Artikkel

Styrker argumentene for thorium som kjernebrensel

Sunniva Rose foran CACTUS-detektoren ved UiOs syklotronlaboratorium
Sunniva Rose har jobbet mye ved UiOs syklotronanlegg og detektoren med det treffende navnet CACTUS, som registrerer hva som skjer når forskerne "kaster stein" på atomkjerner. Foto: Bjarne Røsjø.

Styrker argumentene for thorium som kjernebrensel

– Du må huske på at de fleste doktorgrader bare er et bittelite bidrag til utviklingen av ny kunnskap. Men jeg vil kanskje si at argumentene for thorium som kjernebrensel er blitt styrket i løpet av arbeidet med denne doktorgraden, sier kjernefysiker Sunniva Rose.

Sunniva Rose ble brått kjent for det norske folk i mars 2011, da Fukushima-kraftverket i Japan ble rammet av et jordskjelv med påfølgende tsunami. Mediene ringte rundt for å finne en ekspertkommentator som ville si noe begripelig om radioaktivitet og strålefaren, og kjernefysikk-studenten Rose tok utfordringen på strak arm. Plutselig var hun i alle kanaler, og etterpå har hun jobbet ivrig med kommunikasjon og roseblogging parallelt med en doktorgradsavhandling som nå er ferdig.

Avhandlingen har fått en tittel som ikke vil vekke oppsikt i redaksjonene, Aspects of the Thorium Fuel Cycle, men et nærmere ettersyn viser at Rose utfordrer mange vedtatte sannheter om kjernekraft. Visste du for eksempel at FNs klimapanel peker på tre teknologier som kan bidra til å løse de globale klimaproblemene?

– Her i Norge driver vi med «cherrypicking» i den forstand at vi bare snakker om fornybar energi og karbonfangst og -lagring. Den tredje teknologien som klimapanelet peker på, altså kjernekraft, skal det liksom ikke snakkes om, påpeker Rose.

Blander thorium med russisk uran

Sunniva Rose disputerer 29. mars og skal forsvare en avhandling som er oppsummert i tre vitenskapelige artikler.

– I den første artikkelen beskriver jeg resultatene fra datasimuleringer av hva som skjer i en trykkvannsreaktor – en såkalt European Pressurized Water Reactor – som bruker en blanding av thorium og høyanriket uran fra russiske atomstridshoder som brensel. Simuleringene viser at gjenvinning av dette brenselet gir et avfall som er betydelig mindre radioaktivt, og i kortere tid, enn tilfellet er med tradisjonelt uranbrensel, forteller Rose.

I tillegg reduseres behovet for naturlig uran med ca. 50 prosent over en 60-årsperiode, som er den omtrentlige levetiden til en reaktor. Og det er et viktig poeng, for de lett utvinnbare uranressursene i verden kan være i ferd med å bli brukt opp.

Skyter med deuteroner

Skissen viser hva som skjer når forskerne "kaster stein" på en uran-atomkjerne, for å undersøke hvor høyt den "skriker" ved å sende ut gammastråling.
Sunniva Roses skisse viser hva som skjer når forskerne "kaster stein" på en uran-atomkjerne for å undersøke hvor høyt den "skriker" ved å sende ut gammastråling. Illustrasjon: Sunniva Rose

– De to andre artiklene er ikke publisert i et vitenskapelig tidsskrift ennå, så der kan jeg ikke snakke om resultatene. Men jeg kan fortelle hva vi i forskningsgruppen har gjort, og det er at vi blant annet har montert en tynn folie bestående av uran-isotopen U-233 i syklotronen på Fysisk institutt. Og så har vi skutt på denne blinken med deuteroner, for å undersøke hva som skjer, forteller Rose.

Deuteroner er navnet på kjernen i deuteriumatomet, som er en tung hydrogenisotop med en kjerne som består av ett proton og ett nøytron. Vanlig hydrogen har bare ett proton i kjernen, mens det ekstra nøytronet i deuterium gjør atomet dobbelt så tungt – og det er forklaringen på at molekylet D2O kalles «tungtvann».

Sunniva Rose har studert hva som skjer etter at en kollisjon mellom et deuteron og en atomkjerne av U-233 fører til at urankjernen tar inn et nøytron og blir til U-234 (enkel matematikk, men komplisert kjernefysikk), mens et proton forsvinner ut. Denne kollisjonen tilfører så mye energi til atomkjernen at den blir varmet opp - eller eksitert, som fysikerne sier. Det fører til at kjernen inneholder så mye energi at den enten må sende ut store mengder gammastråling for å roe seg ned igjen og bli til en kjerne med omtrent normal energi – eller den spaltes til to mindre kjerner.

– Dette tilsvarer at vi kaster stein, i dette tilfellet et deuteron, på atomkjernen og hører på at den «skriker» ved å sende ut gammastråling eller spaltes. Jo hardere vi kaster, jo høyere kan den skrike, forklarer Rose.

LES OGSÅ: Hvorfor «bobler det» av kvinner i kjernefysikk?

En voldsom prosess

De to upubliserte artiklene beskriver blant annet hva som skjer når denne eksiterte U-234-kjernen deler seg – fisjonerer – etter en kollisjon og blir til to andre og mindre atomkjerner.

– Dette er en voldsom prosess, med en stor atomkjerne som deler seg i to samtidig som den rister vekk noen nøytroner og sender ut gammastråling. Hvis man skal bygge neste generasjons kjernereaktorer, med en blanding av uran og thorium som brennstoff, er det uhyre viktig at vi har mest mulig kunnskap om denne prosessen, forklarer Rose.

Dermed er hun straks i ferd med å avlive en utbredt misforståelse: Det er ikke nødvendig å bygge nye kjernekraftverk for å bruke thorium som brensel.

– Det har vært snakket mye om thorium-reaktorer, men jeg mener at det er et tullebegrep. Det er nemlig slik at en hvilken som helst reaktor i prinsippet kan bruke thorium i brenselet, og så er det naturligvis noen reaktortyper som er bedre egnet enn andre. Det jeg har sett mest på i dette doktorgradsarbeidet, er hvordan man kan bruke thorium i reaktorer som allerede eksisterer. Jeg har altså ikke studert hva som skjer i eventuelle reaktorer som er spesialbygd for å bruke thorium, forklarer Rose.

Megatonn blir til megawatt

Sunniva Rose tilføyer at det ikke går an å bruke bare thorium til å produsere kjernekraft. Brenselsyklusen innledes med at den vanlige thorium-isotopen Th-232 omdannes til den spaltbare uran-isotopen U-233, ved å tilføre et nøytron. Kjernereaksjonen går via noen kjappe og kompliserte trinn som er beskrevet i avhandlingen.

Sunniva Rose inspiserer CACTUS-detektoren
Sunniva Rose monterte en tynn folie av U-233 i syklotronen på Fysisk institutt og skjøt på den med deuteriumkjerner. Foto: Bjarne Røsjø Bruk bildet.

– Denne kjernereaksjonen forutsetter at det finnes en kilde til nøytroner, og her kommer de gamle russiske atomstridshodene inn. Disse stridshodene inneholder nemlig høyanriket uran, som leverer nøytroner så det holder, forteller Rose – som straks forstår behovet for å forklare årsaken til at hun har brukt russiske masseødeleggelsesvåpen i sine simuleringer.

– Bakgrunnen er at russerne har solgt store mengder slikt uran til amerikanerne etter at de to supermaktene ble enige om nedrustning på 1990-tallet. Russerne hadde mer uran enn de trengte, og resultatet ble det som på «folkemunne» kalles Megatonnes to Megawatt program. Dette innebar at amerikanerne overtok store mengder russisk uran, som de brukte som brensel i kraftverkene sine. I 20 år har ca. 10 prosent av all elektrisitet i USA kommet fra gamle russiske atomstridshoder!

Russerne er ikke lenger så interessert i nedrustning, men det er en annen historie.

– Vil du si at argumentasjonen for å bruke thorium som kjernebrensel er vesentlig styrket med det arbeidet du nå har levert?

– Det er kanskje å strekke det for langt. Men argumentene er i alle fall ikke svekket! Du må huske på at det er uendelig mye grunnforskning som må til i et slikt utviklingsarbeid, og et doktorgradsarbeid er virkelig bare en bitteliten brikke i et kjempedigert puslespill, svarer Rose.

– Det jeg tenker mest på, er at argumentene for å bruke thorium i visse typer eksisterende reaktorer er noe styrket. Jeg mener at industrien burde begynne med innblanding av thorium i uranbrenselet allerede i dag, ikke minst for å bli bedre kjent med alle sider av prosessen. Det vil også gi oss bedre kunnskap, som vi kommer til å trenge når vi skal utvikle neste generasjons reaktorer. Men dette kommer uansett til å ta tid, for dette er en veldig konservativ bransje.

Vil du har flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev(link is external) eller følg oss på Facebook.

Fordeler – og ulemper

Sunniva Rose tilføyer at thorium som brensel byr på en rekke fordeler:

  • Jordskorpen inneholder mer thorium enn uran.
  • Under riktige betingelser vil reaktorer som bruker thorium-basert brennstoff produsere langt mindre radioaktivt avfall med lang levetid enn de som bruker bare uran.
  • Thorium-baserte brensel gir bare opphav til svært små mengder plutonium og kan dermed lettere aksepteres blant folk flest.
  • Det er mulig å produsere mer spaltbart materiale enn det som forbrukes i prosessen.
  • Det er vanskeligere å produsere kjernefysiske våpen fra thorium enn fra uran eller plutonium.

Men alt er ikke bare fordeler med thorium. Det kanskje største problemet er at det er vanskelig å håndtere thoriumbasert brensel når det skal tas ut av reaktoren, forteller Rose.

– Da inneholder brenselet noen isotoper som gir veldig høy gammastråling, strålingen er faktisk så høy at det antakelig må utvikles nye metoder for fjernstyring av prosessen. Kanskje for eksempel oljebransjen kan bidra med erfaringer som kan bidra til å løse dette problemet, foreslår Rose.

Den høye gammastrålingen er for øvrig ikke langvarig og skaper derfor ikke noe vesentlig problem for den langsiktige lagringen av brukt brensel.

Sunniva Rose disputerer til doktorgraden onsdag 29. mars i Helga Engs hus på Blindern. Prøveforelesningen samme dag handler om Cosmic fission: the synthesis of the heavy elements and the role of fission.

Kontakt:

Sunniva Rose, Centre for Computing in Science Education, Fysisk institutt

Vitenskapelig artikkel:

Sunniva Rose et.al.: Minimization of actinide waste by multi-recycling of thoriated fuels in the EPR reactor. Annals of Nuclear Energy, Volume 38, Issue 11, November 2011

Mer informasjon:

Les mer på Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Verdens raskeste katode består av amorft litiumjernfosfat

Snart kan du starte bilen med strøm fra mobilen

Om noen år har vi fått batterier som har lengre levetid, koster mindre, lades fortere og er både små og bøyelige. Dessuten vil mobilbatteriet være sterkt nok til å funke som "startkabler" til bilen. – Men da får du kanskje ikke ringt etterpå, sier professor Ola Nilsen. 

Hilde Barsett, Giang Thanh Thi Ho og Helle Wangensteen

– Svarthyll kan motvirke diabetes

– Resultatene er svært lovende og tyder på at denne gamle urtemedisinen virkelig har noe for seg, sier førsteamanuensis Giang Thanh Thi Ho ved Farmasøytisk institutt.