Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Thorium i kjernekraftverk

14. september, 2017

Denne teksten tar utgangspunkt i at du har lest vår innledende artikkel om kjernefysikk, eller har kunnskap om kjernefysikk likt pensum for fysikk 1.

I debatten om kjernefysikk og generelt energiproduksjon for fremtiden, kommer thorium til stadighet opp som et forslag. I denne teksten skal vi peke på fakta om thorium og kaste et objektivt blikk over de mulighetene som foreligger.

Sammendrag

I tradisjonelle kjernekraftverk fisjoneres uranisotopen 235U, og vi får to store fisjonsfragmenter, og 2-3 nøytroner med høy kinetisk energi. Denne kinetiske energien er det vi i hovedsak bruker for å varme opp dampen i reaktoren, og videre til å drive en turbin, koblet til en generator som genererer elektrisk energi. Et kjernekraftverk er altså i bunn og grunn en stor vannkoker! Det er imidlertid noen ulemper ved denne energiproduksjonen, mange av økonomisk art og mange som dreier seg om miljø og helse. Mange av disse ulempene kan bedres ved å enten blande inn 233U (som dannes ved å desintegrere thorium) i brenselet, eller utvikle nye reaktortyper som bruker thorium til å lage sitt eget brensel, såkalt breeder-reaktorer. Disse løsningene har dog enda ikke nådd helt igjennom, både på grunn av kostnadene det ville medføre og en underliggende frykt for kjernefysikk.

 

Allerede tidlig på 40-tallet begynte mennesker å dra nytte av den energien man kan få ut av en nukleær reaksjon i de første kjernekraftverkene. I kjernekraftverkene brukes det i dag for det meste 235U. Som en følge av de miljø- og samfunnsbelastningene bruken av uran som brensel fører med seg, strides de lærde om dette er det best egnede drivstoffet i et kjernekraftverk. Thorium har lenge vært ansett som en god erstatter på grunn av mange fordelaktige egenskaper, men enda er det liten kommersiell nytte i dette. Kan thorium virkelig være løsningen på verdens energikrise, eller er det rett og slett vår tids teknologiske kult? For å finne svaret på det må vi først se på dagens kjernekraftverk.

 

Tradisjonelle kjernekraftverk

Dagens kjernekraftverk bruker i all hovedsak 235U som brensel, ettersom dette er den eneste egnede isotopen av uran som finnes i naturen og samtidig lar seg spalte på ønsket måte; vi kaller det fissilt materiale. At et stoff er fissilt, vil si at det kan fisjoneres ved å bombardere det med nøytroner som kan spalte stoffets nukleus og samtidig få ut store mengder energi. Når man sender nøytroner i stor fart mot 235U, vil atomkjernen absorbere et nøytron og bli til 236U. Denne isotopen av uran er særdeles ustabil; nøytronet som tilføres kan betraktes som dråpen som får begeret til å renne over. Atomkjernen til 236U vil derfor spaltes til to fisjonsprodukter, samtidig som 2-3 nøytroner skytes ut av kjernen og store mengder bindingsenergi frigjøres. De øvrige nøytronene som skytes ut kan brukes til å drive en kjedereaksjon av spalting av uranatomene. Reaksjonslikningen for slik fisjon kan se slik ut (dersom det frigjøres 3 nøytroner):

 

Fisjon

 

Ettersom de nøytronene som sendes ut rent teoretisk kan sette i gang tre nye reaksjoner tilsvarende denne, vil vi få en kjedereaksjon med eksponentiell økning i antall spaltninger. Forutsetningen for at dette skal skje er at vi har stor nok andel fissilt materiale – dette kaller vi kritisk masse i brenselet. Resultatet vil derfor bli en kaskade av flere nye reaksjoner, som vil resultere i et enormt antall fisjoner som igjen frigir store mengder energi. Det er bevegelsesenergien til de to store fisjonsfragmentene som varmer opp kjølevæsken i reaktoren og som hovedsakelig utgjør den energien som blir produsert og senere omdannet til elektrisitet.

 

Hvor mye energi er det snakk om? 

I introduksjonen til kjernefysikk beregnet vi energien vi får fra én slik reaksjon. Dette gjorde vi slik:

 

Merk at i en fisjonsreaktor er det ekstremt mange slike reaksjoner i gang til enhver tid. I Antall reaksjoner som tar plass per sekund i et 200 MW-fisjonskraftverk:

 

I en tradisjonell 200 MW fisjonsreaktor hvor denne typen reaksjon finner sted er det altså teoretisk rundt  reaksjoner per sekund!

Men, husk å ta i betraktning at dette er et ganske grovt overslag, og svært lite nøyaktig ettersom denne reaksjonen har flere mulige utfall som nevnt tidligere. Hensikten med dette eksempelet er likevel å vise i hvilken enorm størrelsesorden vi snakker om her.

 

En viktig forutsetning for at dagens fisjonsreaktorer skal fungere er at de bruker anriket uran som brensel i brenselstavene. Uran som forekommer naturlig har kun omtrent 1 % av den fissile isotopen 235U, mens 99 % består av 238U. For at uranet skal kunne drive en selvforsynt kjedereaksjon må det anrikes, altså mengden 235U må økes til omtrent 3 %. En annen forutsetning er at nøytronene som sendes ut må bremses ned av en moderator i kraftverket, for at de skal være i stand til å utløse en ny reaksjon. Nøytroner med tilfredsstillende energimengde kaller vi termiske nøytroner. Sannsynligheten for fisjon av 235U er nemlig en funksjon av nøytronenergien. Nedbremsingen av nøytroner oppnås ved kollisjoner med lette atomkjerner av hydrogen eller deuterium. Derfor står brenselstavene i en kjernereaktor i vann (H2O) eller i tungtvann (D2O). Deuterium (D) er hydrogenisotopen 2H som har et ekstra nøytron i tillegg til protonet. Ulempen med lettvannsreaktoren er at noen nøytroner blir bundet til protonet og danner deuterium. Dermed mister man noen nøytroner som kunne ha fisjonert flere uranisotoper. I tungtvannsreaktoren slipper man unna denne problematikken og det er  mange flere nøytroner tilstede og slik at man ikke trenger høy-anriket uran.

Figur 1: Figuren viser en tradisjonell reaktor, og utløpet til en turbin og generator. Reaktoren er i og for seg bare en stor vannkoker! Bilde: Ungenergi.no
Figur 1: Figuren viser en tradisjonell reaktor, og utløpet til en turbin og generator. Reaktoren er i og for seg bare en stor vannkoker! Bilde: Ungenergi.no

I tillegg til brenselstavene og moderatoren består også reaktoren av kontrollstaver. Disse er lagd for å trekke til seg øvrige nøytroner når de senkes ned i moderatoren, og brukes til å regulere fisjonsraten slik at man kan få ut et jevnt energioverskudd, eller eventuelt å stoppe reaksjonene. Kontrollstavene består av kadmium eller bor, ettersom disse lett absorberer nøytronene. Disse bestanddelene er samlet i en reaktortank som vist i figur 1. Energien brukes til å koke vann, som igjen blir til damp som brukes til å drive en turbin.

Utfordringer ved tradisjonell kjernekraft

Fisjon er utvilsomt en lønnsom og gunstig måte å produsere energi på – i alle fall i forhold til forbrenning av fossilt brensel – men likevel drar det med seg en rekke problemer. I likhet med alle andre former for energiproduksjon krever kjernekraft vannkjøling. Dette kan føre med seg temperatursvingninger i økosystemer, ved at man fører vannet tilbake igjen, noe som kan gi ugunstige forhold for dyr og planter. I tillegg får man en stor mengde radioaktivt avfall fra en reaktor som bruker uran som brensel. Minst 80 % av brenselet i en slik reaktor er av isotopen 238U, og det er ingenting i reaktoren som hindrer denne nukliden å absorbere nøytroner. 238U som absorberer et nøytron, sender ut betastråling og desintegreres til 239Np, som igjen desintegreres til 239Pu. Denne isotopen av plutonium har en halveringstid på omtrent 24 000 år – altså vil den forbli radioaktiv ganske lenge. Hovedgrunnen til at dette er problematisk, er at det er nettopp denne plutoniumisotopen som brukes i kjernefysiske våpen.

 

Hvor farlig er egentlig kjernekraft? 

Håndteringen av avfall fra kjernekraftverk har lenge blitt sett på som en fare for mennesker – både under lagringen av og transporteringen av avfallet. Det radioaktive avfallet, som i hovedsak består av plutonium, sender ut alfapartikler. Frykten mange har for denne strålingen er dog ikke spesielt rasjonell. Dersom vi ser på gjennomtrengningsevnen (figur 2) til de ulike radioaktive strålingstypene finner vi at det ikke skal mer til enn et papirark for å stoppe alfapartiklene. Det er derfor svært liten sannsynlighet for at slik stråling helt uten videre kan trenge langt nok inn i kroppen til et menneske og gjøre skade. Problemet her er at vi ikke kan lagre avfall for alltid, og at det må komme mer langsiktige løsninger hvis dette skal være et alternativ til de energikildene vi bruker i dag.

Figur 2: Figuren viser gjennomtrengningsevnen til de respektive strålingstypene.
Figur 2: Figuren viser gjennomtrengningsevnen til de respektive strålingstypene.

Det som imidlertid er farlig, er om de radioaktive stoffene inhaleres av mennesker og havner på innsiden av kroppen. Da vil de radioaktive stoffene sende ut radioaktiv stråling direkte mot indre organer og gjøre stor skade på vev, celler og arvemateriale. Dersom håndteringen av avfallet er forsvarlig og godt organisert utgjør den ingen direkte trussel for at radioaktive stoffer skal frigjøres og dermed skade mennesker.

 

Det er også en viss risiko for at slike kraftverk kan smelte ned, dersom både kjølingen og kontrollen over kontrollstavene svikter. Dersom radioaktive stoffer frigjøres i atmosfæren ved en slik nedsmelting/eksplosjon, kan det føre til at de radioaktive stoffene havner på innsiden av kroppen – da er det fare for direkte skade på mennesker og dyr. Det å bruke thorium som drivstoff istedenfor Uran, hevdes imidlertid å kunne eliminere problemene tilknyttet tradisjonell produksjon av kjerneenergi.

 

Thorium i kjernekraftverk

I motsetning til 235U så er ikke thorium (232Th) fissilt materiale. For å få thorium til å bli fissilt bombarderer man thoriumkjernene med nøytroner. Når 232Th absorberer et nøytron vil det bli 233Th, med en halveringstid på 22 minutter, i motsetning til 232Th som har en halveringstid på hele 14,05 milliarder år. Dette medfører at 233Th på kort tid vil desintegreres til 233Pa, ved at β- og γ-stråling blir emittert. 233Pa har en halveringstid på 27 dager, og vil derfor på forholdsvis lang tid desintegreres til 233U – som i motsetning til alle isotoper av thorium, er fissilt. Denne isotopen av uran kan benyttes i fisjon på lik linje med 235U, og kan slik vist i ligningen nedenfor dannes med naturlig forekommet thorium som utgangspunkt.

 

 

Når man da har fått 233U kan man igjen bombardere kjernen med nøytroner, og dermed få 2-3 nøytroner frigjort i tillegg til to fisjonsprodukter og energi som kan utnyttes i et kjernekraftverk. Det mest gunstige utfallet er fisjonen som forekommer i omtrent 94 % av tilfellene, utfallet som kun fører til emittering av γ-stråling har en sannsynlighet på omtrent 6 % å forekomme (vist i ulike parenteser i formelen nedenfor)

 

 

Thorium har i mange år blitt ansett som svaret på verdens energikrise på grunn av sin mulighet til å omdannes til fissilt brensel som kan brukes i kjernekraftverk, men også på grunn av sine fordelaktige egenskaper. Så godt som alt thorium som finnes i naturen er 232Th (altså ønsket isotop), det er 3-4 ganger mer thorium i berggrunnen enn uran, og avfallsstoffene som dannes inneholder ikke plutonium (ingrediens i kjernefysiske våpen), slik som urans avfallsstoffer gjør. For å gjøre thorium fissilt behøver man et stort antall nøytroner, som kan skaffes fra en ekstern nøytronkilde. Man ser da for seg en protonakselerator som skyter protoner i høy fart mot et stoff som gir fra seg en tilsvarende mengde med nøytroner. Disse nøytronene brukes til desintegrasjonsprosessen fra thorium til 233U. Fordelen med å bruke en slik akselerator for å tilføre nøytroner til desintegrasjonsprosessen av thorium, er at man når som helst kan stoppe tilførsel av nøytroner og kan utelukke risikoen for at fisjonene går ute av kontroll; dette utelukker altså behovet for kontrollstaver. Desintegrasjonsprosessen til 233U er for øvrig mye mindre ressurskrevende enn anrikelsesprosessen av uran. Problemet er imidlertid at vi ikke har utviklet gode nok protonakseleratorer til å holde i gang fisjonene. I det siste har det vært mer diskutert å blande inn thorium i brenselet i tradisjonelle reaktorer, men da kommer også ulempene ved tradisjonell kjernekraft med på kjøpet.

 

I dag arbeides med mange mulige løsninger, kalt IV-generasjons reaktorer, som skal være sikrere og kunne avle sitt eget brensel – kalt breeder-reaktorer. Slike løsninger krever tyngre stoffer som kjølevæske, f.eks flytende bly slik at nøytronene ikke bremses ned (modereres). Dersom det satses målrettet på denne forskningen, vil man om en 20-års periode kunne sette i gang produksjon av disse såkalte reaktorene.

 

Til tross for de mange fordelene, er det også mange ulemper i kjølvannet av dette. De fleste utfordringene er av økonomisk art, eller de handler om tilgangen på nødvendig teknologi – denne reaktortypen er tross alt mye mer avansert enn den «tradisjonelle». I debatten om kjerneenergi vil det derfor være viktig å presisere hva som er fakta om Thorium, og hva som uttrykker potensialet. Thorium kan potensielt spille en vesentlig rolle innen fremtidens kjernekraftverk, erstatte mye av dagens 235U med 233U, og gjøre produksjonen vesentlig tryggere med tanke på avfallsprodukter.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Bevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har kinetisk energi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legeme etter formelen Ek = ½mv²
Bevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.
Maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
Omdanning av en atomkjerne.
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legeme etter formelen Ek = ½mv²
Et isotop av hydrogen. Det er stabilt, dvs. ikke radioaktivt. Har et proton og et nøytron i kjernen.
En nuklide er en bestemt sammensetning av nukleoner.
Omdanning av en atomkjerne.