20 Nov 2017 Rolf Haugaard

I 2030’erne vil thorium og smeltet salt skabe ekstremt effektive og sikre atomreaktorer, som vil medføre et minimum af radioaktivt affald.

Temperaturen og trykket i reaktortanken stiger. Normalt får det alarmer til at hyle og røde lamper til at blinke i atomkraftværkets kontrolrum, mens operatørerne straks må gribe ind og skrue ned for kædereaktionerne, så reaktortanken ikke sprænges i stumper og stykker. Men nu skriver vi 2030’erne, og operatørerne løfter ikke et øjenbryn.


Den nye smeltet salt-reaktor dæmper selv kernespaltningerne og sænker temperaturen, uden at de behøver at reagere. De går ikke engang i panik, hvis strømmen til værket svigter, som det skete, da jordskælvet og tsunamien ramte det japanske atomkraftværk Fukushima. Det varme salt i reaktortanken smelter en bundprop og glider herefter ned i nogle store lagertanke under jorden. Her spredes saltet med det opløste atombrændsel så meget, at kædereaktionerne i brændslet går i stå.


Smeltet salt-kraftværket kan vise sig at blive et atomart guldæg, som giver sikker og effektiv atomkraft i årtusinder.




Reaktoren fodres med thorium

De nye reaktorer vil være ideelle til at forbrænde thorium og åbne en ny og nærmest uudtømmelig energikilde. Thorium kan ikke selv spaltes, men kan omdannes til spaltelig uran-233 ved neutronbestråling i en reaktor. Smeltet salt-reaktorer vil forbrænde thorium ekstremt effektivt sammenlignet med nutidens atomkraftværker, som kun afbrænder op til 6,5 pct. af uranen.


De nye reaktorer vil kunne udnytte al energien i thorium, og derfor bliver brændselsforbruget meget lavere. Et almindeligt atomkraftværk med en kapacitet på 1000 MW forbruger årligt 35 tons beriget uran, som fremstilles ud fra 250 tons uran udvundet fra miner. En smeltet salt-reaktor med samme elproduktion vil kunne klare sig med et enkelt ton udvundet thorium.


Mængderne af radioaktivt affald bliver tilsvarende mindre. Tilmed vil affaldet fra thorium kun være højradioaktivt i 300 år, mens det brugte brændsel fra nutidens atomkraftværker skal deponeres i 100.000 år.


På globalt plan er forekomsterne af thorium tre-fire gange større end reserverne af uran, og pga. det lave brændselsforbrug kan thorium forsyne kloden med energi i flere årtusinder, mens de kendte reserver af uran kun vil kunne dække et par århundreder.



Thorium tages i brug nu

Thorium findes naturligt i undergrunden og er et svagt radioaktivt, sølvskinnende metal, som kan håndteres uden store sikkerhedsforanstaltninger. Metallet findes på alle kontinenter, og interessen i at udnytte thorium er naturligvis størst i lande, som har store reserver.


Et eksempel er Norge, hvor firmaet Thor Energy sammen med Institut for Energiteknik i Halden udvikler og tester keramiske brændselsstave med thorium, som kan anvendes i nutidens atomkraftværker, uden at de behøver at blive bygget om.



For at opnå det blandes thorium med uran eller plutonium, som leverer de neutroner, der skal sætte gang i omdannelsen af thorium til uran. Når en neutron rammer thorium, absorberes den, hvorved der dannes thorium-233. Thorium-233 henfalder hurtigt til proactinium-233, som derpå henfalder til uran-233. Atomkernen spalter og holder kædereaktionerne kørende.


Indien, som har verdens fjerdestørste reserver af thorium, satser stort på det nye atombrændsel. Siden 1996 har landet haft en forsøgsreaktor kørende på uran-233, som er fremstillet ved at neutronbestråle thorium i en anden reaktor. I år startes en prototypereaktor med en kapacitet på ti MW. Til sammenligning havde Fukushimas reaktorer en kapacitet på 1100 MW.


Thoriumreaktoren skal primært producere strøm ud fra plutonium, men reaktorkernen omgives af en kappe af thorium, som via neutronbestråling omdannes til uran-233, der leverer en mindre del af energiproduktionen.


I 2020’erne forventer Indien at være klar med en 300-MW-reaktor, som skal forbrænde en blanding af thorium, uran og plutonium, og her skal 60 procent af energien komme fra keramiske piller af thoriumdioxid. Planen er, at en tredjedel af Indiens elforbrug skal dækkes af thorium i 2050.


Mens inderne udvikler thoriumkraftværker med fast brændsel, har Kina taget føringen, når det gælder de mere avancerede smeltet salt-reaktorer, der forbrænder flydende atombrændsel opløst i smeltet salt. En kinesisk pilotreaktor med en kapacitet på ti MW skal være klar i 2022. Ved opstarten afbrænder reaktoren spaltelig uran, men reaktortanken omgives af en kappe af thorium, som under driften bestråles med neutroner og omdannes til spaltelig uran-233.


Den nydannede uran tilføres reaktortanken, i takt med at det oprindelige brændsel forbruges. Derfor kan reaktoren efter opstarten drives alene med naturligt thorium, som starter i kappen og ender i reaktortanken. I 2030 planlægger kineserne at bygge en 100-MW-demonstrationsreaktor, som skal bane vej for kommercielle smeltet salt-atomkraftværker baseret på thorium.



Atomkatastrofer er fortid

I et thoriumbaseret smeltet salt-kraftværk består brændslet i reaktortanken af uran-233, som er opløst i smeltet salt bestående af litiumfluorid og berylliumfluorid. Saltblandingen er ekstremt kemisk stabil og tager ikke skade af neutronbestråling. Desuden kan saltet hverken brænde eller eksplodere, og det begynder først at koge ved 1400 grader, hvilket ligger langt over reaktorens arbejdstemperatur på 700 grader.


Hvis saltet bliver for varmt, udvider det sig, så afstanden mellem uranatomerne øges. Det betyder færre kernespaltninger og dermed en nedsat varmeproduktion, så saltet synker sammen igen. På den måde fungerer reaktoren som en termostat, som selv regulerer varmen. Derfor kan reaktoren ikke koge over, som det fx skete på Tjernobyl. Brændslet kan heller ikke nedsmelte på katastrofal vis, fordi det allerede er smeltet under almindelig drift.


Elproduktionen sker som i et almindeligt atomkraftværk. Når saltblandingen med flydende uran-233 er blevet opvarmet ved kernespaltningerne, sendes blandingen gennem et ydre kredsløb, hvor varmen udnyttes til at drive en strømproducerende turbine.



Reaktoren bliver en affaldskværn

Atomaffaldet fra et smeltet salt-anlæg, som kører på thorium, indeholder ingen langlivede radioaktive stoffer. Derfor skal affaldet kun deponeres i 300 år, før radioaktiviteten er klinget af. Til gengæld er brændselsaffaldet så højradioaktivt i begyndelsen, at det skal håndteres med fjernstyrede robotter.


En anden affaldsmæssig fordel ved smeltet salt-reaktorer er, at de kan afbrænde resterende spaltelige stoffer i brugt brændsel fra almindelige atomkraftværker. Nutidens atomkraftværker udnytter kun op til 6,5 pct. af den uran-235, som findes i brændselsstavene. Derefter indeholder stavene ikke længere spaltelig uran nok til at holde kæde­reak­tio­ner­ne kørende stabilt.


Ved at afbrænde atomaffaldet i smeltet salt-reaktorer kan alt det spaltelige materiale udnyttes. En smeltet salt-reaktor, der afbrænder atomaffald, er en enklere konstruktion end et tilsvarende værk, som henter energi ud af thorium. Reaktortanken behøver nemlig ikke en kappe med thorium, som skal neutronbestråles. Her opløser man blot atomaffaldet i det varme salt og hælder det direkte ind i reaktortanken.



Keramik skal modvirke rust

Selvom smeltet salt-reaktorer stadig ligger et stykke ude i fremtiden, er ideen ikke ny. I 1960’erne var en forsøgsreaktor i drift på det amerikanske atomanlæg Oak Ridge. Reaktoren virkede fint, men afslørede teknologiens ømme punkt: Det smeltede salt får metallerne i reaktortanken til at ruste. Den største udfordring bliver derfor at udvikle robuste materialer, som kan holde til glohedt salt og neutronbestråling gennem årtier.


I Oak Ridge var reaktortanken og rørsystemet fremstillet af en nikkellegering, som holdt til belastningen i fire år, men metallet kan næppe klare 30-40 års drift i et atomkraftværk. Derfor sætter forskerne deres lid til rustfri keramik af siliciumkarbid, som kan vise sig at være nøglen til fremtidens simple, sikre og effektive atomkraft.