Artikkel

Greia med thorium

Sunniva Rose
Sånn ser et ferdig doktorgradsarbeid ut... Foto: Sunniva Rose

Greia med thorium

Nå har jeg kunnet kalle meg Dr. Rose i ett år, og det vil jeg markere med å dele litt fra doktorgradsavhandlingen min.

De mest innfløkte detaljene fra oppgaven tror jeg ikke det er så mange som er her inne og leser som har interesse av, men introduksjonsdelen av den, der jeg snakker om kjernekraft og thorium - den er kanskje av interesse for flere...

Del 1

Hvis du fulgte med i norske medier i årene mellom 2005 og 2008, var det nærmest umulig ikke å få med seg at det var mye snakk om thorium, thorium-brensel og "thorium-reaktorer". 

Thorium ble fremstilt som "den nye kjernekraften"; noe som var helt annerledes og mye bedre enn den "gamle", uranbaserte kjernekraften. Det ble dessuten også påstått at thorium kunne bli "Norges neste olje", siden en av verdens største thorium-reserver ligger i Norge.

Men gratis lunsj fins ikke. Thorium er ikke sendt fra oven - noe "gude-gitt", ei heller er det fienden. Hele kjernekraftdebatten er ofte, dessverre, veldig polarisert. Thorium er et grunnstoff som, under de riktige omstendighetene, kan bli gjort om til den helt utmerkede fissile (spaltbare) kjernen uran-233, og på grunn av egenskapene til denne uran-isotopen, kan det hele bli bedre enn tradisjonelt uran-basert brensel.

Dog er det ikke himmel og jord i forskjell på thorium-brenselssyklusen og uran- og uran/plutonium-brenselssyklusen. Thorium-brenselsyklusen er et spesialtilfelle av den mer generelle brenselsyklusen for kjernekraft, som altså kan ha noen veldig positive sider ved seg:

  • under de rette forutsetningene kan reaktorer som bruker thorium-basert brensel produsere mye mindre langlivet, radioaktivt avfall.
  • det fins mer thorium på jorden enn uran (ca. 4 ganger så mye).
  • det blir så å si ikke produsert plutonium fra thorium-basert brensel - noe som kan være positivt med tanke på public opinion.
  • det er en mulighet for å få til breeding, eller nesten-breeding (breeding betyr at man produserer mer fissilt materiale enn det man bruker - det høres nesten ut som evighetsmaskin, bare at det ikke er det, og at det er sant), i et termisk nøytronspektrum.
  • det er vanskeligere å produsere våpen fra thorium enn fra uran eller plutonium, fordi den fissile uran-233 alltid vil være forurenset av uran-232, som gir fra seg gamma-stråling med veldig høy energi (som gjør det nærmest umulig å lage våpen av).

To av de største utfordringene i vår tid er energi-sikkerhet og klimaendringer. Vi trenger tilgang til nok, rimelig og pålitelig energi, og vi trenger å produsere denne uten CO2-utslipp (eller så nært det lar seg gjøre). Thorium som brensel i kjernekraftverk kan være en (viktig) brikke i løsningen på disse utfordringene.

...og sånn lyder altså introduksjonen (de 2 første sidene) av doktorgradsavhandlingen min.

Del 2

Sunniva Rose
Foto: Sunniva Rose
I går

Den 2. desember 1942 gikk verdens aller første menneskelagde kjernereaktor - Chicago Pile no 1 - kritisk, under Enrico Fermis ledelse. 12 år etter dette, den 27. juni 1954, ble det produsert elektrisitet på Obnisk-kjernekraftverket i Russland - verdens første sivile kjernekraftverk. To tiår senere, i løpet av 1970-årene, ble det produsert 100 GW elektrisitet fra kjernekraft, og selv om det var dem som var negativt innstilt til alt som hadde med atom å gjøre, så var majoriteten forholdsvis positiv. Dette holdt seg stort sett inntil Tsjernobyl-ulykken, som skjedde den 26. april 1986. En konsekvens av denne ulykken var at den virkelig fikk bremset ned den teknologiske utviklingen innen kjernekraft. Tsjernobyl satte ikke en stopp på kjernekraft som en del av verdens energimiks, men fikk altså virkelig saknet utviklingen av neste generasjons kjernekraftverk. I stedet for å erstatte gamle kjernekraftverk med ny og bedre teknologi, har heller dekommisjoneringsdatoene blitt kraftig forlenget og forskning og utvikling utsatt.

Status i dag

Gjennomsnittlig befolkningsvekst er på ca. 80 millioner per år. Verdens totale befolkning har gått fra 3,7 milliarder i 1970 til nesten 7,5 milliarder i 2016 (note: teksten ble skrevet i desember 2016), og FN antar at vi kommer til på nå 10 milliarder mennesker i verden rundt 2050. Etter dette antar man også vekst, selv om den kommer til å skje saktere.

Med både flere mennesker og økt energiforbruk per capita antar man at det total energibehovet vil øke med rundt 50 % fra 2012 til 2014. den største økningen skjer i Kina og India, som tilsammen står for ca. 50 % av veksten.

Energisikkerhet defineres av IEA (International Energy Agency) som "uavbrutt tilgang til energikilder til en rimelig pris" og anses som helt grunnleggende for en sikker, stabil og fredelig verden. Det å skulle oppnå energisikkerhet for alle, har dog vist seg vanskelig. CO2-utslippene våre har ført til en menneskeskapt klimaendring. I dag er den aller største kilden til energi fossil (olje, kull og gass) - hvilket bidrar til klimaendringer med sine store CO2-utslipp.

Ettersom frykten for klimaendringer har økt, og frykten for et nytt Tsjernobyl har minket, er kjernekraft igjen blitt en mulig løsning på den økte energietterspørselen. I FNs klimapanels siste rapport (no. 5, som ble publisert i 2014 - altså tre år etter Fukushima-ulykken) blir kjernekraft trukket frem som en viktig del av en mulig løsning på menneskeskapte klimaendringer. De grupperer kjernekraft sammen med andre fornybare energikilder, som nøkkelelementer i et lavkarbons energisystem, sammen med CO2-fangst og -lagring (CCS). Spørsmålet "What are the main mitigation options in the energy supply sector?" besvares på følgende måte:

No single mitigation option in the energy supply sector will be sufficient (...) Achieving deep [cuts in greenhouse gas (GHG) emissions] will require more intensive use of low-GHG technologies such as renewable energy, nuclear energy, and carbon dioxide capture and storage (CCS). (Min understreking)

Klimapanelet foreslår at bruken av kjernekraft bør økes og at denne energiformen kan erstatte den fossile baselasten (elektrisitet produsert med olje, gass, kull) mange steder i verden.

Per 2014 er det 440 kjernekraftverk i verden. Disse produserer ca. 11 % av all elektrisitet på verdensbasis.

I morgen

Hvis vi antar at anbefalingene til IPCC følges, så vil det bli en utbygging av kjernekraft. Mer enn 60 reaktorer er under bygging (per januar 2017), og elektrisitetsproduksjon fra kjernekraft er forventet å øke proporsjonalt med den total elektrisitetsproduksjonen over de neste 20 årene. Denne utbyggingen vil mest sannsynlig hovedsakelig bestå av velkjent kjerneteknologi - det vil si GenerasjonIII (+) termiske reaktorer, som kjører på uran/plutonium-brenselssyklusen. Uten resirkulering av avfallet/(det brukte) brenselet vil uran, som en lett tilgjengelig og rimelig ressurs, etterhvert forsvinne. I tillegg vil man få bygget opp store mengder radioaktivt avfall. Thorium-brenselssyklusen kan være en del av løsningen på begge disse problemene:

Det fins mer thorium enn uran på Jorden, og selv om både uran- og thoriumbasert brensel kan "avles" (breeding) - dermed gi opp til 200 ganger mer energi fra brenselet - ser public opinion ut til å være mer positiv når det gjelder thorium, fordi det er noe "nytt". Offentlig aksept, heller enn økonomi, er hovedbarrieren mot utvikling i Vesten. I Kina og India er folk stoltere av sine kjernefysiske prestasjoner, og det er en sterk støtte til kjernekraft. Videre utvikling av kjernekraft vil derfor i hovedsak skje i denne delen av verden. "Avl" eller nesten-"avl" (breeding) er dessuten mulig med termiske nøytroner i thoriumbasert brensel.

I tillegg blir det produsert neglisjerbare mengde av plutonium fra thoriumbaserte brensel sammenliknet med uranbaserte brensel, og det er mye vanskeligere å produsere våpen fra denne brenselssyklusen. Dersom thoriumbasert brensel multi-resirkuleres, kan hele avfallsproblematikken reduseres meget kraftig.

Del 3

Sunniva Rose
Foto: Sunniva Rose
Brenselssyklusen

Generelt så starter brenselssyklusen til et kjernekraftverk (ofte bare "fuel cycle" eller brenselssyklus) med utvinning av brenselsmaterialene (uran, thorium) og slutter med endelig deponering av avfall. Målet er å få så mye energi som mulig ut av materialet, innenfor grensene man har satt for at kjernekraftverkene skal drives sikkert.

Det er to hovedstrategier for brenselssyklusen:

  1. Once thorugh cycle ("en gang igjennom"-syklus), der man anser brukt brensel som avfall etter at det har vært inne i reaktoren. Denne varianten er den mest økonomiske så lenge uran som råvare er billig og lett tilgjengelig. På den annen side får man produsert mer avfall på denne måten enn med den andre strategien.
  2. Reprossesering og closing the fuel cycle (lukke brenselssyklusen). Med denne strategien blir brukt brensel sett på som en ressurs, som man resirkulerer. Denne brenselssyklusen produserer mindre avfall enn den første strategien, men den er dyrere på kort sikt, så lenge uran er en rimelig ressurs. Dessuten kan denne syklusen få folk til å bli bekymret for våpenproduskjon. Reprossesering kan gjøre én gang (det er standardvalget for uran/plutonium-brenselssyklusen i de landene som faktisk reprossereser) eller flere ganger (som det som presenteres i den første artikkelen). Det ultimate målet er å produsere mer nytt spaltbart materiale i løpet av syklusen enn den som brukes.

Fra et kjernefysisk perspektiv (og fokuset i denne avhandlingen) er den mest "interessante" delen av brenselssyklusen fysikken i de komplekse, kjernefysiske prosessene som skjer i reaktorkjernen - som inkluder et stort antall kjernefysiske reaksjoner og henfall.

Nøytronbudsjettet

Nøytronene driver kjedereaksjonen og er dessuten ansvarlige for å transformere fertilt materiale til fissilt materiale - noe som er helt grunnelggende viktig for  thorium-brenselssyklusen, der det faktisk ikke fins noen fissil isotop. Nytronbudsjettet er dermed svært viktig for hvordan reaktoren oppfører seg.

I fisjonsprosessen blir det i gjennosmnitt frigjort mer enn ett nøytron. Det betyr at dersom tapet av nøytroner til moderator, materialet i strukturene rundt, og brenselet selv (etc.) ikke er for stort, burde det være nok nøytroner tilgjengelig til å transformere fertilt materiale (thorium-232 - thorium-brenselssyklus, uran-238 - uran-brenselssyklus) til fissilt material (uran-233 -thorium-brenselssyklus, plutonium-239 - uran-brenselssyklus), i tillegg til det ene nøytronet som trengs for å holde kjedereaksjonen gående. Et mål på hvor bra dette skjer i brenselet er breeding ratio, som er raten fissilt materiale produseres delt på raten det brukes. Hvis en reaktor lager mer fissilt materiale enn det den bruker, sier man at reaktoren "avler" (breeding).

Hvis 2 nøytroner blir frigitt per fisjon (som i gjennomsnitt er sant), er breeding i prinsippet mulig. Dessverre, som allerede nevnt, så taper man nøytroner som blir "spist opp" andre steder i reaktoren.

Del 4

Thorium, grunnstoff nummer 90, er et svakt radioaktivt materiale vi finner i naturen, det ble oppdaget i Norge i 1828 av den svenske kjemikeren Jöns Jacob Berzelius. Berzelius oppkalte det nye grunnstoffet etter tordenguden Thor. Det er estimert at Norge har mer enn 100 kilotonn thorium - som utgjør en betydelig andel av den totale mengden av de globale reservene på ca. 3 megatonn. Thorium fins i små mengder overalt i jordskorpen, med gjennomsnittlig konsentrasjon på 10 ppm. Det betyr at thorium er 4 ganger mer vanlig enn uran.

I naturen er thorium et monoisotopisk grunnstoff - det betår kun av den ikke-fissile isotopen thorium-232, som enkelt kan gjøres om til den fissile uran-isotopen uran-233. Thorium er altså et fertilt materiale. Thorium-brenselssyklusen starter med at thorium absorberer et nøytron, som dermed henfaller til protaktinium-233, og deretter viodere til uran-233:

n+Th-232 --> Th-233(beta-minus, 22 minutter) Pa-233(beta-minus, 27 dager) U-233

Uran-233 er den kjernen som faktisk spaltes etter å ha bli truffet av et nøytron, og den er dermed hovedansvarlig for den energien som frigjøres i thorium-basert brensel. Den tilsvarende prosessen i uran-brenselssyklusen er den fertile uran-238, som fanger inn et nøytron og blir omdannet til fissilt olutonium-239:

n+U-238 --> U-239(beta-minus, 24 minutter) Np-239(beta-minus, 2.4 dager) Pu-239

Sunniva Rose
Foto: Sunniva Rose

I figur 4 (bildet til høyre) kan man se at grunnen til at det går an å si at thorium er et "bedre brenselsmateriale" enn uran er de kjernefysiske egenskapene til uran-233 - som er helt fantastiske! Antall nøytroner som blir frigjort per nøytron som absorberes (Eta), er høyere i det termiske området enn for plutonium-239, og antall kjerner som absorberes sammenliknet med de som fisjonerer (når de treffes av et nøytron - Alpha), er lavere i det termiske området enn for plutonium-239.

Dette betyr at det produseres mer nytt fissilt materiale når thorium er den fertile isotopen enn når det er uran-238 (i det termiske nøytron-området). I tillegg blir det produsert mindre langlivet avfall med thorium-232 som den fertile isotopen enn uran-238, siden uran-233 oftere fisjonerer når den treffes av et nøytron enn plutonium-239. Det er også nødvendig med mange flere nøytroninnfangninger etter hverandre for å lage et transuran - 5 versus 1.

Del 5

I motsetning til uran har thorium ingen fissil/spaltbar isotop i seg, sånn som man finner det i naturen (uran har isotopen uran-235, som altså er spaltbar). For å starte prosessen der thorium-232 (som man finner thorium ute i naturen) forvandles til uran-233, trenger man en nøytronkilde (i uranbrensel er denne kilden fissilt uran-235, som altså allerede er til stede). Det fins flere mulige valg av nøytronkilde: En ekstern kilde - en aksellerator som produserer nøytroner ved spallasjon av for eksempel bly (som ble foreslått av Carlo Rubbia), bygge opp en viss mengde uran-233 som videre kan brukes som nøytronkilde (en catch-22 her er at du trenger å ha throium-brenselssyklusen gående for å kunne starte thorium-brenselssyklusen for å produsere uran-233), plutonium fra resirkulert uranbrensel eller, som denne avhandlingen tar for seg (Artikkel 1), rent eller så å si rent uran-235.

Thorium-brenselssyklusen trenger ett nøytron for å omdanne thorium-232 til uran-233 og ett nøytron for å fisjonere (spalte) uran-233, for hver eneste nøytron-generasjon. Siden Eta og Alpha (som det sto om i del 4 av denne føljetongen) er det de er, er det i prinsippet mulig å breede i et termisk nøytronspektrum (altså med nøytroner med lav energi). I det som ble kalt the Shippingport Light Water Breeder Reactor program ble det demonstrert at breeding absolutt var mulig i en lettvannsreaktor (som betyr termisk nøytronspektrum). Denne reaktoren hadde dog en meget spesiell geometri, og den ble aldri kommersialisert.

Andre strategier som kan brukes for å oppnå breeding er:

  • å fjerne nøytrongifter som spiser nøytroner (hovedsakelig fisjonsprodukter): saltsmeltereaktor-teknologi (MSR).
  • å bruke en ekstern nøytronkilde (ADS).

Ingen av disse alternativene er "off the shelf", og de er ikke egentlig realistiske valg per i dag.

Uavhengig av dette; selv om breeding er vanskelig å få til, er det mulig å forbedre breeding-ratioen sammenliknet med standard uran-brensel i en standard trykkvannsreaktor allerede "i dag". Ved å bruke denne siste strategien, vil man også få thorium inn i den kjernefysiske brensels-miksen og på den måten drøye uranressursene i verden.

Del 6

Aller først: Det fins mer thorium i jordskorpen enn uran (ca. fire ganger mer, faktisk). Under de rette forutsetningene kan thorium-basert brensel produsere mye mindre langlivet radioaktivt avfall og så å si null plutonium – begge deler er (antageligvis) med på å gjøre thorium-basert brensel mer spiselig for publikum. Det er også mulig å breede, eller nesten-breede, i et et termisk nøytronspektrum. Det betyr at at det er mulig å få ut mer energi fra brenselet, til og med med dagens reaktorteknologi.

På den mer «negative siden» er thorium-brenselssyklusen avhengig av nøytroner «utenfra», og det er utfordringer med gamma-stråling fra uran-232. Uran-232 produseres i små mengder i alle typer brensel som inneholder thorium – på to forskjellige måter som begge starter med et nøytron med høy energi:

Sunniva Rose
Foto: Sunniva Rose

Uran-232-isotopen har en relativt kort halveringstid - på 68,9 år - og den ender til slutt opp i bly-208, som sender fra seg en gammastråle på 2.6 MeV (fra sin første eksiterte tilstand – for dem som er interessert i sånt). Denne gammastrålingen gjør brukt thorium-brensel svært vanskelig å håndtere, og det kreves kraftig skjerming når man skal reprosessere og lage nytt brensel.

Den mest utfordrende delen av thorium-brenselssyklusen er dermed baksiden (back end). Og reprossesering er viktig, ellers blir påstanden om at man produserer mindre avfall ikke sann. Det at det alltid fins uran-232 i brukt thorium-brensel, er dog ikke bare negativt – det er nemlig med på å gjøre dette brenselet mye sikrere med tanke på spredning/smugling og våpenproduksjon: For det første virker gamma-strålingen på 2.6 MeV som en signatur på brenselet, som gjør det veldig lett å detektere – smugling av thorium-brensel vil være lett å oppdage. For det andre gjør uran-232 (og den påfølgende gamma-strålingen på 2.6 MeV) det mye vanskeligere å produsere våpen fra thorium-baserte brensel enn fra uran-baserte brensel – noe som kan være en fordel med tanke på publikums aksept for teknologien.

Sist, men ikke minst, så kan det å blande thorium med våpenmateriale (altså høyanriket uran) være en utmerket måte å «brenne», og dermed nøytralisere/kvitte seg med, alt det våpengraderte uranet som allerede eksisterer rundt omkring i kjernevåpen.

Dette innlegget er opprinnelig fra Sunniva Roses blogg

For små og store forskninsnyheter i realfag og teknologi: Følg oss på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Tags: 

Skriv ny kommentar

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