall än uran

En smält salt-reaktor med en kapacitet på tusen megawatt behöver inte mer än ett ton naturligt torium per år, medan ett vanligt kärnkraftverk förbränner 35 ton anrikat uran. Avfallet är dessutom mindre farligt.

Utvinning: Uran

En typisk reaktor förbrukar 250 ton naturligt uran per år (orange kuber). Innan förbränningen ombildas det till 35 ton anrikat uran (gula kuber), varav tre till fem procent är användbart uran-235 medan resten är uran-238.

Förbränning: Uran

Uran-235 kan bara förbrännas till viss del medan en del av det oklyvbara uran-238 ombildas till klyvbart plutonium-239, som också bara förbränns till viss del.

Avfall: Uran

Kraftverket producerar 35 ton kärnavfall. De använda bränslestavarna ska deponeras säkert i 100 000 år.

Utvinning: Torium

En smält salt-reaktor förbrukar årligen ett ton torium som inte behöver genomgå någon omständlig anrikningsprocess.

Förbränning: Torium

Toriumet ombildas till klyvbart uran-233 och förbränns helt. Avfallet utgörs av ett ton klyvningsprodukter bestående av radioaktiva atomer som är för små för att kunna klyvas.

Avfall: Torium

83 procent av det radioaktiva avfallet faller sönder till ej radioaktiva ämnen på bara tio år medan 17 procent ska deponeras säkert i 300 år. 100 gram plutonium återstår och kan återanvändas i nytt kärnbränsle.

Keramik ska motverka rost

Trots att smält salt-reaktorer fortfarande ligger en bit in i framtiden är idén inte ny. På 1960-talet var en försöksreaktor i drift på kärnkraftsanläggningen Oak Ridge i USA.

Reaktorn fungerade bra men avslöjade en öm punkt för tekniken: Det smälta saltet får metallerna i reaktortanken att rosta. Den största utmaningen blir därför att utveckla robusta material som klarar glödhett salt och neutronbestrålning under årtionden.

I Oak Ridge var reaktortanken och rörsystemet tillverkat i en nickellegering som klarade belastningen i fyra år, men metallen klarar knappast 30–40 års drift i ett kärnkraftverk.

Därför hoppas forskarna på rostfri keramik av kiselkarbid, som kan visa sig vara nyckeln till framtidens enkla, säkra och effektiva kärnkraft.

Världens första kärnkraftskyrkogård ligger i Finland

Finland har nu som första land i världen börjat att inrätta en slutförvaring där landets kraftigt radio­aktiva avfall ska begravas en halv kilometer under jordytan i geologiskt stabil granit.

Här ska de använda bränslestavarna ligga i 100 000 år medan radio­aktiviteten klingar av till en nivå som motsvarar bakgrundsstrålningen. I Sverige har man valt samma lösning vid Forsmark. Slutförvaringarna i Sverige och Finland tas i bruk på 2020-­talet.

I USA ska radioaktivt avfall från och med år 2048 begravas i Yucca Mountain i Nevada. Inga andra länder har bestämt vad de ska göra med sitt kärnavfall.

Kärnkraftskyrkogården begravs 500 meter under jordytan

1 / 3

undefined

123

Kärnkraftskyrkogården ligger i ett geologiskt stabilt område och ska hålla i 100 000 år.

© Posiva Oy

I framtiden

Ytterligare energi ska utvinnas ur kärnavfall

350 000 ton mycket radioaktivt kärnavfall har deponerats i tillfälliga lager över hela världen. Smält salt-reaktorer kan ta hand om en del av avfallet.

Dagens kärnkraftverk förbränner bara upp till 6,5 procent av bränslestavarnas klyvbara uran 235. Därefter är det inte längre lönt att utnyttja bränslet längre.

Smält salt-reaktorer kan förbränna allt klyvbart material i det kärnbränsle som används och därefter behöver återstående radioaktivt material bara deponeras i några århundraden.

Smält salt-reaktorer kan dock inte åtgärda avfallsproblemen i en handvändning. Flibe Energy i USA har beräknat att vi varje dag i 93 år måste starta ett kraftverk på 100 megawatt för att få bukt med dagens berg av radioaktivt avfall.

Därför finns det ett akut behov av att bygga säkra slutförvaringar som kan ersätta dagens tillfälliga deponier.

Depåer med kärnavfall är i dag sårbara för naturkatastrofer och terror.

© Thomas Imo/Getty Images

Läs också:

Atomkraft

Nytt kraftverk ska äta kärnavfall

0 minuter
Tjernobyl
Atomkraft

Tjernobyl ska producera energi igen

0 minuter
Atomkraft

Radioaktiviteten i Fukushima har plötsligt stigit explosionsartat

2 minuter
Mest populära

Logga in

Fel: Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
VisaDölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!