Experten om alternativa kärnbränslet: ”Först verkar det helt fantastiskt”

2021-09-16 06:00  

Torium är likt uran ett ämne som går att använda som kärnbränsle. Kina startar en prototypreaktor för att utvinna energi från grundämnet. Men hur stor skillnad är det egentligen mellan de två olika bränsleformerna?

– I princip kan man använda torium i alla typer av kärnreaktorer. Sen om det är en bra idé eller inte är en annan fråga, säger Klara Insulander Björk, forskare vid Göteborgs universitet. 

I Kina ska en toriumreaktor tas i bruk nu i september vilket Ny Teknik tidigare har skrivit om.

Den tyska reaktorn THTR-300 som var aktiv en kort period under 80-talet är ett exempel på en tidigare toriumreaktor. Torium användes även vid smältsaltreaktorn vid Oak Ridge National Laboratory i USA. Där framställde man uran-233 från torium som sedan kunde köras i reaktorn tills experimentet lades ner 1969.

Thor Energys mål: torium för lättvattensreaktorer

Klara Insulander Björk är en av få forskare i Sverige som har fokuserat på torium. Hon har tidigare forskat på toriumbaserat kärnbränsle i samarbete med det norska bolaget Thor Energy. De hade som mål att ta fram ett bränsle för reaktorer som dem vi har i Sverige. 

– Jag jobbade med toriumbränsle för lättvattenreaktorer. Hade vi fått full finansiering och möjlighet att köra hade vi haft bränsle i en reaktor i dag, det var dock inte ekonomiskt gynnsamt och fördelarna var för små, säger Klara Insulander Björk.

”Thoriumdioxid, som är den kemiska form som används i bränslet, har väldigt goda materialegenskaper och vissa fördelar i en sluten bränslecykel”, säger Klara Insulander Björk, forskare på stiftelsen Chalmers Industriteknik. Foto: Torbjörn Tandberg

I Norge verkade dock inställningen vara att torium var framtiden.

– Det finns en känsla av att torium är någonting annat än uran. När jag började jobba i Norge fanns det många norrmän som sa att ”kärnkraft ska vi inte ha, men toriumkraft ska vi ha”. Men det är som att säga att vertikala vindkraftverk ska vi inte ha, men de horisontella ska vi ha, säger Klara Insulander Björk. 

Torium är inte fissilt

Torium är inte fissilt i sig. Grundämnet behöver bearbetas innan man kan klyva det och utvinna energi.

– Allt torium är fertilt, vilket innebär att det måste träffas av en neutron innan det blir fissilt. Det kräver att man startar upp toriumprocessen i en annan reaktor där toriumet kan bestrålas, eller att man tillsätter ett annat fissilt ämne i reaktorn så att toriumet efter hand omvandlas till uran-233 som kan fissionera. Det blir då en något mer komplicerad process än med naturligt uran, säger Klara Insulander Björk.

Läs mer: ”Mängden uppgrävt uran räcker i 10 000 år”

Det torium som bryts består i stort sett uteslutande av isotopen torium-232, vilket är det som används i kärnreaktorer. Torium-232 träffas av neutroner och efter några steg bildas uran-233 som sedan fissioneras. Även största delen av det uran som bryts är fertilt, enbart 0,7 procent utgörs av isotopen uran-235 som är fissil och behövs för att starta fissionsprocessen. 

– Resten är uran-238 som är fertilt. Uran-238 kan användas på samma sätt som torium-232. Om det träffas av en neutron, så bildas någonting fissilt som sen kan användas för att utvinna energi, säger Klara Insulander Björk. 

Kontroversiellt kärnavfall

Ett argument för torium är att kärnavfallet från reaktorerna inte är detsamma som från urandrivna reaktorer. I kärnkraftverk som drivs med uran bildas plutonium-239, något som inte bildas i toriumreaktorer. Plutonium är bland annat problematiskt då det kan användas i kärnvapen.

Vidare så kan man även använda sig av plutonium i en toriumreaktor för att starta fissionsprocessen. Genom att tillsätta plutonium i en toriumreaktor kan man alltså både förbränna och utvinna energi från kärnavfallet. Men detta är inte unikt för torium, även uran kan användas för att förbränna långlivat kärnavfall.

– Man kan göra det med torium men också med uran-238. Skillnaden är att blandar man med torium bildas inget nytt plutonium, som rent politiskt verkar vara känsligt. Men det bildas en massa andra långlivade radioisotoper, säger Klara Insulander Björk.

Torium har atomnummer 90 i det periodiska systemet. Foto: Science Photo Library

Innan det brutna uranet används som kärnbränsle måste det anrikas för att höja halten uran-235 från 0,7 procent till mellan 3–5 procent. Detta görs genom att separera isotoperna uran-235 och uran-238 och plocka bort en del av den tyngre isotopen.

Läs mer: Saltreaktorn ska återanvända kärnbränsle – är över första tröskeln

På grund av detta finns det redan mycket uran-238 tillgängligt som kan användas i stället för torium för att förbränna kärnavfall. Vissa länder använder redan uran för att förbränna plutonium i ett försöka att sluta bränslecykeln. 

– I Frankrike så separerar man ut just plutonium och återanvänder det. Det sparar man en del uran på. Men det blir fortfarande en del långlivat avfall. Men det pågår många projekt runt om i världen där man försöker sluta bränslecykeln och återanvända allt av det långlivade radioaktiva avfallet, säger Klara Insulander Björk. 

Komplicerad teknik för att återanvända kärnavfallet

All kärnkraft har restprodukter, och att återvinna kärnavfallet är inget enkelt uppdrag. Att återanvända restprodukter av torium kan dessutom vara svårare än restprodukter av uran.

– Det är precis samma sak med toriumcykeln som med urancykeln: för att verkligen bara få kortlivat avfall så måste man separera ut fissionsprodukterna. Och det är en process som är lite mer komplicerad med torium, säger Klara Insulander Björk.

Den andre omgången med toriumbränslestavar laddades i Ife:s forskningsreaktor i Halden 2015. Foto: Thor Energy

Anledningen är bland annat en dotterprodukt till torium som skickar ut högenergetisk gammastrålning, vilket gör det svårare att arbeta med. Vidare finns det också problem med toriums kemiska egenskaper. 

– Toriumdioxid är väldigt svårlösligt, så att återvinna toriumbaserat kärnbränsle av den typen som vi använder i våra reaktorer idag är tufft, säger Klara Insulander Björk.

Läs mer: Målet: Fabriker som serieproducerar svenska mini-reaktorer i tre länder

En potentiell lösning på detta problem finns dock i saltsmältreaktorer, en sorts kärnreaktor där man använder en saltsmälta som kylmedel. 

– Man kan lösa upp toriumet i saltsmältan. När man har toriumet upplöst kan man behandla saltsmältan medan reaktorn kör. Dels kan man separera ut modernukliden till uran-233 så att man kan få alldeles rent uran-233, och dels kan man separera ut fissionsprodukterna som man kan ta och lagra någon annanstans. Har man fått ut dem så är det bara att fortsätta mata in torium, vilket vore helt fantastiskt. Men det är självklart väldigt tekniskt svårt, säger Klara Insulander Björk.

Materialfrågan måste ha lösts 

Torium skulle kunna användas i de flesta olika sorters kärnreaktorer. Den nya reaktorn i Kina är en saltsmältreaktor vilket gör att den inte behöver använda vatten som kylmedium.  

– Det som man oftast hör talas om när man pratar om saltsmältreaktorer är att man löser upp bränslet i saltet. Men den reaktor som byggs i Kina nu ska ha ett solitt bränsle och bara ha saltet som kylmedium, säger Klara Insulander Björk.

Läs mer: Framtidens kärnkraftverk byggs i fabrik

Det har gjorts flera tidigare försök med saltsmältareaktorer med torium där det har uppstått materialproblem på grund av kylmedlet.

– Det är få material som klarar att pumpa runt väldigt varma saltblandningar. Sedan är saltsmältan i sig väldigt korrosiv, och så lägger vi till lite neutronbestrålning som skadar omgivningen ännu mer. Alldeles säkert måste de ha löst materialfrågan för att få det att fungera i Kina, säger Klara Insulander Björk.

Intresset för torium går i vågor

Det återstår att se om torium kommer att slå igenom ordentligt som kärnbränsle. När de första resultaten från den nybyggda reaktorn i Kina kommer kan det möjligen ge en fingervisning. Men Klara Insulander Björk är inte övertygad om att det kommer att användas i större kommersiella reaktorer. 

– Jag är lite trött på torium. Vid en första anblick verkar det helt fantastiskt; det bildas inget långlivat avfall och finns många fyndigheter runt om på jorden. Men när man själv börjar räkna på det och titta på detaljer så visar det sig att det är lite krångligt ändå. Intresset verkar gå i cykler, folk forskar och blir jätteentusiastiska och sen kommer man på att det var lite jobbigt. Efter ett tag kommer en ny generation som inte riktigt gått in i väggen än, och så låter det fantastiskt igen, säger Klara Insulander Björk.

Några användningsområden för torium

Torium upptäcktes i Norge och kategoriserades av svenska kemisten Jöns Jacob Berzelius 1828. Det är döpt efter asaguden Tor. Ämnet har atomnummer 90 och återfinns till största del i isotopen torium-232 i naturen.

Torium kan, utöver att fungera som kärnbränsle, bland annat användas som katalysator i industriella processer.

Toriumdioxid har tidigare använts för att höja brytningsindexet hos glas. Med hjälp av denna metod kan man till exempel göra kameralinser av hög kvalitet.

Bill Burrau

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt