Kernekraft kan blive det nye håb

Written by  maj 07, 2016

Kernekraften har i de senere år haft et omdømme som en teknologi, der både er kostbar og farlig. Men med CO2-afgifterne er kul blevet for dyrt, og det giver medvind til kernekraften, der er under konstant udvikling, fordi verden stiller krav om nye værker, der er langt mere sikre og økonomiske.

Af Daniel Brøns
Drømmen om en evig kilde, der leverer energi til verdens befolkning i millioner af år driver i dag mange af verdens forskere inden for kernekraft. Og drømmen kan meget let blive virkelighed allerede i løbet af 20-30 år, hvor verden ventes at have omstillet en stor del af sine kernekraft-værker til en type, der kan udnytte grundstofferne uran og thorium så godt, at vi vil have rigeligt med energi-ressourcer i tusinder – ja måske millioner af år. Det kræver bare, at vi får fat i grundstofferne overalt de findes. Uran findes eksempelvis ikke alene i rå form, men også i eksempelvis havvand, der indeholder cirka 800 gange mere uran end i de kendte uran-årer.

Udnytter kun 0,7 procent
I første omgang skal værkerne dog bygges til at udnytte ressourcerne bedre. I dag udnyttes normalt kun 0,7 procent af den uran, som vi udvinder. Mere er der faktisk ikke af typen U235, der typisk bruges i letvandsreaktorer. Det resterende U238 er ikke umiddelbart til at spalte, og kræver derfor at blive beriget for at kunne anvendes i en reaktor. Det samme gælder i øvrigt grundstoffet thorium, som ved berigelse kan omdannes til uran og derved i betydelig grad forøge verdens beholdning af spaltbart brændsel.

Generation IV værker på vej
Derfor har en række af verdens førende lande sat sig sammen for at udvikle nye former for værker, der udnytter verdens beholdninger af uran og thorium fuldt ud. Generation IV er fællesbetegnelsen for de nye reaktorer, der vil være på markedet om 20-30 år. Ud over kravet om bedre udnyttelse af brændslet skal de også være mere sikre, de skal producere mindre affald og de skal mindske sandsynligheden for spredning af materialet bruges til kernevåben.

Formeringsreaktoren udnytter brændslet
Den mest oplagte løsning på udnyttelsen af brændslet er at udvikle nye former for formeringsreaktorer, der kan omdanne thorium og uran 238 til brændsel. Det gøres i selve reaktoren, hvor eksempelvis stænger af uran 235 udvikler varme ved spaltning. I processen frigør hvert atom dobbelt så mange neutroner, som det modtager, og derved opstår varme. Og der opstår også et overskud af neutroner, som kan opfanges af det ikke-spaltbare materiale ved at sætte dem op i udkanten af det sted brændselsstængerne arbejder. Dermed skaber reaktoren ikke alene energi. Den "formerer" sig samtidig ved at skabe nyt brændbart materiale, som senere kan udnyttes som brændsel. Omtrent på samme måde, som hvis man tog noget vådt brænde, og lagde det i kanten af et bål for at presse vandet ud, så det kunne bruges som brænde senere.

Processen betyder, at man pludselig kan få glæde af de 99,3 procent af uran-materialet, der består af uran 238. Ved bestråling kan uran 238 omdannes til plutonium 239, som umiddelbart kan bruges som brændsel. En endnu større fordel, at man på samme måde kan formere grundstoffet thorium 232 til uran 233, der er spaltbart. Dermed får Verden en metode til at udnytte både thorium og uran i en evig proces, der skaber energi, samtidig med, at det formerer nyt brændsel.

Vand giver fare for eksplosion
Formeringsreaktoren fungerer rent faktisk, men den har også nogle udfordringer. Eksempelvis kræver overskuddet af neutroner, at spaltningen ikke bremses af vand som i almindelige reaktorer. Derfor skal spaltningen foregå omsluttet af natrium, der ikke bremser neutronerne, men som til gengæld kræver en temperatur på over 98 grader. Kommer temperaturen længere ned, går processen i stå. Til gengæld kan temperaturen blive 892 grader inden natrium koger, og dermed kan man virkelig få tryk på turbinerne ved udnyttelsen af energien. Alligevel er natrium et giftigt og vanskeligt stof at håndtere, og det eksploderer, hvis det kommer i kontakt med vand. Derfor er rørene til køling dobbelte, og mellem rørene er der fyldt op med kvælstof.
Desuden skal der tilføres et ekstra natriumkredsløb for at forhindre det radioaktive natrium at komme i kontakt med vand. Indtil nu har den ikke været specielt økonomisk i drift, især fordi systemet er vanskeligt at servicere. Men teknologien udvikler sig, og vil forhåbentlig blive mere konkurrencedygtig efterhånden som prisen på uran stiger.

Pebble Bed reaktoren: Indbygget affaldshåndtering
Et andet stort håb for generation IV reaktoren er Pebble Bed teknologien, der populært sagt anvender små kugler med spaltbart materiale i reaktoren. Kuglerne indeholder uran, der skaber varme ved at neutroner udveksles mellem dem. Processen fungerer kun ved bestemte temperaturer, og kan derfor ikke løbe løbsk. Desuden er affaldsproblemet løst, fordi det radioaktive materiale er indkapslet i grafit, som kan holde i langt længere tid end det tager radioaktiviteten at forsvinde. Derfor kan affaldet udmærket dumpes i eksempelvis klipper, hvor man ikke skal være bange for, at radioaktivt materiale løber ud. Et stort problem ved Pebble Bed er dog, at processen kræver højt beriget uran, som er kostbart at producere. Desuden kan affaldet ikke umiddelbart beriges og bruges som nyt brændsel. Derved forsvinder noget af visionen med generation IV-værkerne, der skal udnytte verdens brændsel så godt som muligt. Alligevel er teknologien så langt fremme, at det formentlig vil blive en del af de første generation IV værker.

Flydende kernekraft
En anden meget interessant vision er at opløse uran i flydende salte, således at man får en væske, der giver varme og er i balance med sig selv, mens den leverer varme til turbinerne. Molten Salt Reactor kaldes teknologien, der indgår i et temmelig avanceret kemisk værk, som dog har en række udfordringer, der skal løses, inden man rigtigt får styr på processerne. Men fordelene er også mange. Eksempelvis kan man indbygge formering som en del af processen, således at man tilfører processen en mængde thorium eller uran 238, som gradvist omdannes til spaltbart materiale, som indgår i forbrændingen.

Hvis teknologien lykkes, så vil kernekraftværker være væsentligt enklere at bygge end i dag, fordi der pludselig bliver tale om en proces, der kemisk er enklere at styre, og som ikke kan nedsmelte som et traditionelt kraftværk, fordi den kemiske masse hele tiden er i balance og lukker ned, hvis der kommer for meget varme.

Mange varianter
I det hele taget forskes der hele tiden i at skabe mange andre varianter i en underskov af virksomheder og institutioner, som alle har et fælles mål om at komme først med en generation IV reaktor. Lige nu regnes tidens reaktorer dog ikke for at have nået måle, og der er mange uafklarede spørgsmål i hele processen. Der er også mange eksempler på eksperimentelle værker, som har måttet give op, fordi de ikke har levet op til deres målsætninger.

Under alle omstændigheder er det vigtigt, at det lykkes at opfylde visionen med at brænde affaldet helt ud. For derved fylder det mindre, ligesom en total udbrænding gerne skulle mindske mængden af meget radioaktive trans-uraner, som ellers kræver opbevaring i tusinder af år. Et stort problem i den sammenhæng er i øvrigt, at mange lande af politiske årsager ikke vil sende brugt brændsel til oparbejdning i udlandet, og det mindsker graden af udnyttelse.

Måske noget om ressourcer til mange år
Selv om forskerne i dag stadig siger, at der går 20-30 år, før generations IV værkerne for alvor er kørt i stilling, så er vi allerede i dag meget langt med mindre værker, der eksperimenterer på livet løs. Dermed er der næppe tvivl om, at vi nok skal få vores generation IV, spørgsmålet er bare, hvilken teknologisk variant, der vil vinde kapløbet. Under alle omstændigheder er der udsigt til at kernekraften kan give os brændstof til tusinder – og ikke kun hundreder af år. Og skulle det lykkes at få formerings-metoden til at fungerer optimalt – og samtidig finde en rentabel metode til udvinding af uran fra havvand og andre stoffer, får de største optimister måske ret i, at kernekraften kan give os billig energi i i hvert tilfælde en halv million år eller længere.

Formeringsreaktorer brænder det hele

Natriumkølet formeringsreaktor

Formerings-reaktoren giver os brændstof til mange tusinder og måske millioner af år. I dag findes reaktortypen flere steder, blandt andet i Frankrig, Storbritannien, Rusland og Japan, men den er stadig ikke konkurrencedygtig på prisen og stabiliteten. En reaktor startens normalt ved hjælp af plutonium 239, hvorefter processen kører. Processen fungerer i flydende natrium, der har den fordel, at den ikke bremser neutronerne. Natrium skal dog holdes adskilt fra vand for at undgå eksplosionsfare. Reaktortypen er ideel i forhold til målet med at udbrænde materialet, men den har også vist sig at være vanskelig at drifte, fordi natrium skal fjernes under service.


Sikker kernekraft i kugleform

Pebble Bed teknologien

Drømmen om sikker kernekraft er et skridt nærmere med Pebble Bed teknologien, som bruges i flere typer af generation IV værker. Pebble betyder rullesten, og som navnet antyder består brændslet af små kugler, der er bygget med brændsel i midten i en blanding af uran 235 og 238. Blandingen giver varme i adskillige år, og da kuglerne er omsluttet af grafit, der har to fordele. Neutronerne påvirkes nemlig af grafitten, så deres udgangshastighed bliver ideel for spaltning. Desuden betyder omslutingen, at radioaktiviteten i uranet ikke kan løbe ud i naturen. Den er indesluttet i tusinder af år og kan ikke løbe ud i vandløb eller lignende, hvis der går læk på et affaldsdepot. Metoden er stærkt på vej til at blive kommercialiseret i bl.a. Kina og Sydafrika, der satser stort på den. Fordelen er især, at processen fungerer ved ekstreme temperaturer, så man får mere effektive værker på den samme plads. En ulempe er dog, at uranet skal være højberiget, og det koster mange penge. Der er heller ikke fundet en løsning på, hvordan man kan oparbejde atomaffaldet. Teknologien kan dog godt bruges til formering af brændsel på samme måde som i en almindelig formeringsreaktor.


Flydende kernekraft til villakvarteret

Molten Salt Reactor og LFTR

Den ultimative drøm for kernekraften må være at køre det hele i flydende form i et kemisk værk, der en vis grad overflødiggør menneskelig indgriben i processen. Hvis man opløser uranet i smeltet salt kan man populært sagt skabe spaltning i en opløsning, der er flydende. I dens mest ideelle form skal man kunne tilsætte materiale til berigelse såsom thorium eller uran 238, der med tiden omdannes til spaltbart materiale, som så igen indgår i processen. Det meste af affaldsstofferne består således af materiale med lav strålingsfare, som er brændt helt ud.
I USA findes en stærk lobby, som argumenterer for øget forskning i at udvikle en variant af MSR-reaktoren til et meget simpelt værk kaldet LFTR. Lykkes projektet vil man i princippet kunne lave kraftværker, der ikke fylder mere end en almindelig skurvogn. Det vil i givet fald være en revolution, fordi centrale kraftværker dermed vil være overflødige. Udfordringen er dog især at finde materialer, der kan håndtere de ætsende salte i processen, ligesom der skal bedre styr på det kemiske.

Minireaktoren baseret på let vand

IRIS reaktoren

Med IRIS-reaktoren gøres det muligt at bygge en reaktor uden ret meget mekanisk udveksling med omverdenen. Hele reaktoren er indkapslet således, at der kun skal tilsluttes rør til vand og damp. Fordelen er enklere vedligehold og mindre risiko for udslip til omverdenen, fordi en større trykbeholder bedre kan klare presset end en mindre. Det ventes derfor,at man kan køre værket under højere tryk end normalt. Det meget enkle design gør det i øvrigt muligt at bygge mindre kraftværker efter konceptet. Hele processen styres udelukkende ved hjælp af kontrolstænger, hvilket er meget enklere end typiske letvandsreaktorer, som fordrer en del kemisk tilsætning for at styre processen. (kan breeding mon blive en del af det).

 

Her findes verdens thorium

Land / Tons / Procent af Verdens ressourcer

 Australia
489,000
19
 USA
400,000
15
Turkey
344,000
13 
India
319,000
12 
 Venezuela
300,000
12
 Brazil
302,000
12
 Norway
132,000
5
 Egypt
100,000
4
 Russia
75,000
3
 Greenland
54,000
2
 Canada
44,000
2
 South Africa
18,000
1
 Other countries
33,000
1
 World total
2,610,000
   

 

/>

Her findes verdens uran

Uran findes overalt I naturen. Ud over de kendte ressourcer til udvinding kan man alene i havvandet udvinde omkring 800 gange mere end ved minedrift.

Known Recoverable Resources of uranium 2009
tonnes U percentage of world

Australia 1,673,000 31%
Kazakhstan 651,000 12%
Canada 485,000 9%
Russia 480,000 9%
South Africa 295,000 5%
Namibia 284,000 5%
Brazil 279,000 5%
Niger 272,000 5%
USA 207,000 4%
China 171,000 3%
Jordan 112,000 2%
Uzbekistan 111,000 2%
Ukraine 105,000 2%
India 80,000 1.5%
Mongolia 49,000 1%
other 150,000 3%
World total 5,404,000


Konkurrent til fusion
Fremgangen inden for kernekraft truer på mange måder de store projekter, der skal give os billig energi fra fusion, der populært sagt skal kopiere solens måde at skabe energi. Det store ITER-anlæg i Frankrig har endnu ikke kunnet præsentere verden for noget, der bare ligner en prototype, selv om anlægget indtil nu har kostet skatteyderne adskillige milliarder kroner. Projektet er for øjeblikket stærkt forsinket, og omkostningerne vokser. Lige nu ventes en det tidligst, at vi kan få fusionsenergi i år 2050. Det har fået mange politikere til at overveje, om det i virkeligheden er bedre at satse på andre energikilder.

Fakta om kernekraft

- udgår ca. 6 procent af verdens energiforsyning og 14 procent af vores elforsyning
- 30 lande i verden har kernekraft
- Lige nu er ca. 50 værker under opførelse, og der er planer for yderligere 130.


10 faktorer, der gør kernekraft interessant lige nu

1) Et atom fra uran producerer 10 millioner gange mere energi end et atom fra kul
2) Affaldet kan i dag oparbejdes, så man reelt brænder langt mere af affaldet ud.
3) I uran kan kun 0,7 procent af stoffet, der er af typen U235 umiddelbart udnyttes. I fremtiden regner man med at kunne udnytte det hele.
4) Også thorium vil kunne udnyttes. thorium kan omdannes til U233, der er spaltbart og som indeholder mere energi end U235.
5) Mange forskere regner med, at kernekraften vil give os billig energi i måske millioner af år, hvis vi også udvinder uran fra havvand og andre kilder.
6) Oparbejdning af affaldsstoffet plutonium betyder at brændselsværdien i uran øges med ¼.
7) Nye metoder gør det muligt at skifte stave i reaktorerne hurtigere og derved udnyttes værkerne mere optimalt.
8) thorium kan udnyttes i "slyngelstater", fordi det kun vanskeligt kan omdannes til plutonium, der anvendes i kernevåben.
9) Nye reaktortyper indeholder mekanismer, der automatisk lukker processen ned, hvis den overophedes.
10) Kernekraft lægger ikke beslag på landbrugs-arealer i en tid, hvor verden har brug for større fødevaresikkerhed.


Oparbejdning forbedrer økonomien og reducerer affaldsmængden

Affaldsproblemet kan allerede reduceres betydeligt ved at oparbejde atom-affaldet, så man derved eksempelvis udskiller det giftige plutonium og udnytter det som brændsel i stedet for at opbevare det. Derved bliver det meste af stoffet reelt brændt af. I dag findes oparbejdningsværker i Belgien, Frankrig, Storbritannien og Rusland, mens Japan er på vej med sit første.
I USA findes ingen, så her er affaldsproblemerne stadig et meget følsomt emne, også fordi USA er bange for spredningen af plutonium, der anvendes i atombomber.
Ved brug af oparbejdning reduceres affaldsmængden ved et typisk værk til omkring 1 kubikmeter årligt. Da affaldet ikke indeholder høj-radioaktive stoffer, vil affaldet efter 10 år være 1000 gange mindre radioaktivt, end da det blev lagret. Efter 500 år vil det være mindre radioaktivt end det uran, som findes naturligt i naturen.

  • Deadline Press
  • Last modified on tirsdag, 24 oktober 2017 11:44
    Daniel Brøns

    Daniel Brøns er uddannet journalist og IT-systemudvikler og har i en årrække arbejdet med forskning, viden, teknologi og uddannelse. Gennem tiden har han blandt andet skrevet for uddannelsessektoren, Illustreret Videnskab, PC World, de danske IT-fagforeninger, Microsoft, Sony og GN Netcom. Kommunikation og rådgivning er en væsentlig del af hans virke.

    Best rated