FRAMTIDAS ENERGI? Kraftverket Belojarsk, sør i Uralfjellene, har en nyskapende kjernereaktor som løser mange av problemene tradisjonelt forbundet med kjernekraft. Foto: Wikimedia Commons
FRAMTIDAS ENERGI? Kraftverket Belojarsk, sør i Uralfjellene, har en nyskapende kjernereaktor som løser mange av problemene tradisjonelt forbundet med kjernekraft. Foto: Wikimedia CommonsVis mer

Nyskapende reaktor kan være framtida til atomkraft

Løser mange av problemene.

Hei, denne artikkelen er over ett år gammel og kan innholde utdatert informasjon

Artikkelen er skrevet av Bjørn H. Samset, partikkelfysiker og klimaforsker ved Cicero Senter for klimaforskning, og opprinnelig publisert på den populærvitenskapelige bloggen kollokvium.no.

(Kollokvium.no): 27. juni startet et nytt, stort kjernekraftverk i Russland.

Belojarsk 4 er en «rask, natriumkjølt avlsreaktor» — et design som er grunnleggende annerledes enn de fleste av dagens rundt 400 aktive reaktorer. Slike reaktorer kan løse mange av problemene med tradisjonell kjernekraft, men kommer samtidig med sitt eget sett med utfordringer.

Mens vesten stort sett har lagt denne reaktortypen på is, eksperimenteres den aktivt med i India, Kina, Japan — og Russland. Står vi foran fremveksten av en ny type kjernekraft?

Kraftverket Belojarsk ligger sentralt i Russland, lengst sør i Uralfjellene, et stykke nord for grensen til Kazakhstan. Det har produsert kjernekraft til strømnettet siden 1960-tallet, og siden 1980 har det drevet verdens største kjernereaktor basert på raske nøytroner.

27. juni 2014 rapporterte russiske medier (via rt.com): «Kontrollerte fisjonsreaksjoner har startet i Russlands nyeste raske avlsreaktor i Uralfjellene. Oppstarten varsler en fremtid uten avfall fra kjernekraft, og med en lukket brenselssyklus.

Russland er det eneste landet som i dag opererer kjernereaktorer basert på raske nøytroner industrielt. Avlsreaktoren BN-800 (en neste-genrasjons raktor på 880 megawatt) er bygget ved Russlands kraftstasjon i Balayorskaya, og ble satt i såkalt kritisk modus sist fredag - en uke etter at den ble fylt med nødvendig brensel.

Artikkelen fortsetter under annonsen

Pressetjenesten til Rosenergoatom, avdelingen som jobber med elektrisk kraft ved Russlands kjernekraftmonopol Rosatom, har bekreftet til nyhetsbyrået RIA at kjernefysiske reaksjoner er i gang i BN-800-reaktoren.

"Fra og med det øyeblikket var reaktoren "i live"", sa RIA, og siterte en kilde i Rosenergoatom.».

Det høres lovende ut — men hva ligger bak denne jublende teksten?
Verdens mest fancy dampmaskiner Kjernekraft er et kontroversielt tema, men bak all diskusjonen er imidlertid prinsippene ganske enkle. Et kjernekraftverk er en dampmaskin, der kokende vann driver en turbin som i tur genererer elektrisk kraft. Det er kilden til varmen som koker vannet som er det spesielle.

Når tunge atomkjerner deles i to (fisjonerer), veier delene til sammen litt mindre enn den opprinnelige kjernen. Forskjellen i masse har blitt til energi, ut fra den ikke ukjente formelen E=mc2. Denne energien er det som utnyttes til å koke vannet i kjernekraftverk. Én fisjonering skaper imidlertid veldig lite energi.

For å få fart i sakene trenger vi mange, mange fisjoner. Prinsippet bak tradisjonell kjernekraft er at det finnes noen få typer atomkjerner der det er mulig å få til en kjedereaksjon av fisjoner.

En kjerne fisjonerer, og blir til to mindre atomkjerner. De spesielle, såkalte fissile kjernene — en type plutonium (Pu-239) og to typer uran (U-233 og U-235) — er imidlertid slik at de også sender ut et par nøytroner når de fisjonerer.

Disse nøytronene kan, hvis de behandles riktig, få nye kjerner til å fisjonere, også videre. Å «behandles riktig» betyr her først og fremst at de må bremses ned. Kjernekraftverk trenger derfor en moderator — et stoff som bremser nøytronene slik at de får passe energi til å starte flere fisjoner.

Moderatoren i de fleste aktive kraftverk i dag er vann, det samme vannet som brukes til å frakte energien videre ut i dampmaskinen i form av varme.

Ved helt riktige forhold går regnskapet av fisjoner og nøytroner i balanse, og vi får en jevn serie av fisjoner. Hver av dem produserer varme, og vi har den nødvendige varmekilden i dampmaskinen.

Tilleggsopplysning: Samme type fysikk benyttes i kjernevåpen, men for at reaksjonen skal skje eksplosivt og ukontrollert må brenslet bestå av nesten bare av kjernene nevnt over. I reaktorer er konsentrasjonen av slike kjerner mye, mye lavere. Et kjernekraftverk er dermed til et kjernevåpen som en kruttlapp er til en AG3 — samme prinsipp, men på ingen annen måte sammenlignbart.

Et kjernekraftverk kan ikke eksplodere som et kjernevåpen.

Fast breeder reactors «Fast breeder reactors», eller raske avlsreaktorer på godt norsk, bryter noen av prinsippene over. Resultatet blir reaktorer som er vanskeligere å få til å gå i balanse, men som — når man først klarer det — har enorme fordeler over tradisjonell, moderert kjernekraft.

FULL KONTROLL: Et av kontrollrommene i Beloyarsk-kraftverket. Foto: Pavel Lysizin / Wikimedia Commons
FULL KONTROLL: Et av kontrollrommene i Beloyarsk-kraftverket. Foto: Pavel Lysizin / Wikimedia Commons Vis mer

Den første og største forskjellen er at nøytronene i en rask reaktor — som navnet antyder — ikke bremses ned. Det er mulig å få til en kjedereaksjon med raske nøytroner også, så lenge man har mange, mange fler av dem.

Vanskeligere, men ikke verre enn at industrien helt fint får det til. Den andre forskjellen er hvordan energien transporteres vekk fra brenselet. Vann kan ikke brukes, siden det er en moderator. Raske reaktorer kan også lett gi ujevn varmeeffekt i brenselet, så det trengs en energibærer som kan ta imot og fordele store mengder varme, raskt.

En løsning er å bruke flytende metall. I Russlands nye BN-800-reaktor brukes et bad av flytende natrium. Samme stoff benyttes i brorparten av raske reaktorer, både aktive og stengte. Natrium er i utgangspunktet perfekt til jobben, men skaper noen ekstra sikkerhetsproblemer. Vi skal komme tilbake til disse.

En tredje forskjell på raske og modererte reaktorer — den som gjør at folk i det hele tatt er interessert i dem — er hvilke kjerner som kan brukes som brensel. En liten startmengde av nøytroner må skaffes fra en av de tre vanlige typene fissile kjerner, men deretter kan raske nøytroner spalte — og hente energi ut fra — så godt som alle tunge atomkjerner.

Dette inkluderer de mest ubehagelige delene av avfallet etter vanlig kjernekraft, dekommisjonerte kjernevåpen, og vanlig uran som finnes i stort monn rundt om i verden. For alle praktiske formål har vi uendelig med brensel til raske reaktorer — så sant vi har nok fissile kjerner til å få satt dem i gang.

Til slutt kommer det virkelig artige, som gir opphav til navnet «avlsreaktor» (breeder reactor). Noen av kjernene som treffes av nøytroner spaltes ikke, men blir til andre kjerner, deriblant de nyttige uran- og plutoniumkjernene.

En riktig innstilt rask reaktor kan selv skape — eller altså avle — sitt eget startbrensel. Der tradisjonell kjernekraft krever jevn tilførsel av fissile kjerner, så lager avlsreaktorene selv nok under veis til at de bare vil trenge å fylles med andre, mer vanlige typer tunge kjerner.
   Fordeler og ulemper All kjernekraft har fordeler og ulemper. Tradisjonell kjernekraft — som drives i dag verden over — er en kraftform uten utslipp av fossile brensler fra selve driften.

Kraftverkene er stabile og forutsigbare, kan kjøres med høy effekt og gi elektrisitet til store områder, og benytter kjent og sikker teknologi. Samtidig har den store utfordringer. Blant de viktigste er potensialet for utslipp av radioaktivt materiale til omgivelsene, behovet for lagring av avfallet i tusenvis av år, og at en reaktor i normal drift samtidig lager materiale som potensielt kan hentes ut og brukes i kjernevåpen.

Om kjernekraft sees som en løsning for fremtiden, avhenger av hvordan man vekter disse fordelene og ulempene — og hvor store problemer man ser med alternativene. Reaktorer som bruker raske nøytroner har mange av de samme fordelene som den tradisjonelle kjernekraften, og i tillegg løser de noen av de viktigste problemene.

Avfallsproblematikken blir mindre. Det er to typer kjernekraftavfall — de små kjernene som de store blir til når de spaltes, og de tunge kjernene som dukker opp når for eksempel uran treffes av nøytroner men ikke spaltes. De førstnevnte er svært radioaktive, men lever til gjengjeld kort. Etter noen tiår er de ufarlige.

Lagringen i flere tusen år som kreves for dagens avfall kommer stort sett fra de tunge kjernene. I en rask avlsreaktor er ikke dette avfall, men brensel. Kjernene vil aldri trenge å hentes ut, men kan ligge der til alle er brent. Dette øker samtidig effektiviteten fra å kunne brenne f.eks. ca. 10 prosent av det uranet vi graver opp av bakken, til nærmere 100 prosent — en enorm forbedring.

Raske reaktorer vil fortsatt ha avfall, men problemet blir langt mer håndterbart. Våpenmateriale produseres i raske reaktorer også, men — igjen fordi de tunge kjernene ikke avfall men brensel — hentes aldri ut, og kan dermed ikke så lett prosesseres og falle i gale hender.

En sterk forbedring over dagens teknologi, om enn ikke noen fullstendig løsning. Potensialet for utslipp til omgivelsene vil fortsatt være der, men på en annen måte. Dagens reaktorer jobber med vann under trykk, som dermed lett kan unnslippe ved lekkasjer.

Det smeltede metallet i de raske reaktorene har vanlig trykk, og størkner dessuten hvis det renner ut. Dermed gjøres også disse problemene mindre, selv om de på ingen måte blir borte.

Samtidig kommer imidlertid nye utfordringer.

Å bruke flytende natrium er for eksempel ikke uten problemer. Natrium begynner å brenne når det kommer i kontakt med luft, og reagerer eksplosivt med vann. Den indre delen av en natriumkjølt reaktor må derfor holdes helt tørr og innelukket.

Hittil har dette gått bra, bortsett fra en lekkasje i Japan i 1995. Dette uhellet førte ikke til noen utslipp til omgivelsene eller skader på annet enn selve kraftverket, men viser at problemet må tas på alvor.

En annen utfordring er at raske reaktorer er mer utfordrende å styre — som innebærer at de trenger flere teknikere og dyrere utstyr. Dette gir seg igjen utslag i at selve kraftverkene er dyrere, både å bygge og drive. I dag har vesten — spesielt USA, Frankrike, Tyskland og Storbritannia, som alle har hatt raske reaktorer — stort sett sluttet å teste denne typen teknologi.

FISJON: Tunge atomkjerner spaltes, og blir til mindre kjerner, nøytroner — og varme. Grafikk: Fastfission / Wikimedia Commons
FISJON: Tunge atomkjerner spaltes, og blir til mindre kjerner, nøytroner — og varme. Grafikk: Fastfission / Wikimedia Commons Vis mer

Grunnen er i all hovedsak at det ble dyrt, helt uavhengig av eventuelle forbedringer reaktorene måtte ha over den gamle kjernekraften.

Belojarsk 4 og BN-800 Den nye, fjerde reaktoren ved Belojarsk-kraftverket i Russland kalles BN-800, hvor 800 antyder omtrent hvilken effekt i megawatt de forventer når den er fullt operasjonell. Den følger etter reaktoren BN-600, også en rask, natriumkjølt reaktor, som de har drevet siden 1980.

Planene eksisterer alt for bygging av enda to, enda større, reaktorer ved samme kraftverk. BN-800 har en brenselskjerne av plutonium og andre tunge kjerner. Fissilt materiale og brensel er hentet fra avlagte, Russiske kjernevåpen. (Eller, det er i hvert fall et av salgsargumentene. Om det faktisk er tilfelle ved oppstart er uklart.)

Ved operasjon vil den, som beskrevet over, videre produsere sitt eget fissile materiale. Brenslet ligger nedsenket i et digert bad av flytende natrium. Kjernereaksjonene varmer opp hele badet. Gjennom badet går også et lukket rør med mer natrium, som pumpes i en løkke ut av badet. Der møter det en ny løkke med vann.

På denne måten overføres varme helt fra kjernereaksjonene og til en ytre krets av vann, som kan koke, bli til damp, og skape kraft i en turbin. Rundt det hele ligger en lang serie sikkerhetstiltak, i form av betongvegger rundt hele natriumbadet med brensel og mye mer.

Kraftverket er i prinsippet godt sikret, selv om det skulle oppstå brann på grunn av lekkasje av natrium. En nedsmelting i brenselsstavene, som eventuelt ville skje på grunn av ukontrollerte reaksjoner som skaper mer varme enn maskineriet tåler, vil i verste fall gi samme typen situasjon.

Normalt vil bare brenselet og maskineriet rundt dem smelte, og havne på bunnen av natriumbadet. Ingen typer kjernekraft er perfekt, men blant alternativene som eksisterer er den flunkende nye BN-800 absolutt av de bedre.

Løsning for fremtiden? «A future without nuclear waste» skrev RT 27. juni 2014, da BN-800 ble startet opp for første gang. Dette er kanskje å ta litt i, men det er ingen tvil om at en utbygging av kjernekraftverk basert på raske nøytroner vil kunne hjelpe på dagens lagringsproblem.

BN-800 er ingen teknisk revolusjon, men den går enda et steg videre i å vise at raske reaktorer er en moden teknologi som kan levere trygg strøm til konkurransedyktige priser. Per i dag testes og utvikles teknologi tilsvarende BN-800 i ihvertfall India, Kina, Japan og Russland.

Vesten, derimot, har signalisert at den i øyeblikket ikke har interesse for denne typen reaktorer. Hva som skjer fremover innen kjernekraft vil avhenge av mange faktorer, ikke minst av driftsresultatet til alle typer eksisterende kraftverk.

Selv om den offentlige diskusjonen rundt kjernekraft gjerne handler om sikkerhet, utslipp, lagring og mulig uønsket våpenspredning, er det i bunn og grunn pengene som rår også her.

Raske reaktorer, som på mange måter er bedre enn tradisjonell kjernekraft, har vært tilgjengelige i flere tiår. De har ikke blitt tatt i bruk, primært fordi de er dyrere enn å fortsette å reparere og bruke kraftverkene som alt er i drift.

Kjernekraft er en del av verdens energimix i dag, og vil i følge de aller fleste anslag fortsette å være det i lang tid fremover. Politiske tiltak som en eventuell karbonskatt, som vil påvirke prisen på andre typer kraft, vil ha mye å si for hvorvidt kjernekraft dør ut med den nåværende generasjon kraftverk, eller om det blir lønnsomt med fremvekst av en ny teknologi.

Bunnlinjen er denne: Skal vi ha kjernekraft, er vi tjent med å gjøre den best mulig. Med den forutsetningen er det flott at russerne nå har fått på beina et nytt kraftverk basert på raske nøytroner. Enten det gjelder avfall, sikkerhet eller mulig våpenspredning: De nye kraftverkene er milevidt bedre enn de gamle.

Kontrollerte fisjonsreaksjoner har startet i Russlands nyeste raske avlsreaktor i Uralfjellene. Oppstarten varsler en fremtid uten avfall fra kjernekraft, og med en lukket brenselssyklus. Russland er det eneste landet som i dag opererer kjernereaktorer basert på raske nøytroner industrielt. Avlsreaktoren BN-800 (en neste-genrasjons raktor på 880 megawatt), bygget ved Russlands kraftstasjon i Balayorskaya, ble satt i såkalt kritisk modus sist fredag, en uke etter at den ble fylt med nødvendig brensel. Pressetjenesten til Rosenergoatom, avdelingen av Russlands kjernekraftmonopol Rosatom som jobber med elektrisk kraft, har bekreftet til nyhetsbyrået RIA at kjernefysiske reaksjoner er i gang i BN-800-reaktoren. "Fra og med det øyeblikket var reaktoren "i live"", sa RIA, og siterte en kilde i Rosenergoatom.

REAKTORER: To typer raske, natriumkjølte avlsreaktorer. BN-800 er av typen til venstre, der hele reaktorkjernen er nedsenket i et bad av flytende natrium. Se bildet i større oppløsning her. Foto: Diego pmc / Wikimedia Commons
REAKTORER: To typer raske, natriumkjølte avlsreaktorer. BN-800 er av typen til venstre, der hele reaktorkjernen er nedsenket i et bad av flytende natrium. Se bildet i større oppløsning her. Foto: Diego pmc / Wikimedia Commons Vis mer