Dramatisk reduksjon av atomavfall

Hvis man blander thorium og uran i kjernekraftreaktoren og gjenvinner uranet etterpå, kan avfallet med langlivete radioaktive stoffer reduseres betraktelig.

KLUET: – Hele poenget er: Lag nytt brensel med uran fra det brukte brenselet. Da får man betydelig mindre avfall. Problemet er at thorium er veldig stabilt og at det er svært vanskelig å løse uran fra thorium, presiserer Sunniva Rose. Foto: Dreamstime

Sunniva Rose ved Senter for akseleratorbasert forskning og energifysikk (SAFE) på Universitetet i Oslo har beregnet at omfanget av de langlivete radioaktive stoffene i dagens konvensjonelle kjernekraftverk kan reduseres betraktelig om man blander thorium og uran og gjenvinner uranet fra det brukte brenselet.

Hun er den eneste i landet som tar utdannelse i bruk av thorium i konvensjonelle kjernekraftverk, og er nettopp kommet tilbake fra et forskningsopphold i reaktorfysikk ved Institut de Physique Nucléaire utenfor Paris.

Thoriumløsningen hennes er ikke den samme som professor Egil Lillestøl ved Universitetet i Bergen lanserte for to år siden. Da slo han fast at den fremtidige kraftkrisen kunne løses med rene thoriumkraftverk.

– Norge har nok thorium til å tjene 250 000 milliarder amerikanske dollar. Det er tusen ganger oljefondet vårt, poengterte Egil Lillestøl til Apollon for to år siden. Norge har med sine 180 000 tonn verdens fjerde største registrerte forekomst av thorium.

Forslaget hans hadde et aber. Det tar vel 13 år å teste ut en prototyp, før man kan bygge et kommersielt kraftverk. Et av de uløste problemene var bruken av flytende bly i reaktoren.

Vanlig reaktor

Sunniva Rose har studert bruken av thorium i verdens mest brukte atomreaktor, trykkvannsreaktoren, også kalt PWR (Pressurized Water Reactor).

Hun har sett på den mest moderne utgaven, en tredjegenerasjons trykkvannsreaktor. Denne reaktoren er større enn de gamle modellene, og sikkerhetssystemet er laget slik at reaktoren kan stanses automatisk uten at noen må gripe inn.

Den nye reaktortypen er bygd både for rent uranbrensel og for en blanding av uran og plutonium.

– Fordelen med å blande uran og plutonium er at man da kan kvitte seg med plutonium fra kjernefysiske våpen, forteller Rose.

SIMULERER: For å simulere reaksjonene i thoriumkraftverk, henter Sunniva Rose blant annet opplysninger fra kjernefysikernes bibel, nuklidekartet, som har opplysninger om levetiden og strålingen til samtlige stabile og radioaktive varianter til alle grunnstoffene i det periodiske system. Foto: Yngve Vogt

Sunniva Rose har undersøkt hva som skjer om man bytter ut plutoniumet med thorium. Ved hjelp av simuleringer og teoretiske beregninger har hun oppdaget at avfallsproblematikken kan reduseres betraktelig om man gjenbruker uran fra brensel med uran og thorium.

Hvis man ikke gjenbruker uranet, vil restavfallet være like farlig og langlivet som dagens reaktoravfall.

– Hele poenget er å dra ut ubrukt uran fra det brukte brenselet og blande det sammen med nytt uran og nytt thorium. Da får man ikke alle disse avfallsproduktene. Men rensearbeidet er dessverre skittent. Thorium er veldig stabilt, så man må bruke en del ekle syrer for å trekke ut uranet, påpeker Rose.

India bruker allerede en blanding av uran og thorium i de moderne kjernekraftverkene sine, men kunnskapen blir ikke delt med den vestlige verden, så lenge India ikke undertegner ikkespredningsavtalen. I Vesten gjøres det nå en del forskning på thorium. På en thorium-konferanse i Beijing i fjor var det spesielt mange forskere fra Canada.

Ingen ny fysikk

Professor i kjernekjemi og leder ved SAFE-senteret, Jon Petter Omtvedt , bekrefter at forslaget til Sunniva Rose kan gjennomføres.

– Dette er ikke ny fysikk. Det er vel så viktig at gjenvinningen økonomisk sett kan la seg forsvare. Det finnes løsninger for å gjenvinne uran fra brukt kjernekraftbrensel, men det finnes ikke nok forskning på hvordan man gjenvinner uran på en lønnsom måte fra brensel som inneholder thorium, påpeker Jon Petter Omtvedt.

I fremtidens kjernekraftverk vil det være nødvendig å skille ut uran fra brukt brensel. Hvis man baserer seg på engangsbrennstoff, vil verdens uranreserver fort bli brukt opp.

Poenget er at kjernekraft bare kan bruke noen prosent av brennstoffet, før brennstoffet blir så forgiftet at det ikke virker lenger. Det er som å fylle noen hundre liter bensin på biltanken og kjøre tre mil og tømme ut resten.

– Når man spalter brennstoff, får man praktisk talt alle grunnstoffene i det periodiske systemet. Man må fjerne alle grunnstoffene som gjør at prosessen ikke lenger virker, før man kan bruke brennstoffet igjen, poengterer Jon Petter Omtvedt.

To scenarier

Sunniva Rose har simulert to scenarier i thoriumreaktoren. Det ene er kombinasjonen av thorium og tjue prosent anriket uran. Det andre er en kombinasjon av thorium og nitti prosent anriket uran.

Begge alternativene innebærer langt høyere anriking av uran enn det som er vanlig i dagens kjernekraftreaktorer.

I naturlig uran fins det mindre enn én prosent uran 235. Resten er uran 238. Når man øker andelen uran 235 i forhold til uran 238, kalles det anriket uran. Det vanligste uranbrennstoffet i atomreaktorer har i dag fra to og en halv til fem prosent uran 235.

Alle radioaktive grunnstoffer fins i en rekke forskjellige tilstander. Dette kalles isotoper. Uran 235 og uran 238 er bare to av de mange mulige isotopene til uran. Uran har 92 protoner. Numrene 235 og 238 står for summen av protoner og nøytroner. Jo flere nøytroner, desto tyngre blir urankjernen. Det er derfor lett å regne ut at uran 238 har tre flere nøytroner enn uran 235.

Kjernekraftenergi blir skapt ved å spalte atomer. Man bombarderer brennstoffet med nøytroner. Nøytroner er en av de to byggeklossene til atomkjernen. Bombarderer man uran 235 med nøytroner med rett energi, er sannsynligheten stor for at atomet deler seg i to. Det er langt mer krevende å spalte uran 238. Det er derfor lurt å bruke anriket uran.

Færre farlige stoffer

De største norske forekomstene av thorium er i Nome kommune i Telemark. All thorium er thorium 232.

– Det produseres mye uran når man bruker thorium. Det er et av hovedpoengene med å bruke thorium i brenselet, forteller Sunniva Rose.

Når thorium 232 blir truffet av et nøytron, vil det fange inn nøytronet og omdannes til det langt mer ustabile stoffet thorium 233, som har en halveringstid på 22 minutter. Thorium 233 blir så omdannet til protactinium 233, med en halveringstid på 27 dager. Da har et av nøytronene blitt omdannet til et proton. Så blir stoffet omdannet til uran 233.

Det betyr: Mesteparten av det thoriumet som har fanget inn et nøytron, vil være omdannet til uran 233 etter en måned. Men størstedelen av thoriumet i brenselet fanger ikke inn nøytroner, så disse atomene fortsetter rett og slett å være thorium 232.

– Det er nettopp det som er så fascinerende med radioaktive stoffer. Selv om klumpen med stoff er den samme, blir atomene i stoffet til helt andre grunnstoffer, forteller Rose.

Simuleringene hennes viser likevel at avfallsstoffene kan være svært langlivete hvis man ikke gjenbruker uranet. De mest langlivete stoffene har en halveringstid på opptil 10 millioner år.

– Så hele poenget er: Lag nytt brensel med uran fra det brukte brenselet. Da får man betydelig mindre avfall. Problemet er at thorium er veldig stabilt og at det er svært vanskelig å løse uran fra thorium, presiserer Sunniva Rose.

Dessuten produseres det nesten ikke plutonium når man bruker thorium blandet med høyanriket uran.

– I de beste tilfellene produseres det 96 prosent mindre plutonium enn med vanlig kjernekraftbrensel.

Fortsatt ikke klar

Sunniva Rose tror likevel ikke verden er klar for thorium – ennå.

– Foreløpig er det nok uran i verden. Uranprisene er dessuten lave, men når uranprisene stiger, vil thorium bli enda mer interessant, forteller Sunniva Rose, som har dratt til Paris for å beregne hvilken pris uran må ha før thoriumløsningen blir lønnsom.

Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:47
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere