Små blykylda reaktorer – här är deras svagheter och styrkor

2022-04-07 06:00  

Är små och serieproducerade blykylda reaktorer Sveriges framtida kärnkraft? Snart ska en prototyp byggas. Ny Teknik har besökt korrosionslabbet på KTH, där allt tog sin början med ett nytt stål.

I labbet på KTH lyfter korrosionsforskaren Peter Szakálos på locket till en behållare och visar det smälta blyet innanför. Ytan skimrar litegrann som bensinrester i en vattenpöl.

En pytteliten pinne av stål har sänkts ned i det 500 grader varma blyet och sedan långsamt dragits isär. Displayen visar att det krävdes 189 kg.

Syftet med experimentet är att se hur stålet står emot den korrosiva miljön. Peter Szakálos är mycket nöjd med resultatet.

– Alla normala stål har haft problemet att de tenderar att spricka när de är nedsänkta i bly och man lägger på en mekanisk last. Men vi kan demonstrera enligt alla tester att det här nyutvecklade stålet är helt sprickobenäget, säger han.

Ett stål som inte spricker är en fördel om man ska bygga en kärnreaktor där härden kyls av smält bly. Det är exakt den planen som företaget Blykalla har haft i flera år.

Peter Szakálos och Janne Wallenius inspekterar provpinnen av stål i korrosionslabbet. Foto: Nicklas Thegerström

Företaget bildades 2013 efter att en forskare på KTH hade kommit på en stållegering som klarade kontakt med det korrosiva blyet. Sedan dess har ytterligare tre patent utfärdats för nya stålsorter.

– Alla bygger på samma idé, att bilda ett tunt lager aluminiumoxid på ytan, 20–50 nanometer tjockt. Men 20 nanometer är ingenting, det är en fraktion av ett hårstrå. Man kan tänka sig att det blir farligt om man får bara en liten repa, då kan bly komma in till stålet och börja lösa upp det, men det händer faktiskt inte med dessa nya stål, säger Peter Szakálos.

”Måste visa att det går att köra reaktorerna under kontinuerlig drift”

Stålet i pinnen som nyss har dragits isär i labbet består till fyra viktprocent av aluminium. På något sätt verkar det som om den höga aluminiumhalten motverkar sprickbildning. Men exakt hur det går till kan forskarna ännu inte förklara.

Peter Szakálos tror att det beror på att aluminiumatomer i stålet sprider sig till sprickor eller repor och lagar skadan genom att reagera med syre och bilda aluminiumoxid. Stålet blir alltså självläkande.

Smält bly ska fungera som kylmedel i Blykallas reaktor. Foto: Nicklas Thegerström

Blykylda reaktorer är en ny teknik som inte har varit i kommersiell drift i världen ännu. Ryssland har visserligen använt reaktorer kylda av bly och vismut, men bara i militära ubåtar.

– Då har de aldrig körts mer än ett år i full effekt. Ubåtsreaktorer drivs på det viset. Så vi måste visa att det går att köra de här reaktorerna på full effekt under kontinuerlig drift, säger Janne Wallenius, professor i reaktorfysik på KTH och grundare till Blykalla.

Hoppas på svensk fabrik för serietillverkning av reaktorer

Men nu pågår bygget av världens första storskaliga blykylda reaktor i Ryssland, Brest 300, som är planerad att tas i drift 2026.

– Ifall det händer kommer de att visa att det fungerar i kommersiell skala, säger Janne Wallenius.

På grund av de begränsade erfarenheterna av blykylda reaktorer i drift menar en del bedömare att det är bättre att satsa på vattenkylda reaktorer, en teknik som har använts sedan kärnkraftens barndom för ungefär 70 år sedan.

I korrosionslabbet på KTH testar forskarna att dra isär små pinnar av Blykallas egenutvecklade stål. Foto: Nicklas Thegerström

Men Janne Wallenius pekar på att alla nya typer av kärnreaktorer får inkörningsproblem och tar EPR, europeisk tryckvattenreaktor, som exempel. Den modellen används bland annat i finska Olkiluoto 3, ett projekt som försenades mer än ett decennium men som nu har börjat leverera el.

– Den fransktillverkade reaktorn tyckte man var så himla lik tidigare koncept, det var bara en liten förändring, men de hade ju alla möjliga problem, säger han.

Det blykylda reaktorkonceptet som har utvecklats av Blykalla kallas för Sealer. En prototyp ska byggas i Oskarshamn, intill det befintliga kärnkraftverket, och för det har Energimyndigheten beviljat 99 miljoner kronor i stöd. Prototypen ska dock inte laddas med kärnbränsle utan värmas med el för att verifiera att konceptet fungerar som tänkt.

Blykalla hoppas att prototypen sedan ska leda till att en större demonstrationsreaktor byggs 2030 och att en fabrik för tillverkning av Sealer-reaktorer ska uppföras i Sverige (se faktaruta).

Självcirkulerande smält bly

Jämfört med de konventionella kärnkraftverken som drivs i Sverige i dag skiljer sig Sealer åt på flera punkter (se grafik). Den kyls av smält bly i stället för vatten, den har en modulär design och den är betydligt mindre. Blykallas koncept inriktas på en reaktorstorlek om 55 MW elektrisk effekt. Det motsvarar ungefär en tjugondel av Ringhals 3, som har 1 074 MW.

Grafik Jonas Askergren

En annan skillnad är att den har passiva säkerhetsfunktioner, som ska fungera utan handpåläggning. Det smälta blyet drivs runt av pumpar i vanliga fall, men om anläggningen skulle tappa sin externa strömförsörjning ska blyet självcirkulera. Det är möjligt på grund av att densiteten i blyet förändras när temperaturen ändras. Varmt bly stiger uppåt och kallt bly sjunker nedåt.

Samma sak går att åstadkomma med vatten som kylmedium och görs också i nya storskaliga reaktorer, till exempel Westinghouses tryckvattenreaktor AP1000 och GE Hitachis ESBWR.

– Men det är mycket enklare att göra det i en blyreaktor. Framför allt kan man göra det i ett mycket mer kompakt format. För att få självcirkulationen att sätta igång i en vattenkyld reaktor behöver reaktortanken vara 20–25 meter hög, medan det räcker med fem meter i en blykyld reaktor, säger Janne Wallenius.

”Mindre än hälften så dyr att bygga”

Genom att reaktorn blir mer kompakt är också förhoppningen att den ska bli mycket billigare att tillverka och bygga än ett konventionellt, stort kärnkraftverk.

Janne Wallenius räknar med att en konventionell reaktor kostar ungefär 100 miljarder kronor att bygga, medan en Sealer-reaktor kostar två miljarder. Men det krävs ungefär 20 reaktorer av Sealer-modell för att nå samma effekt som ett konventionellt kärnkraftverk. Så överfört till jämförbar effekt blir det alltså 40 miljarder kronor för en Sealer-anläggning och 100 miljarder för en konventionell reaktor.

– Ja, vi räknar med att Sealer blir mindre än hälften så dyr att bygga, säger Janne Wallenius.

Men sedan tillkommer driftkostnader, som blir högre för Sealer än en konventionell reaktor.

– Reaktorn är mycket mindre men vi kan inte skala ner personalbehovet lika mycket. Man måste alltid ha säkerhetsvakter, brandkår och driftpersonal, säger han.

Fakta: Linda Nohrstedt Grafik: Jonas Askergren

Sammantaget siktar Blykalla på en kostnad för elproduktionen om 60 öre per kWh.

– Det kan jämföras med till exempel franska EPR-reaktorer som hamnar på 1 krona per kWh när man bygger dem i dag, säger Janne Wallenius.

Det finns dock exempel från Asien som visar att det är möjligt att bygga även storskaliga reaktorer till en kostnad som ligger mer i nivå med Blykallas ambitioner, runt 50 öre per kWh, enligt en brittisk studie från 2018.

”Får in 40 procent mer uran i staven”

En annan passiv säkerhetsfunktion i Sealer-konceptet är stavarna som snabbt ska kunna stänga av reaktorn. I en konventionell reaktor används snabbstoppstavar av borkarbid som släpps ned i reaktortanken och sjunker i vattnet.

– Men sådana skulle bara flyta på toppen av blyet i Sealer-reaktorn, så vi måste göra speciella snabbstoppstavar som har högre densitet, säger Janne Wallenius.

Planen är att använda volframborid. Precis som i vanliga reaktorer fästs de i reaktorlocket, som ska tillverkas av stål. Förhoppningen är att stavarna ska släppas automatiskt när temperaturen går över 600 grader Celsius.

– Stålet är magnetiskt men förlorar sin magnetism vid 600 grader, så det är en funktion vi skulle kunna använda. Men vi måste prova att det fungerar i praktiken, säger Janne Wallenius.

Till skillnad från vanliga kärnkraftverk, som har urandioxid som bränsle, är planen att Sealer-reaktorn ska drivas av urannitrid.

– I urannitrid har du bara en lätt atom i stället för två lätta atomer i urandioxid, så då får du in 40 procent mer uran i staven. Då kan du göra en bridreaktor i ett mycket mer kompakt format, säger Janne Wallenius.

Därmed räknar Blykalla med att en reaktor kan drivas i 25 år utan att bränslet behöver bytas ut. I konventionella kärnkraftverk byts en fjärdedel av bränslet i härden varje år.

Men eftersom urannitrid inte har använts som kärnbränsle i svenska kärnkraftverk räknar forskarna med att det kan bli besvärligt att få tillstånd för det. Därför är planen att demonstrationsreaktorn i Oskarshamn dras igång med urandioxid men förses successivt med urannitrid.

”Vi skjuter lite på den investeringen”

I konventionella kärnkraftverk fungerar vattnet också som moderator, vilket innebär att neutronerna saktas ned. Sealer är en så kallad snabbreaktor där neutronerna inte ska bromsas. Janne Wallenius tycker att det är en fördel eftersom det därför går att använda bränslet mer effektivt.

Ambitionen är att det ska bli lönsamt att återvinna avfallet från Sealer-reaktorn. Men i så fall kommer det inte att göras förrän tidigast 2060.

Sådan återvinning skulle innebära en kemisk process där man löser upp det använda kärnbränslet i syror och sorterar bort fissionsprodukterna. Sedan kan det återstående bränslet köras ett varv till i reaktorn.

– Det är en besvärlig process och en kostsam anläggning. Så vi skjuter lite på den investeringen, säger Peter Szakálos, som är styrelseledamot i Blykalla.

Vilka är då fördelarna med att använda just bly som kylmedel i en kärnreaktor? Janne Wallenius pekar på flera:

1. Bly reagerar långsamt med vatten och luft

– Vi har ingen risk för kemiska explosioner i det här systemet, säger han.

2. Systemet är inte trycksatt

– Det innebär att om du får en olycka finns det ingen drivkraft för att driva ut radioaktiva ämnen till omgivningen, säger Janne Wallenius.

3. Blyets kokpunkt är 1 740 grader Celsius

– Vi eliminerar risken för att kylmedlet kokar bort, alltså det som hände i alla de tre stora olyckorna Tjernobyl, Three Mile Island och Fukushima, säger Janne Wallenius.

4. Bly expanderar när det blir varmt

– Densiteten i bly minskar mycket mer per temperaturökning än andra kylmedel. Det är fantastiskt bra. Det driver självcirkulationen, säger Janne Wallenius.

5. Bly är ett effektivt strålskydd

– Därför behövs inga tjocka betongväggar i reaktorn, säger Janne Wallenius.

6. Bly binder jod

Blyatomen reagerar gärna med jod och bildar blyjodid, som inte är lättflyktigt.

– Bly är ett väldigt bra kemiskt filter för radioaktivt jod. Om jod skulle släppas ut från bränslestavarna har du ett filter i reaktortanken och behöver inte ha några externa filter, säger Janne Wallenius.

Pär Olsson, som är professor i fysik på KTH och även involverad i prototyp-projektet, pekar på en ytterligare fördel: Reaktorn jobbar i en mycket hög temperatur, vilket gör att den producerar ånga som är mycket varmare än i ett vanligt kärnkraftverk.

– Det gör att man kan tillverka elektrobränslen väldigt effektivt, pyrolysera biomaterial till biokol eller bioolja, eller använda högtemperaturelektrolys för att tillverka vätgas, säger han.

Pär Olsson visar en bränslekuts. Foto: Nicklas Thegerström

Men det finns också flera nackdelar med att ha smält bly i en reaktor. Förutom att det är korrosivt och kan bryta ner metaller finns flera andra:

1. Bly är inte genomskinligt

– Man kan inte se igenom bly och kan inte inspektera bränslestavarna genom att titta på dem. I stället får man sätta ner sonder med ultraljudsdetektorer, vilket är mer komplicerat, säger Janne Wallenius.

2. Bly har hög densitet

Den höga densiteten i bly ger en hög belastning på pumparna som ska driva runt kylmedlet.

– På grund av densiteten är det högre erosion på pumparna, så livslängden på pumparna blir kortare än för andra kylmedel, säger Janne Wallenius.

Målsättningen är att pumparna inte ska behöva bytas ut oftare än en gång per år. Erosionstester ska göras på KTH för att verifiera att det går att klara.

3. Bly har hög smältpunkt

Bly smälter vid 327 grader Celsius, vilket innebär att allt underhållsarbete måste göras i minst 350 grader Celsius.

– Vi behöver göra underhållet med fjärrstyrning och vara försiktiga så att vi inte har kablar som kan börja brinna. Och alla elektriska motorer måste fungera vid de temperaturerna, säger Janne Wallenius.

Om temperaturen blir för låg och blyet stelnar måste det först värmas så att det smälter. Sedan måste alla rör inspekteras så att man kan försäkra sig om att de inte har gått sönder, eftersom bly krymper när det stelnar och kan orsaka skador.

I ett scenario där reaktorn stängs av men kylningen fortgår via vattengenomströmning i ånggeneratorerna skulle blyet kunna stelna på en timme. Det är dock ett scenario som inte ska kunna inträffa vid normal drift.

– Det skulle väl kunna vara en övergiven reaktor i ett krigsområde typ. Men det är snarast en ekonomisk fråga. Om blyet fryser ned förstörs reaktorn men det blir inte farligt för omgivningen, säger Peter Szakálos.

Flera steg återstår dock innan reaktorn kan bli verklighet i Sverige. För att demonstrationsreaktorn ska bli byggd behöver ungefär 1,5 miljarder kronor skakas fram.

Pär Olsson tror att det svåraste i reaktorkonceptet blir att få den ekonomiska kalkylen att gå ihop.

– Håller en pump i ett år är ekonomin helt klart bra och snygg. Men håller den i fyra veckor måste vi ha en annan lösning. Och gränsen för var den ekonomiska kalkylen går ihop är inte utredd än, säger han.

Blykallas tidplan

2024: En elvärmd prototypreaktor om 3,3 MW tas i drift i Oskarshamn.

2030: En demonstrationsreaktor om 80 MW termisk effekt byggs i Oskarshamn och laddas med kärnbränsle.

2032: En fabrik för tillverkning av reaktorer tas i drift i Sverige.

Linda Nohrstedt

Mer om: Kärnkraft SMR

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