Fremtidens kernekraft leveres af flydende salt: THORIUM GIVER SIKKER A-KRAFT Efter atomulykken ved Fukushima Dai-ichi i Japan er sikkerheden på atomkraftværker verden over igen på dagsordenen. Men på sidelinjen venter en revolutionerende teknologi. Smeltet salt-reaktoren bruger thorium i stedet for uran, er billigere at opføre og drive og kan hverken nedsmelte eller eksplodere. BIOPHOTO/SCANPIX A tomkraft har stadig en fremtid. For på trods af den alvorlige ulykke på det japanske atomkraftværk Fukushima Dai-ichi vil lande som fx Kina, Indien, Rusland og Sydkorea udbygge den rolle, som atomkraft spiller i energiforsyningen. Nye typer af reaktorer er ved at blive udviklet, og nye typer brændstof skal tages i brug. Det mest lovende bud på fremtidens atomkraft er det såkaldte LFTRdesign, der bruger tungmetallet thorium og flydende salt. Men også andre typer er med i kampen. Sikkerhed er nok den mest presserende udfordring i atomkraftindustrien i dag. Overalt i verden får de eksisterende atomkraftværker et ekstra sikkerhedstjek, og de gamle værker bliver løbende opgraderet med ny teknologi. Men det batter ikke ret meget der skal innovativt nybyggeri til, hvis atomkraft skal have en renæssance. Ekspertpanel vurderer nye design En international gruppe af eksperter kaldet The Generation IV International Forum har derfor fået til opgave at finde frem til de former for reaktorer, som mest oplagt kan erstatte de nuværende. De nye atomkraftværker skal være mere pålidelige og effektive, og så skal de ikke mindst være langt sikrere end dem, der findes i dag. Risikoen for skader på selve reaktorkernen skal være ekstremt lille, og skulle uheldet alligevel være ude, skal konsekvenserne af eventuelle skader være små. Desuden skal mængden af farligt affald minimeres, og det skal være uhyre svært at bruge resterne fra energiproduktionen til at fremstille atom bomber. Endelig skal atomkraftværkerne rent fysisk være godt beskyttet mod terrorangreb, og så skal de selvfølgelig helst være billige i konstruktion og drift. Med disse mål i baghovedet har ekspertgruppen undersøgt 130 forskellige forslag til konstruktionen af fremtidens atomkraftværker, og de har udvalgt seks reaktordesign, som er værd at se nærmere på. Atomkraftværker kan nemlig designes på mange forskellige måder. Udgangspunktet er altid tunge grundstoffer med atomkerner, der kan spaltes, hvorved der frigives energi. Når atomkernerne deler sig, udsender de også kernepartikler, der kaldes neutroner, og når neutronerne rammer nye atomkerner, gentager processen sig. På den måde holdes der gang i en kædereaktion, så der frigives energi, så længe der er spaltbare atomkerner til stede. Energien bliver til varme, der opvarmer vand, der går i kog og i dampform driver en turbine, som producerer 46 Af Henrik Bendix. Illustrationer: Mikkel Juul Jensen Illustreret Videnskab nr. 3/2012
Thorium blandet med flydende lithium- og berylliumsalt, kaldet FLiBe, er et genialt brændstof i en reaktor. OAK RIDGE NATIONAL LABORATORY Thoriumværket er hundrede gange mindre og 6000 gange billigere i drift Den klassiske URAN URANDREVET LETVANDSREAKTOR Den kombinerede URAN + THORIUM THORIUM-SEED AND BLANKET-REAKTOR Den ultimative THORIUM FLYDENDE FLUORSALT- THORIUM-REAKTOR Brændstof Uranbrændselsstave Brændselsstave af thoriumoxid og uranoxid Thorium og uran-fluoridopløsning Brændstofinput pr. gigawatt output pr. år 250 tons rå uran 4,6 tons rå thorium og 177 tons rå uran 1 ton rå thorium Årlig brændstof-omkostning for 1-GW-reaktor 50-60 millioner dollars 50-60 millioner dollars 10.000 dollars Kølemiddel Vand Vand Selvregulerende Spredningsfare Medium Ingen Ingen Størrelse og placering 18.000 til 27.000 m 2 i sparsomt befolket område 18.000 til 27.000 m 2 i sparsomt befolket område 185 til 278 m 2 uden behov for sikkerhedszone Illustreret Videnskab nr. 3/2012 47
FROSSEN BUNDPROP UDELUKKER UHELD En reaktor baseret på flydende salt og thorium kan ikke nedsmelte eller eksplodere. Bliver reaktoren for varm, opløses en frossen bundprop, og reaktionen går i stå. Kølende salt Renset salt Reaktor 1. Thorium og uran-233 bliver opløst i smeltet lithiumfluorid i reaktoren. Når fission opstår, frigøres der varme, og frie neutroner begynder at omdanne mere og mere thorium til uran-233. Rensningsanlæg Pumpe 5. Fordi saltet i reaktorkernen er flydende, kan affald fjernes, mens reaktoren kører. Almindelige reaktorer skal slukkes helt, for at man kan fjerne affaldet. Opbevaringstanke Frossen bundprop 4. Hvis reaktoren bliver for varm, smelter en prop i bunden af reaktoren, der holdes afkølet af en ventilator. Når proppen er væk, løber de flydende salte ned i nogle opbevaringstanke under jorden. Det samme sker i tilfælde af fx strømafbrydelser. Pumpe elektricitet, der sendes ud til forbrugerne altså egentlig bare en avanceret dampmaskine. Det er dog en proces, der kan forbedres. Man kan fx kigge på, hvilken slags brændsel der kan bruges. Det behøver nemlig ikke at være beriget uran, der skal spaltes, og det kunne være smart, hvis man kunne genbruge brugt brændsel. Man kan også ændre på den måde, hvorpå varmen fra kernereaktionerne ledes væk. Fire ud af fem atomkraftværker bruger i dag vand til at køle reaktorkernen, men der er andre og bedre muligheder. Man kan for eksempel opløse atombrændslet i smeltet salt, der samtidig fungerer som kølemiddel. Smeltet salt er den sikreste løsning Den flydende type af atomreaktorer, kaldet MSR (molten salt reactor), er det mest spændende forslag blandt de seks fra Generation IV International Forum, og det har tiltrukket sig stor opmærksomhed. Ikke mindst i Kina, hvor de er gået i gang med at designe en thoriumdrevet MSR. I en smeltet salt-reaktor udnytter man, at salte kan opvarmes til meget høje temperaturer og stadig være kemisk stabile de kan ikke brænde eller eksplodere. En blanding af saltene lithiumfluorid og berylliumfluorid har vist sig særligt lovende, for den er modstandsdygtig over for kraftig bestråling, har en høj varmekapacitet og et passende smeltepunkt i omegnen af 500 grader og begynder først at koge ved 1400 grader. Varmen kan komme fra spaltning af uran, der også er i saltform. Det geniale ved denne atomreaktor er, at den ikke kan smelte ned den er allerede smeltet. Der er ingen uranstave, som kræver nøje overvågning. Hvis saltet bliver for varmt, udvider det sig, så der bliver længere mellem uranatomerne. Det betyder færre kernereaktioner og dermed mindre varme. På den måde fungerer reaktoren som en termostat den skruer selv op og ned for varmen. På almindelige atomkraftværker, der kører på fast uranbrændsel, hober radioaktive affaldsprodukter sig efterhånden op i reaktorkernen. Det betyder for det første, at effektiviteten langsomt forringes. For det andet kan de højradioaktive fissionsprodukter afgive så meget varme, at der stadig kan ske en nedsmeltning, selv om der er lukket ned for kædereaktionerne i reaktoren. Det skete i Fukushima. Et atomkraftværk baseret på smeltet salt har ikke disse problemer. Gasser bobler op fra saltet og kan nemt opsamles. Og de øvrige affaldsprodukter kan løbende udskilles fra saltet, for i tilknytning til værket bygges et avanceret kemisk værk, hvor uønskede stoffer løbende bliver frasorteret. Hvis strømmen ryger, så det kemiske værk ikke længere 48 Illustreret Videnskab nr. 3/2012
2. Varmen fra reaktoren over-føres til et andet lukket system med smeltet salt, der ikke indeholder radioaktive stoffer. Thoriumreaktoren laver sit eget brændstof Thorium henfalder til den spaltbare uran-233, hvis det rammes af en neutron. Reaktionen holdes i gang ved at tilføre thorium og neutroner. 1. Kernen i uran-233 indfanger en neutron og spaltes i to lettere grundstoffer. Ved spaltningen frigives 198 MeV energi. Desuden udsendes to eller tre neutroner. 2. Thorium-232 absorberer en neutron fra spaltningen og omdannes til thorium-233. Turbine og generator Thorium-232 Neutron Uran-233 Thorium-233 Varmeveksler 3. Varmen overføres til heliumgas, der driver en turbine, som via en generator producerer strøm. Protactinium-233 4. Protactinium-233 har en halveringstid på 27 dage og henfalder til uran-233. 3. Thorium-233 er højradioaktivt med en halveringstid på 22 minutter. Det henfalder til protactinium-233. kan fungere, eller hvis der af andre grunde er behov for en hurtig nedlukning af værket, kan reaktoren hurtigt tømmes for salt, som ledes ned i underjordiske tanke, hvor det stille og roligt kan køle af. En prop af størknet salt fungerer som en såkaldt passiv sikkerhedsanordning, der ikke kræver strøm for at virke tværtimod. Proppen er kun størknet, så længe en blæser sørger for at køle den, og hvis strømmen går, eller reaktoren overophedes, bliver proppen flydende og forsvinder sammen med resten af saltet ned i sikkerhedstankene kun ved hjælp af tyngdekraften. Der sker heller ikke det helt store, hvis der ligefrem går hul i en reaktor med smeltet salt. Så lækker saltet ud og spreder sig, og saltet køler af og ender som faste krystaller, der kan fjernes. Kædereaktionerne ophører af sig selv, fordi de kun kan finde sted i en reaktorkerne med nogle helt bestemte dimensioner. Nyt brændstof kan bare hældes på Eftersom der ikke bruges vand som kølemiddel, er der heller ingen fare for dampeksplosioner eller produk tion af brint, der kan forårsage eksplosioner. I modsætning til de eksisterende reaktorer er der ikke overtryk i en smeltet salt-reaktor, så den kan ikke eksplodere og sende radioaktivt materiale ud i atmosfæren. Derfor behøver reaktor- Illustreret Videnskab nr. 3/2012 Værd at vide Bombefly skulle flyve på smeltet salt Efter anden verdenskrig ville amerikanerne udvikle atomdrevne bombefly med meget lang rækkevidde. Det førte til verdens første reaktor med smeltet salt som brændsel. Den 3. november 1954 blev den lille reaktor startet op på landjorden, og den kørte tilfredsstillende i ni dage, før eksperimentet blev afsluttet. Planerne for et atomdrevet fly blev dog skrinlagt, for de tekniske udfordringer var for store. Men eksperimentet vakte interesse hos fysikere fra Oak Ridge National Laboratory, der ville finde ud af, om smeltet salt-reaktorer kunne bruges i kraftværker til fremstilling af elektricitet. En ny og større forsøgsreaktor blev bygget og kørte fra 1965 til 1969 uden de store problemer. Eksperimentet var en succes, men ideen blev lagt på hylden, bl.a. fordi reaktoren ikke producerede plutonium, som kan bruges i atombomber. En flydende salt-reaktor skulle give Convair X-6 en ekstremt lang rækkevidde. US AIR FORCE
Minireaktor leverer el til øde steder Atomkraftværker behøver ikke at være særligt store. Omkring 140 ubåde, hangarskibe og isbrydere drives af små reaktorer, og snart kan måske også afsidesliggende samfund få elektricitet fra en lille, nedgravet atomreaktor. Et amerikansk firma ved navn Hyperion vil udvikle en sådan simpel reaktor, der kan erstatte de forurenende dieselgeneratorer, som samfund uden forbindelse til et større elnet ofte er afhængige af. De kan fx være øer, afsidesliggende områder med minedrift eller endda militære installationer. Hyperionmodulet er 2,5 meter højt og 1,5 meter i diameter. Det kan levere 25 megawatt strøm i 10 år, hvorefter det skal udskiftes. Reaktorkernen køles af flydende bly og bismuth. Hvis reaktoren skulle løbe løbsk, stoppes den af stænger eller kugler af borcarbid, der opsuger neutronerne og standser reaktionen. Det ligger ikke fuldstændigt klart, hvordan restvarmen fra det radioaktive affald kan fjernes ved uheld, men reaktoren er også indtil videre kun en computermodel. Varmelederrør Varmerør Uranhydridbrændsel Brintopsamling Beskyttelseskappe indeslutningen ikke være specielt stor og solid. Når brændslet er flydende frem for fast, kan man bare hælde nyt brændsel i tanken, når reaktoren er ved at løbe tør. Og endnu vigtigere: I en smeltet saltreaktor kan man bruge andre former for radioaktivt materiale end uran-235. Man kan fx bruge grundstoffet thorium et blødt, sølvskinnende tungmetal, der er opkaldt efter den nordiske tordengud. Farligt atomaffald bruges som brændstof Thorium er kun ganske svagt radioaktivt med en halveringstid på 14 milliarder år. Det kan ikke spaltes og kan derfor ikke umiddelbart bruges i en atomreaktor. Men når en thoriumkerne rammes af og optager en neutron, henfalder grundstoffet hurtigt til protactinium, som igen henfalder til uran-233. Og denne form for uran kan spaltes. Når uran-233 rammes af en neutron, splittes atomkernen i to næsten lige store dele, og der frigives energi, der bliver til varme. Desuden udsendes to-tre nye neutroner. Den ene af dem kan nu ramme en anden uran-233-kerne, så der opstår en kædereaktion, mens en anden kan ramme et thoriumatom, som bliver til uran-233. Så længe der er thorium i tanken, kan der altså dannes ny uran-233, som er det egentlige brændstof. Mens det er mindre end en pct. af naturlig uran, der kan bruges til energiproduktion i traditionelle atomkraftværker, kan alt naturligt forekommende thorium holde gang i en smeltet salt-reaktor. I jordskorpen er der tre-fire gange så meget thorium som uran faktisk er thorium lige så almindeligt som bly. Der skal årligt bruges 200-250 tons naturlig uran for at producere en milliard watt i et almindeligt atomkraftværk, mens en thoriumreaktor kan klare sig med et enkelt ton. Så der er nok thorium til flere tusind år, og i jagten på sjældne jordarter, der blandt andet bruges til stærke magneter og forskellige former for elektronik, graves allerede nu store mængder thorium op som biprodukt. Smeltet salt-reaktorer kan endda designes, så de kan bruge farligt affald fra andre atomkraftværker som brændsel. På den måde kan man eksempelvis skille sig af med plutonium og således gøre problemet med opbevaring af radioaktivt affald lidt mindre. Dertil kommer, at det radioaktive affald fra sådanne thoriumreaktorer ikke er radioaktivt i nær så lang tid som det affald, almindelige atomkraftværker producerer. I løbet af 300 år henfalder de radioaktive grundstoffer, så affaldet ikke er mere radioaktivt end naturlig granit. Kun materialer og politik står i vejen Med en smeltet salt-reaktor behøver man ikke at være nervøs for de katastrofale nedsmeltningsulykker, man normalt forbinder med atomkraftværker, når snakken går om sikkerhed. Affaldsproblemet er mindre, og der er brændsel nok til tusinder af år. Det lyder jo næsten for godt til at være sandt. Men der er stadig masser af ting, der kan gå galt i en smeltet salt-reaktor, og der er store ingeniørmæssige udfordringer, der skal håndteres, før kommercielle reaktorer kan blive en realitet. Først og fremmest kræver det materialer ud over det sædvanlige at holde på de meget varme og radioaktive salte. Der skal opfindes metal legeringer, der ikke korroderer eller kommer til at lide under metaltræthed under den hårde belastning gennem mange år. Og mens selve reaktorkernen i en smeltet salt-reaktor er ganske simpel, er de tilhørende 50 Illustreret Videnskab nr. 3/2012
installationer mere omfattende. Den fortløbende kemiske behandling af de smeltede salte kræver et omfattende rørsystem, hvor der kan opstå lækager, og der er meget giftige stoffer involveret. Det er endnu heller ikke helt afklaret, hvordan man bedst udnytter den store mængde varme, som det flydende salt indeholder, til elproduktion. Den kan enten afleveres ved hjælp af en gasart som fx helium eller ved hjælp af superkritisk kuldioxid. Vanddamp, som bruges i klassiske kernekraftværker, er til gengæld alt for eksplosivt og usikkert. Forskerne regner med, at der skal bruges omkring en milliard dollars på at udvikle den teknologi, der er nødvendig for at få en smeltet salt-reaktor til at fungere optimalt. Og vi skal sandsynligvis vente i mindst 20 år, før de første smeltet salt-reaktorer bliver tilsluttet elnettet. Inden da vil forsøgsværker levere værdifulde erfaringer. Fælles for alle de reaktordesign, der er i spil til fremtidens atomkraftværker, er et betydeligt fokus på sikkerhed. De såkaldte generation IV-værker, der kan opføres om 20-30 år, vil være langt sikrere end de nuværende værker, hvoraf mange har 40 år på bagen. Computermodellerne er klar, så nu er det op til fysikere, kemikere og ingeniører at gøre dem til virkelighed, hvis politikerne altså beslutter, at atomkraft skal bidrage til energiforsyningen fremover. Find mere om emnet på www.illvid.dk Indien vil drive atomkraftværker ved hjælp af små thoriumpiller. P. BAGLA/CORBIS/POLFOTO INDIEN ER GODT I GANG Ud af de 1,3 millioner tons thorium, der er tilgængelige, findes cirka en fjerdedel i Indien, som da også har ambitiøse planer for udnyttelsen af grundstoffet. I 2050 skal en fjerdedel af det folkerige lands behov for elektricitet dækkes af thoriumreaktorer. Indien vil dog ikke, som fx Kina, satse på reaktorer med smeltet salt, men i stedet på faststofreaktorer, der bruger uran-233 fra thorium som brændsel. I Indien begynder de allerede inden 2014 at bygge den første af de avancerede tungtvandsreaktorer. Den skal køre på fire femtedele uran fra thorium og en femtedel importeret lavt beriget uran. Den kommer til at producere 300 megawatt elektricitet. Reaktorkernen skal køles af vand, og for at højne sikkerheden vil kølevandet cirkulere naturligt uden brug af strømkrævende pumper. Andre sikkerhedssystemer vil også være passive: De virker automatisk og har ikke brug for elektricitet. Et enormt bassin med otte millioner liter vand skal placeres over reaktoren, og i tilfælde af uheld kan dette vand bruges til at køle reaktorkernen. Teknikere ved Bhabha Atomic Research Centre i Mumbai, Indien, tester allerede nu en forsøgsreaktor, der skal bruge thorium sammen med mindre mængder uran. P. BAGLA/CORBIS/POLFOTO