Radioaktivt vidunderstof giver energi til årtusinder

I 2030’erne vil thorium og smeltet salt skabe nærmest idiotsikker atomkraft. Nye atomreaktorer vil ud over at være ekstremt effektive også medføre et minimum af radioaktivt affald.

Shutterstock

Temperaturen og trykket i reaktortanken stiger.

Normalt får det alarmer til at hyle og røde lamper til at blinke i atomkraftværkets kontrolrum, mens operatørerne straks må gribe ind og skrue ned for kædereaktionerne, så reaktortanken ikke sprænges i stumper og stykker.

Men nu skriver vi 2030’erne, og operatørerne løfter ikke et øjenbryn.

Den nye smeltet salt-reaktor dæmper selv kernespaltningerne og sænker temperaturen, uden at de behøver at reagere.

De går ikke engang i panik, hvis strømmen til værket svigter, som det skete, da jordskælvet og tsunamien ramte det japanske atomkraftværk Fukushima.

Det varme salt i reaktortanken smelter en bundprop og glider herefter ned i nogle store lagertanke under jorden. Her spredes saltet med det opløste atombrændsel så meget, at kædereaktionerne i brændslet går i stå.

Smeltet salt-kraftværket kan vise sig at blive et atomart guldæg, som giver sikker og effektiv atomkraft i årtusinder.

Reaktoren fodres med thorium

De nye reaktorer vil være ideelle til at forbrænde thorium og åbne en ny og nærmest uudtømmelig energikilde. Thorium kan ikke selv spaltes, men kan omdannes til spaltelig uran-233 ved neutronbestråling i en reaktor.

Smeltet salt-reaktorer vil forbrænde thorium ekstremt effektivt sammenlignet med nutidens atomkraftværker, som kun afbrænder op til 6,5 pct. af uranen.

De nye reaktorer vil kunne udnytte al energien i thorium, og derfor bliver brændselsforbruget meget lavere.

3,8 tons thorium kræver det at dække Danmarks årlige strømforbrug på 33,6 TWh – til sammenligning ville vi skulle bruge 950 tons uran.

Et almindeligt atomkraftværk med en kapacitet på 1000 MW forbruger årligt 35 tons beriget uran, som fremstilles ud fra 250 tons uran udvundet fra miner. En smeltet salt-reaktor med samme elproduktion vil kunne klare sig med et enkelt ton udvundet thorium. Mængderne af radioaktivt affald bliver tilsvarende mindre.

Tilmed vil affaldet fra thorium kun være højradioaktivt i 300 år, mens det brugte brændsel fra nutidens atomkraftværker skal deponeres i 100.000 år.

På globalt plan er forekomsterne af thorium tre-fire gange større end reserverne af uran, og pga. det lave brændselsforbrug kan thorium forsyne kloden med energi i flere årtusinder, mens de kendte reserver af uran kun vil kunne dække et par århundreder.

Thorium kan presses til keramiske piller

  • Thorium udvindes af mineralet monazit.
  • I sin rene form er thorium et sølvskinnende metal.
  • Keramiske piller af thoriumdioxid skal testes i en ny indisk reaktor og i norske forsøgsanlæg.

Thorium tages i brug nu

Thorium findes naturligt i undergrunden og er et svagt radioaktivt, sølvskinnende metal, som kan håndteres uden store sikkerhedsforanstaltninger. Metallet findes på alle kontinenter, og interessen i at udnytte thorium er naturligvis størst i lande, som har store reserver.

Et eksempel er Norge, hvor firmaet Thor Energy sammen med Institut for Energiteknik i Halden udvikler og tester keramiske brændselsstave med thorium, som kan anvendes i nutidens atomkraftværker, uden at de behøver at blive bygget om.

For at opnå det blandes thorium med uran eller plutonium, som leverer de neutroner, der skal sætte gang i omdannelsen af thorium til uran. Når en neutron rammer thorium, absorberes den, hvorved der dannes thorium-233.

Thorium-233 henfalder hurtigt til proactinium-233, som derpå henfalder til uran-233. Atomkernen spalter og holder kædereaktionerne kørende.

I dag

Thorium kan blandes med atombrændsel

Det norske firma Thor Energy udvikler brændselsstave, som indeholder thorium blandet med uran.

Brændselsstave testes i en forsøgsreaktor

De norske brændselsstavene skal bruges i eksisterende atomkraftværker.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Thorium og uran-235 blandes sammen

Keramisk thoriumoxid (grøn) blandes med fx spaltelig uran-235 (gul), som kan udvindes af brugt atombrændsel. Uran-atomkernerne er ustabile, dvs. at de spalter spontant.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Uran sætter gang i processerne

Ved kernespaltningen udsender uran-235 (gul) neutroner (rød), som rammer thorium (grøn) og omdanner det til en anden uran-isotop, uran-233 (orange). Processen skaber varme, som koger vand og driver en turbine.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktionen kører videre af sig selv

Efterhånden er så meget thorium (grøn) omdannet til uran-233 (orange), at kædereaktionerne fortsætter automatisk: Uran-233 udsender nye neutroner (rød), som omdanner mere thorium til uran-233, som spaltes osv.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Indien, som har verdens fjerdestørste reserver af thorium, satser stort på det nye atombrændsel. Siden 1996 har landet haft en forsøgsreaktor kørende på uran-233, som er fremstillet ved at neutronbestråle thorium i en anden reaktor.

I år startes en prototypereaktor med en kapacitet på ti MW. Til sammenligning havde Fukushimas reaktorer en kapacitet på 1100 MW. Thoriumreaktoren skal primært producere strøm ud fra plutonium, men reaktorkernen omgives af en kappe af thorium, som via neutronbestråling omdannes til uran-233, der leverer en mindre del af energiproduktionen.

I 2020’erne forventer Indien at være klar med en 300-MW-reaktor, som skal forbrænde en blanding af thorium, uran og plutonium, og her skal 60 procent af energien komme fra keramiske piller af thoriumdioxid. Planen er, at en tredjedel af Indiens elforbrug skal dækkes af thorium i 2050.

Thorium skal indgå i fjerde generation af atomreaktorer

  • Generation 1

    Små prototyper producerede den første strøm
    1950’erne: Brændslet var omgivet af grafit. Reaktortypen faldt i unåde efter en ulykke i England, hvor grafitten brød i brand, og der skete et radioaktivt udslip.

  • Generation 2

    Nutidens atomkraftværker er letvandsreaktorer
    I dag: Reaktortanken er fyldt med vand, som bremser neutroner fra kernespaltningerne. Vandet koges til damp, som driver de strømproducerende turbiner.

  • Generation 3

    Sikkerheden mod radioaktive udslip øges
    2020: Finske Olkiluoto 3 bliver verdens sikreste atomkraftværk. Reaktortanken omgives af en 2,6 m tyk betonskal, som kan holde til, at et fly brager ind i den.

  • Generation 4

    Thorium og brugt atombrændsel bliver drivmiddel
    2030: Højtemperaturreaktorer og smeltet salt-reaktorer vinder frem. Højtemperaturkraftværker vil kunne levere billig strøm sidst i 2020’erne. Med smeltet salt-reaktorer, som kører på thorium og atomaffald, elimineres risikoen for radioaktive udslip.

Mens inderne udvikler thoriumkraftværker med fast brændsel, har Kina taget føringen, når det gælder de mere avancerede smeltet salt-reaktorer, der forbrænder flydende atombrændsel opløst i smeltet salt.

En kinesisk pilotreaktor med en kapacitet på ti MW skal være klar i 2022. Ved opstarten afbrænder reaktoren spaltelig uran, men reaktortanken omgives af en kappe af thorium, som under driften bestråles med neutroner og omdannes til spaltelig uran-233.

Den nydannede uran tilføres reaktortanken, i takt med at det oprindelige brændsel forbruges. Derfor kan reaktoren efter opstarten drives alene med naturligt thorium, som starter i kappen og ender i reaktortanken.

I 2030 planlægger kineserne at bygge en 100-MW-demonstrationsreaktor, som skal bane vej for kommercielle smeltet salt-atomkraftværker baseret på thorium.

Atomkatastrofer er fortid

I et thoriumbaseret smeltet salt-kraftværk består brændslet i reaktortanken af uran-233, som er opløst i smeltet salt bestående af litiumfluorid og berylliumfluorid.

Saltblandingen er ekstremt kemisk stabil og tager ikke skade af neutronbestråling. Desuden kan saltet hverken brænde eller eksplodere, og det begynder først at koge ved 1400 grader, hvilket ligger langt over reaktorens arbejdstemperatur på 700 grader.

Hvis saltet bliver for varmt, udvider det sig, så afstanden mellem uranatomerne øges. Det betyder færre kernespaltninger og dermed en nedsat varmeproduktion, så saltet synker sammen igen.

På den måde fungerer reaktoren som en termostat, som selv regulerer varmen. Derfor kan reaktoren ikke koge over, som det fx skete på Tjernobyl. Brændslet kan heller ikke nedsmelte på katastrofal vis, fordi det allerede er smeltet under almindelig drift.

Elproduktionen sker som i et almindeligt atomkraftværk. Når saltblandingen med flydende uran-233 er blevet opvarmet ved kernespaltningerne, sendes blandingen gennem et ydre kredsløb, hvor varmen udnyttes til at drive en strømproducerende turbine.

Om 10 år

Smeltet salt-reaktoren regulerer sig selv

Et smeltet salt-kraftværk fungerer, ved at thorium konstant omdannes til spaltelig uran-233. Derudover er reaktoren en selvstyrende termostat, som sikrer, at en katastrofe som Tjernobyl aldrig vil kunne gentage sig.

Reaktoren er kun tre fjerdedele fyldt med smeltet salt. Hvis kædereaktionerne bliver for heftige, stiger saltets temperatur, og det udvider sig. Afstanden mellem uranatomerne øges, og kernespaltningerne dæmpes. Temperaturen falder, saltet trækker sig sammen igen, og den normale drift er genetableret af sig selv.

Smeltet salt-kraftværk

Når kernespaltningerne først er sat i gang, kan en smeltet saltreaktor køre på rent thorium, som kraftværket selv omdanner til spaltelig uran. Reaktoren er sikker, selvom strømmen svigter.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktortank

Uran-233 afbrændes i reaktortanken, hvor uranen er opløst i smeltet salt. Kerneprocesserne varmer saltet op til dets driftstemperatur på ca. 700 grader.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Thorium-kappe

Reaktortanken er omgivet af en kappe, hvor thorium ligeledes er opløst i smeltet salt. Kappen beskydes af neutroner fra kernespaltningerne i reaktortanken. Herved omdannes nogle af thoriumatomerne til uran-233.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Separationsanlæg

Det smeltede salt fra kappen flyder gennem et separationsanlæg. Her udskilles den uran-233, som er skabt ved neutron­bestrålingen. Uranen sendes videre til et brændselsanlæg, mens kappen får tilført nyt thorium udefra til at erstatte det, som er blevet omdannet til uran.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Brændselsanlæg

Smeltet salt fra reaktortanken ledes gennem brændselsanlægget, hvor det renses for atomaffald. Samtidig tilføres ny uran-233, som er skabt i thoriumkappen, inden saltet sendes retur til reaktortanken.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Varmeveksler

Varmen fra det smeltede salt udnyttes til at producere strøm via en varmeveksler, som koger vand til damp og fører det ind i turbinerne.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Sikkerhedsprop

Hvis strømmen svigter, smelter det varme salt en frossen bundprop, som normalt holdes afkølet med en elektrisk fryser. Herefter glider saltet ned i lagertanke, hvor det spredes så meget, at kædereaktionerne i atombrændslet går i stå.

Claus Lunau & Anders Bothmann

Reaktoren bliver en affaldskværn

Atomaffaldet fra et smeltet salt-anlæg, som kører på thorium, indeholder ingen langlivede radioaktive stoffer. Derfor skal affaldet kun deponeres i 300 år, før radioaktiviteten er klinget af.

Til gengæld er brændselsaffaldet så højradioaktivt i begyndelsen, at det skal håndteres med fjernstyrede robotter.

En anden affaldsmæssig fordel ved smeltet salt-reaktorer er, at de kan afbrænde resterende spaltelige stoffer i brugt brændsel fra almindelige atomkraftværker.

Nutidens atomkraftværker udnytter kun op til 6,5 pct. af den uran-235, som findes i brændselsstavene. Derefter indeholder stavene ikke længere spaltelig uran nok til at holde kædereaktionerne kørende stabilt.

Ved at afbrænde atomaffaldet i smeltet salt-reaktorer kan alt det spaltelige materiale udnyttes. En smeltet salt-reaktor, der afbrænder atomaffald, er en enklere konstruktion end et tilsvarende værk, som henter energi ud af thorium.

Reaktortanken behøver nemlig ikke en kappe med thorium, som skal neutronbestråles. Her opløser man blot atomaffaldet i det varme salt og hælder det direkte ind i reaktortanken.

Thorium giver langt mindre atomaffald end uran

En smeltet salt-reaktor med en kapacitet på 1000 MW skal kun bruge et ton naturligt thorium om året, mens et almindeligt atomkraftværk afbrænder 35 tons beriget uran. Affaldet er desuden mindre farligt.

Udvinding: Uran

En typisk atomreaktor forbruger 250 tons naturlig uran om året (orange klodser). Inden afbrændingen omdannes det til 35 tons beriget uran (gule klodser), hvoraf tre-fem pct. er brugbar uran-235, mens resten er uran-238.

Forbrænding: Uran

Uran-235 kan kun afbrændes delvist, mens noget af den ikkespaltelige uran-238 omdannes til spalteligt plutonium-239, som også kun afbrændes delvist.

Affald: Uran

Kraftværket producerer 35 tons brændselsaffald. Affaldet består af 33,4 tons uran-238, 0,3 tons uran-235, 0,3 tons plutonium og 1 ton restprodukter. De brugte brændselsstave skal deponeres sikkert i 100.000 år.

Udvinding: Thorium

En smeltet salt-reaktor forbruger årligt et ton thorium (grøn kasse), som ikke behøver igennem en omstændelig berigelsesproces.

Forbrænding: Thorium

Thoriummet omdannes til spaltelig uran-233 og afbrændes fuldstændigt. Affaldet udgøres af ét ton spaltningsprodukter bestående af radioaktive atomer, som er for små til at kunne spaltes.

Affald: Thorium

83 pct. af det højradioaktive affald henfalder til ikkeradioaktive stoffer i løbet af blot ti år, mens 17 pct. skal deponeres sikkert i 300 år. Tilbage er 100 gram plutonium, som kan genanvendes i nyt atombrændsel.

Keramik skal modvirke rust

Selvom smeltet salt-reaktorer stadig ligger et stykke ude i fremtiden, er ideen ikke ny. I 1960’erne var en forsøgsreaktor i drift på det amerikanske atomanlæg Oak Ridge.

Reaktoren virkede fint, men afslørede teknologiens ømme punkt: Det smeltede salt får metallerne i reaktortanken til at ruste. Den største udfordring bliver derfor at udvikle robuste materialer, som kan holde til glohedt salt og neutronbestråling gennem årtier.

I Oak Ridge var reaktortanken og rørsystemet fremstillet af en nikkellegering, som holdt til belastningen i fire år, men metallet kan næppe klare 30-40 års drift i et atomkraftværk.

Derfor sætter forskerne deres lid til rustfri keramik af siliciumkarbid, som kan vise sig at være nøglen til fremtidens simple, sikre og effektive atomkraft.

Verdens første atomkirkegård ligger i Finland

Finland er nu som det første land i verden begyndt at indrette et slutdepot, hvor landets højradioaktive affald skal begraves en halv km under jordoverfladen i geologisk stabil granit.

Her skal de brugte brændselsstave ligge i 100.000 år, mens radioaktiviteten klinger af til et niveau, som svarer til strålingen i naturlige klipper. Sverige har valgt samme løsning ved Forsmark. Slutdepoterne i de to skandinaviske lande tages i brug i 2020’erne.

I USA skal højradioaktivt affald fra 2048 begraves i Yucca Mountain i Nevada. Ingen andre lande har taget stilling til, hvad de vil gøre med deres atomaffald.

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

Overskydende energi skal tvinges ud af atomaffald

350.000 tons højradioaktivt brændselsaffald er deponeret i midlertidige lagre verden over. Smeltet salt-reaktorer kan fjerne en del af affaldet.

Nutidens atomkraftværker afbrænder kun op til 6,5 pct. af den spaltelige uran-235 i brændselsstavene. Derefter kan yderligere udnyttelse af brændslet ikke betale sig.

Smeltet salt-reaktorer kan afbrænde alt det spaltelige materiale i brugt brændsel, og bagefter skal de tilbageværende radioaktive stoffer kun deponeres i nogle århundreder.

Smeltet salt-reaktorer kan dog ikke fjerne affaldsproblemerne med et snuptag. Flibe Energy i USA har beregnet, at vi hver dag gennem 93 år skal indvie et 100-MW-kraftværk for at få bugt med nutidens bjerge af højradioaktivt affald.

Derfor har verden akut brug for at bygge sikre slutlagre, der kan erstatte nutidens midlertidige depoter.

Depoter med atomaffald er i dag sårbare over for fx naturkatastrofer og terror.

© Thomas Imo/Getty Images

Læs også:

Atomkraft

Nyt kraftværk skal æde atomaffald

0 minutter
Tjernobyl
Atomkraft

Tjernobyl skal producere energi igen

0 minutter
Atomkraft

Verdens mest sikre atomkraftværk

0 minutter

Log ind

Fejl: Ugyldig e-mailadresse
Adgangskode er påkrævet
VisSkjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klik hér

Ny bruger? Få adgang nu!