”Mängden uppgrävt uran räcker i 10 000 år”

2021-06-01 06:00  

Det är bara en bråkdel av kärnbränslet som används i dagens kärnkraftverk. Men förhoppningen att generation IV-reaktorer ska återanvända bränslet har hittills kommit på skam. Nu kan Ryssland bli först att lyckas.

I dagens kärnkraftverk brukar bränslet användas i fem år i reaktorn innan det tas ut. Då behöver nytt bränsle tillföras.

Men det använda bränslet innehåller fortfarande klyvbart material. Det är bara ungefär fem procent av det uran som stoppas in i reaktorn går åt under driften. Resten blir avfall.

– Det är resursslöseri. Ett sådant resursslöseri skulle aldrig accepteras i någon annan bransch, säger Christian Ekberg, professor i kärnkemi på Chalmers.

Dagens kärnkraftverk gör energi främst av uran-235. Resten av bränslet består av uran-238, som till stor del sönderfaller till plutonium.

I fjärde generationens kärnkraft är tanken att plutonium och andra delar av avfallet ska kunna återvinnas för att göra nytt kärnbränsle. Då kan upp till 99 procent av energivärdet i naturligt uran utvinnas. Samtidigt skulle halveringstiden på det slutliga avfallet, som måste slutförvaras, minskas från 100 000 till cirka 1 000 år.

Bygget av anläggningen i Seversk pågår. Foto: Rosatom

Hittills har det dock inte blivit mycket av de förhoppningar om bränsleåtervinning som har knutits till generation IV. Den återvinning som har gjorts i världens reaktorer har i stället handlat om upparbetning av det använda bränslet till så kallat mox-bränsle, som går att köras i reaktorn en gång till. Upparbetning till mox-bränsle görs i en del länder, men inte i Sverige.

”Världens första riktiga generation IV-reaktor”

Någon fullständig återvinning av det klyvbara materialet i använt kärnbränsle har ännu inte gjorts. Men nu ska reaktorn Brest 300 byggas i Ryssland, med ambitionen att ”sluta kärnbränslecykeln”. Bolaget Siberian Chemical Combine, som ingår i Rosatom-koncernen, fick i februari i år byggtillstånd för reaktorn i atomkraftstaden Seversk i södra Ryssland.

– Det är världens första riktiga generation IV-reaktor. Det är nu det händer. Brest kommer att vara den som visar att det funkar eller inte funkar. Det är verkligen brytpunkten, säger Janne Wallenius, professor i reaktorfysik på KTH.

Brest 300, med en elektrisk effekt om 300 MW, blir också världens första kommersiella blykylda snabbreaktor. Den ska laddas med uranplutoniumnitrid.

När bränslet har använts ska det upparbetas i en anläggning intill och kan sedan köras igen i reaktorn. På så sätt blir anläggningen självförsörjande på klyvbart bränsle.

– Brest kommer inte att köra på andra reaktorers använda bränsle, men återvinna sitt eget använda bränsle. Det är det som är rimligt att göra i dag, säger Janne Wallenius.

Anläggningen i Seversk ska bli den första som återvinner allt klyvbart material i bränslet. Foto: Rosatom

Upparbetningsanläggningen i Seversk håller nu på att byggas och redan finns planer på en större framtida reaktor, om 1 200 MW.

Brest 300 blir en så kallad bridreaktor och ska kunna skapa lika mycket klyvbart material som den förbränner. Det beror på att uran-238 omvandlas till plutonium, som i sin tur kan klyvas, när den absorberar en neutron.

Samma process sker även i de svenska kärnreaktorerna, men i snabba bridreaktorer är neutronerna mycket snabbare och därför bildas betydligt mer plutonium i dessa.

”En faktor 100 bättre utnyttjande av naturresurserna”

Bränslet som har körts en gång i Brest 300 kommer att innehålla tio gånger mer klyvbart material än bränsle som har gått igenom en svensk lättvattenreaktor.

– Då blir det med en gång tio gånger billigare att återvinna bränslet, säger Janne Wallenius.

Det kan låta som om anläggningen i Seversk blir en evighetsmaskin. Men det är den så klart inte. Vid varje cykel måste nytt uran-238 tillsättas.

– Men uranet räcker 140 gånger längre. Den mängd uppgrävt uran som redan finns i världen skulle räcka som material för att tillverka bränsle till 400 bridreaktorer med en effekt på 1 GW vardera i 10 000 år. Då skulle man kunna upphöra med uranbrytning, säger Janne Wallenius.

Projektet i Seversk kallas för Proryv, vilket betyder genombrott på ryska. Foto: Rosatom

I varje bränslecykel måste också fissionsprodukter separeras bort som avfall från det använda bränslet innan det kan gå tillbaka in i reaktorn. Vid anläggningen i Seversk ska både pyrokemiska och hydrometallurgiska processer användas.

– Om man lyckas med det man har tänkt sig får man nog säga att det är ett genombrott. Även om man pyntar i lite uran-238 får man en faktor 100 bättre utnyttjande av naturresurserna. Det är lite strålande, säger Ane Håkansson, professor i tillämpad kärnfysik.

Ane Håkansson. Foto: Uppsala universitet

Många förhoppningar som knyts till kärnkraftens generation IV handlar om att det använda bränslet från dagens reaktorer ska kunna användas på nytt, och på så sätt minska behovet av slutförvaring. Men än så länge är slutförvaring den billigaste lösningen för dagens reaktorer, menar Janne Wallenius.

– Det beror på att använt bränsle från lättvattenreaktorer inte innehåller så mycket klyvbart material. Man behöver 10 kg använt bränsle från en lättvattenreaktor för att göra 1 kg generation IV-bränsle, säger han.

Illstration av anläggningen i Seversk, sedd från sidan. Foto: TVEL

Klart är att ryska Rosatom har stora ambitioner med satsningen. ”Den nya konkurrenskraftiga produkten borde säkerställa att rysk teknik tar ledningen i kärnkraftsvärlden,” skriver bolaget på sin hemsida.

Janne Wallenius bedömer att ryssarna har goda chanser att lyckas med sin föresats att ”sluta bränslecykeln” och få Brest 300 att fungera som den ska – även om han inte tror att den blir klar enligt tidplanen 2026.

Och han tycker inte att någon behöver oroa sig för säkerheten.

– Nej i Ryssland har man lärt sig läxan från Tjernobyl. Man har mycket strängare säkerhetsregler än i många andra länder. Det här är också ett så pass viktigt projekt för dem, jag tror inte att de tar några risker, säger han.

”Ganska stor risk att processen innehåller steg som skurkar skulle kunna utnyttja”

Själva konstruktionen med blykylning, som Janne Wallenius själv utvecklar i ett liknande reaktorkoncept i det avknoppade bolaget Blykalla, ska också förhindra stora utsläpp av radioaktivitet i händelse av en olycka. Då ska det flytande blyet lägga sig över härden och kapsla in de radioaktiva elementen.

Uranmalm från en gruva i New Mexico, USA. Foto: Science Photo Library/TT

Med begreppet fjärde generationens kärnkraft menas vanligtvis ett helt system av reaktorer och bränsleåtervinningsanläggningar. Men de satsningar som har gjorts hittills i världen har fokuserat alldeles för mycket på reaktorn, medan återvinningen av bränslet har glömts bort, menar Chalmersprofessorn Christian Ekberg. Han tycker att den heta nyheten i Seversk är att ryssarna tror sig kunna koppla på en fungerande återvinningsanläggning.

– Den stora frågan är om vi kan bygga återvinningsanläggningar för bränsletillverkning som är bra. Där gäller det att få till ett miljömässigt, strålsäkert och spridningssäkert sätt att separera ut de klyvbara ämnena. Det finns en ganska stor risk att processen innehåller steg som skurkar skulle kunna utnyttja för att plocka ut material för kärnvapen, säger han.

”Fortfarande billigare att köpa nytt uran”

Plutonium som bildas i en reaktor kan användas i kärnvapen. Just i Seversk tror dock inte Janne Wallenius att det kommer att ske.

– Ryssland har andra, dedikerade reaktorer som används för produktion av material för kärnvapen. I fallet Ryssland är därmed Brest inget ytterligare skäl till oro, säger han.

Janne Wallenius. Foto: Jörgen Appelgren

Inte heller Totalförsvarets forskningsinstitut, FOI, ser någon större risk.

– Ryssland har inte några svårigheter med tillgång till fissilt material till kärnvapen. Vi ser inte att de skulle behöva en ny reaktor för den sakens skull, säger Stefan Appelgren, enhetschef på FOI.

Återvinning av kärnbränsle är något som även forskare på Chalmers har ägnat sig åt. Där har en process utvecklats som innebär att plutonium och andra klyvbara ämnen utvinns ur det använda bränslet i ett och samma steg. Metoden har testats i labb men ännu inte i större skala.

Christian Ekberg tycker att det är positivt att Ryssland nu satsar på ett komplett generation IV-system, med både reaktor och återvinningsanläggning. Men han är inte så säker på att fler länder kommer att följa efter.

– Jag hoppas naturligtvis, men jag undrar… För det kommer att bli dyrare. Det är fortfarande billigare att köpa nytt uran, säger han.

Brest 300

Plats: Seversk, Ryssland.

Termisk effekt: 700 MW.

Elektrisk effekt: 300 MW.

Bränsle: Uranplutoniumnitrid.

Bränslets livstid: Fem år.

Bränsletillförsel: Med ettårsintervall.

Verkningsgrad: 43 procent.

Bridningsfaktor: Cirka 1.

Livstid: 60 år.

Uran

Den enda atomen som är lätt klyvbar och förekommer i naturen är uran-235. I naturligt uran finns 0,71 procent uran-235. Resten består mestadels av uran-238.

När en neutron absorberas i uran-238 bildas uran-239 som är instabil och omvandlas till neptunium-239 som i sin tur övergår till plutonium-239.

Den energi som genereras vid fullständig fission av 1 kg uran är likvärdig med den som erhålls vid förbränning av 2,7 miljoner kg kol. I dagens lättvattenreaktorer utnyttjas dock bara en bråkdel av uranet, så att 1 kg naturligt uran i praktiken motsvarar ungefär 16 000 kg kol.

Linda Nohrstedt

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