Hvordan får vi energi fra thorium?

Kjerneenergiindustrien er nå på vei ut av denne ”nukleære middelalder” og en rekke nye og forbedrede reaktorkonsepter er under utvikling og til dels bygging. Samtidig øker tiltroen til sikker bruk av kjerneenergi i de fleste land, også Norge. Dette illustreres ved den omfattende debatten som har vært i Norge siden Egil Lillestøl fra Universitetet i Bergen høsten 2006 foreslo at Norge skulle bygge kjerneenergiverk. Dette energiverket skulle ”brenne” thorium, som Norge har i store mengder, og benytte en såkalt partikkelakselerator for bedre sikkerhet og mindre avfall. Siden har kommersielle interesseorganisasjoner foreslått å bygge andre typer kjerneenergiverk av mer ”vanlig” type, men fremdeles basert på thorium som brennstoff. Fra debattene som har rast rundt disse forslagene er det helt klart at svært få egentlig forstår de grunnleggende prinsippene for de foreslåtte konseptene, samt hva dette har for konsekvenser for drift, sikkerhet og avfallshåndtering. Det er også klart at det er en grunnleggende mangel på forståelse for hvilke behov en eventuell norsk kjerneenergiindustri vil medføre med hensyn til offentlig og industriell infrastruktur for å overvåke, betjene og sikre en slik satsing. Det er opplagt behov for skolering og da er selvfølgelig skolene et viktig sted å starte – naturfaglærerne må forstå utviklingen innenfor bruk av kjerneenergi godt nok til å gi elevene en basisforståelse for problematikken og aktuelle veivalg. Vi kan kanskje hevde at det er for sent – det er nå vi må ta avgjørelsen – men med tanke på verdens eksplosjonsartede behov for energi i de neste 100 årene så vil dette være en debatt som vil pågå i lang tid.

Energi fra atomkjerner og kjedereaksjoner

Helt grunnleggende for hvordan man får energi fra kjerneenergiverk er at energien som er lagret i de tyngste atomkjernene kan frigjøres hvis kjernen spaltes i to deler. Vi kaller dette for fisjon, og vi sier at kjernen fisjonerer. Årsaken til dette er at nøytronene og protonene som atomkjernen er bygget opp av, med en fellesbetegnelse kaller vi dem kjernepartikler eller nukleoner, ikke er bundet sammen like sterkt i alle atomkjerner. I de tyngste kjernenene, som uran og thorium, er nukleonens gjennomsnittelige bindingsenergi litt mindre enn i de mellomtunge kjernene. Spaltes en tung kjerne, dannes to mellomtunge kjerner og i disse fragmentene vil nukleonene bindes sterkere sammen. Resultatet er at forskjellen i bindingsenergi frigjøres som strålings- og bevegelsesenergi, som omdannes til varmeenergi når strålingen absorberes og fragmentene stoppes. Mengden energi som frigjøres per atomkjerne som fisjonerer er betydelig og angis gjerne i energienheten mega-elektronvolt (MeV) – ca 200 MeV frigjøres per fisjon. Til sammenligning frigjøres det typisk bare noen få MeV når en atomkjerne desintegrerer ved beta-desintegrasjon (kjernen omdannes til en ny kjerne med samme vekt, men med et annet nøytron-proton forhold). Sammenligner vi med energien som skal til for å bryte en typisk kjemisk binding i et molekyl, så er denne i størrelsesorden noen få elektronvolt (eV), dvs ca 100 millioner ganger så liten. Det er med andre ord enorme mengder energi som frigjøres når en atomkjerne fisjonerer.

I tillegg til de to fragmentene som dannes når en atomkjerne fisjonerer, så frigjøres det også 2-3 nøytroner. Disse er nøkkelen til å frigi energien lagret i de tyngste atomkjernene: De kan spalte en atomkjerne de støter mot, forutsatt at denne er av korrekt type. Siden det frigjøres mer enn ett nøytron kan vi derfor under gunstige betingelser få en kjedereaksjon som medfører at flere og flere kjerner spaltes per tidsenhet og dermed frigjør mer og mer energi. Det er dette som skjer i en atombombe. I en kjernereaktor foregår dette på en mer kontrollert måte: Vi kontrollerer nøye at nøyaktig like mange kjerner spaltes i hver ”generasjon”. På den måten får vi en konstant energiproduksjon.

For å få denne prosessen til å gå, er nøytronenes bevegelsesenergi (fart) viktig. Nøytronene som frigis har forholdsvis høy bevegelsesenergi og egner seg dårlig til å spalte vanlig kjernebrensel, vanligvis uranisotopen ²³⁵U. Hvis nøytronene derimot bremses ned til meget lave energier vil de effektivt spalte ²³⁵U. Nøytroner med så lav energi kalles gjerne for termiske nøytroner, fordi de har like lav bevegelsesenergi som gassmolekyler ved romtemperatur. Med andre ord er sannsynligheten for spalting av et gitt fissilt materiale en funksjon av nøytronenergien. Nedbremsingen kan gjøres ved å la nøytronene kollidere med lette atomer som de ikke lett vil reagere med, for eksempel hydrogen (i vann), deuterium (i tungtvann) eller karbon. Nedbremsingsmediet kalles gjerne for en moderator. Forskjellige atomkjerner har forskjellig sannsynlighet for å spaltes av nøytroner, og de er avhengig av nøytronets energi på forskjellige måter. For eksempel kan ²³⁸U til en viss grad spaltes av høyenerginøytroner, men ikke av termiske nøytroner. Nøytronspekteret, det vil si fordelingen av bevegelsesenergi på reaktorens nøytroner, er derfor meget viktig for å forutsi hvilke reaksjoner som vil finne sted.

Uran er fisjonerbart, thorium er fertilt

I en tradisjonell kjernereaktor er det fisjon av uranistopen ²³⁵U som gir energi. Imidlertid er det svært lite av denne isotopen i naturlig uran, bare 0,7 %. Resten er stort sett 238U, som ikke lar seg spalte av termiske nøytroner. Derfor er det nødvendig å foreta en meget kostbar og vanskelig oppkonsentrering av ²³⁵U for å få høy nok konsentrasjon til at reaktoren vil gå. Imidlertid kan ²³⁵U brukes til å lage kjernevåpen, slik at man normalt ikke anriker uranet til mer enn maksimum 20 %. I vanlige reaktorer anrikes ikke uranet til mer enn 3 %. Med brennstoff av anriket uran kan kjernereaktoren startes opp og kjøres direkte, uten andre tiltak enn at de drar ut kontrollstavene (som absorberer nøytroner og dermed hindrer dem i å indusere fisjoner). Ønsker vi å benytte thorium som brennstoff er situasjonen en annen. Naturlig thorium består utelukkende av nukliden ²³²Th. Denne lar seg ikke fisjonere. Men den kan omvandles til den fisjonerbare nukliden ²³³U, dette gjøres ved å sette inn et ekstra nøytron i ²³²Th:

Som det fremgår av ligningen får vi da ²³³Th som er meget ustabilt og i løpet mindre enn et par timer vil gjøres om til ²³³Pa. Protactiniumet er litt mer stabilt, men vil likevel gjøres om til ²³³U i løpet av et par måneder. Thorium omtales av denne grunnen ofte som et fertilt materiale – det kan gjøres om til fissilt (spaltbart) ²³³U ved å plassere det et sted hvor det er mange nøytroner. Mange nøytroner finner vi jo nettopp i en kjernereaktor, så dette er i utgangspunktet enkelt.

Skal vi benytte thorium som brensel i en vanlig kjernereaktor, så er det imidlertid nødvendig å ha en hvis mengde ²³⁵U tilstede, eventuelt fissilt plutonium. På grunn av frykten for misbruk til å lage kjernevåpen ønsker vi ikke at sivile thoriumsreaktorer skal bruke plutonium og heller ikke rent ²³⁵U. Vi må derfor basere en thoriumreaktor på en blanding av anriket uran og thorium. I motsetning til hva som er hevdet i den norske debatten så er dette en teknologi som er utprøvet og fungerer med alle vanlige typer kjernereaktorer. Det betyr at det er fullt mulig å brenne thorium i alle slags reaktorer. En grundig og forholdsvis lettlest gjennomgang av dette finnes i en artikkel skrevet av Prof. Mujid S. Kazimi fra MIT. I artikkelen fremgår det blant annet at ved å innføre thorium i vanlige reaktorer kan vi redusere mengden av avfallsprodukter tyngre enn uran med en faktor 4-5, noe som er en betydelig forbedring. Dette er kostnadsbesparende, men det er uvisst om den økte kompeleksiteten i tillaging og håndtering av brenselstaver oppveier den økonomiske gevinsten eller ikke. Uansett er det jo svært attraktivt med en reduksjon av det farligste avfallet!

Transuraner i avfallet er farligst

I konkurranse med fisjon av kjernebrenselet vil vi alltid ha såkalt nøytroninnfangning (slik fertilt ²³²Th ble gjort om til ²³³Th på). Nøytroninnfangning medfører tap av nøytroner som ellers kunne ha spaltet fissile kjerner. Dette reduserer reaktorens evne til å produsere energi. Minst like problematisk er det at mange av produktene fra nøytroninnfangning lager meget problematisk avfall. Som det fremgår av figur 1 så er nøytroninnfangning i ²³⁸U, som utgjør minst 80 % av uranet i en kommersiell reaktor, hovedårsaken til dette problemet: ²³⁸U uran gjøres om til ²³⁹U ved innfangning av et nøytron, ²³⁹U desintegerer til ²³⁹Np i løpet av noen timer og vil innen en uke desintegrere til _²³⁹Pu. ²³⁹Pu har 24.000 års halveringstid og vil hope seg opp. Dette er problematisk fordi det er nettopp denne isotopen av plutonium som
benyttes i kjernevåpen. Videre, som det fremgår av figuren, så vil nøytroninnfangning i ²³⁹Pu medføre at enda tyngre nuklider dannes. Dette fører tilslutt til at betydelige mengder langlivede transuraner (grunnstoff tyngre enn uran) dannes. Disse sender ut alfastråling, som er den farligste formen for radioaktive stråling, og de har meget lange levetider. Enhver reduksjon i mengden transuraner i avfallet er derfor sterkt ønskelig.

I en vanlig kjernereaktor vil det lages omtrent ett gram ²³⁹Pu per dag hvis reaktoreffekten er 1 MW. En typisk reaktor kjøres med en effekt på 3000 MW. Den vil produsere omtrent 3 kg plutonium per dag eller omtrent et tonn per år. Når en brenselstav er utbrent, det vil si at den inneholder for lite fissilt materiale til å kunne brukes videre, vil den inneholde omtrent 1 % plutonium.

Nøytroninnfangning i uran (spesielt 238U) medfører at store mengder transuraner dannes. Transuranene med lange halveringstider (oransje farge) utgjør den farligste delen av brukt kjernebrennstoff. Merk hvordan våpenplutonium, 239Pu, lages i store mengder fra 238U.

Benyttes thorium som brennstoff, vil produksjonen av plutonium være betydelig mindre fordi det ikke er ²³⁸U som lager plutonium. Mengden plutonium som lages fra nøytroninnfangning i ²³²Th er vesentlig mindre (omtrent en tolvhundredel) enn det som lages i et vanlig urandrevet energiverk. En større andel av plutoniumet vil dessuten bestå av ²³⁸Pu, noe som gjør strålingsintensiteten fra det samlede plutoniumet meget høy, så høy at det vil være store problemer å håndtere slikt materiale for å fremstille en bombe. Klarer man likevel å isolere plutoniumet og sette sammen en bombe, vil varmeenergien fra desintegrasjonen av ²³⁸Pu være så høy at bomben sannsynligvis vil gå i stykker lenge før den kan detoneres. Med andre ord er det praktisk umulig å lage en plutoniumsbombe fra brukt thoriumbrensel.

Imidlertid kan ikke thorium benyttes direkte i en kjernereaktor. Selv om brenning av ²³³U fra fertilt ²³²Th gir betydelig mindre transuranavfall og er uegnet til å fremstille bombemateriale, må det blandes med en betydelig mengde direkte fisjonerbart materiale. Ideelt sett kunne dette vært høyanriket ²³⁵U eller ²³⁹Pu, men siden dette kan benyttes direkte til å lage kjernevåpen, er det uheldig fra et sikkerhetsperspektiv. Vi må derfor blande ²³²Th med lavanriket uran. Det produseres tilsvarende store mengder transuranavfall. Som nevnt tidligere vil likevel brenselstaver som består av en blanding av thorium og lavanriket uran gi en avfallsreduksjon på ca 75-80 %. Reaktorene Alf Bjørseths Thor Energy foreslår å bygge utenfor Porsgrunn, er av en slik type.

Skal vi utnytte potensialet som brenning av thorium gir med hensyn til betydelig avfallsreduksjon, må vi skaffe nøytroner fra en annen kilde enn ²³⁸U-holdig uran. Dette er tanken bak det såkalte akseleratordrevne kjerneenergiverket som Egil Lillestøl har foreslått at Norge skal være med å utvikle. Det er viktig å ikke blande sammen disse to thoriumbaserte kjerneenergikonseptene, da det er betydelig forskjeller, både i driftsmåte og utviklingsstadium. Blandinger av thorium og uran i brenselelementene til forskjellige typer kommersielle kjerneenergiverk er relativt omfattende utprøvd og vil kunne utnyttes på kommersiell basis i løpet av forholdsvis kort tid. Akseleratorkonseptet er imidlertid ukjent terreng i langt større grad og vil kreve mange års forskning og utvikling før det kan kommersialiseres. Thor Energy foreslår å bygge kommersielle kjerneenergiverk, mens Egil Lillestøl foreslår å bygge en prototyp av en helt ny kjerne-energiverktype som aldri tidligere har vært bygget i full skala.Forskjellen er betydelig!

I det følgende vil de viktigste forutsetningen og komponentene i et akseleratordrevet kjerneenergiverk forklares. På engelsk betegnes et slikt anlegg ofte som et Accelerator Driven System og forkortes ADS.

Høyenergiprotoner lager nøytroner

En enkel, men effektiv måte å spalte en fissil atomkjerne på, er som beskrevet tidligere å sende inn et nøytron med meget lav bevegelsesenergi. Nøytroner er imidlertid vanskelig å fremskaffe – de kan bare lages i kjernereaksjoner som krever spesiell kompetanse og utstyr. I teorien skulle vi kunne oppnå samme effekt ved å bruke den andre byggeklossen i atomkjernen, protonet. Det lar seg imidlertid ikke gjøre fordi protonet er positivt ladet, noe som medfører en voldsom frastøtning mellom protonet og kjernen man prøver å dytte protonet inn i – kjernen er jo også positivt ladet. Dette er synd, fordi protoner er enkle å fremskaffe – alt som skal til er å fjerne elektronet fra en hydrogenkjerne. Dette gjøres i et hvilket som helst kjemilaboratorium når vi arbeider med syrer, som spalter av H+-ioner. Skal vi få et proton inn i en atomkjerne, må vi imidlertid skyte dem inn med stor nok energi til å overvinne frastøtningen fra den positivt ladede kjernen. Dette er mulig, men medfører at sannsynligheten for å spalte atomkjernen reduseres drastisk.

Et vanlig kjerneenergiverk baserer seg derfor på nøytronene som frigjøres i fisjonsprosessen – de er jo på en måte gratis og i overflod. For å få til en selvgående prosess må vi imidlertid kjøre reaktoren under kritiske betingelser. Det vil si at vi fjerner akkurat nok nøytroner til at en konstant mengde kjerner spaltes per tid. Mister vi kontrollen med nøytronene er det fare for at reaktoren løper løpsk og spaltningshastigheten kommer ut av kontroll. Dette medfører at reaktoren overopphetes og smelter. Den resulterende varmeenergien og trykkoppbyggingen kan ødelegge reaktorinnkapsling (hvis den er dårlig bygget) og vi får utslipp av store mengder radioaktivt materiale. Hvor galt det kan gå, ble tydelig demonstrert i den ulykksalige hendelsen i Tsjernobyl.

Det finnes imidlertid en annen måte å lage store mengder nøytroner på: Skyter vi protoner med meget høy energi inn i en tunge atomkjerne, vil protonene nærmest knuse kjernene. Resultatet er at det ”spruter” nøytroner og protoner ut av materialet som beskytes. Kjernefysikerne kaller gjerne materialet som beskytes for et target, som er det engelske ordet for målskive. Ordet stammer imidlertid fra norrønt og var navnet for skjold. Vi føler derfor at vi har lov til å bruke ordet ”target” på norsk også! Prosessen med å knuse atomkjerner med høyenergiprotoner er relativt komplisert og kalles på fagspråket for spalasjon.

På grunn av sin ladning vil ikke protonene gå veldig langt i et tykt target. De bremses raskt opp av vekselvirkningen med elektronene i materialet. Det er derfor i hovedsak nøytronene som kommer ut av targetet slik som vist i figur 2. Vi har derfor et alternativ til fisjonsnøytroner, men det krever en intens protonstråle med meget høy energi, for eksempel 1000 MeV per proton. 1000 MeV protonstråler er rutinemessig tilgjengelig i kjernefysikklaboratorier verden over, men ikke med intensiteter høye nok til å drive et kjerneenergiverk som på kommersiell basis skal levere elektrisk energi. Kravene til driftsikkerhet, vedlikehold og stabilitet er også svært forskjellig fra det som er normen ved et forskningsanlegg.

Partikkelakselerator

For formålet som behandles her finnes det i hovedsak to typer ”partikkelkanoner”. Forskerne kaller det for partikkelakseleratorer, fordi de øker energien til en partikkel fra omtrent null til voldsomme energier i løpet av noen brøkdeler av et sekund. Med andre ord – partikkelens akselereres til svært høye hastigheter. Felles for begge typer er at de baserer seg på at positivt ladede protoner vil akselereres mot et negativt ladet felt. Flytter vi feltet slik at det alltid ligger like foran partikkelen kan vi derfor trekke partikkelen etter feltet i stadig større hastigheter. Vi kan enten gjøre dette i et langt rør der partikkelen starter i den ene enden og kommer ut i andre enden med høy energi, eller vi kan bruke et magnetfelt til å tvinge partikkelen til å gå i en sirkelbane med stadig høyere hastighet for hver omdreining. I sistnevnte tilfelle vil sirkelbanens radius være en funksjon av partikkelens energi. Høyenergipartiklene ligger derfor ytterst og vi kan ”tappe” disse fra kanten av maskinen, se figur 2. Den første type maskin kalles for en lineærakselerator og den siste for en syklotron. Hvilken maskin som egner seg best er et åpent spørsmål og vil være avhengig av hva slags type anlegg som lages. Syklotronen høres kanskje mest komplisert ut, men er i praksis det enkleste instrumentet.

Akseleratordrevet kjerneenergiverk

etter vi sammen en partikkelakselerator, et target av et tungt metall, for eksempel bly eller wolfram, og en kjernereaktor så har vi komponentene i et akseleratordrevet kjerneenergiverk slik som foreslått av Egil Lillestøl fra Universitetet i Bergen. Dette er nødvendigvis et mer komplisert anlegg enn en ”vanlig” thoriumreaktor og er aldri utprøvd i full skala. Det er imidlertid gjort et betydelig antall forsøk og utviklingsarbeider for å fremskaffe grunnlagsdata til å sette sammen et slikt anlegg. Konseptet ble opprinnelig utviklet i USA (og senere Japan) for å bygge anlegg som kunne bryte ned det radioaktive avfallet fra kjerneenergiindustrien.

Komponentene i et akseleratordrevet energiverk med prinsippforklaring til akseleratoren og den eksterne nøytronkilden (spalasjonstargetet).

Tanken var at med tiden ville konseptet kunne utvikles til et selvstendig energiverk som destruerte sitt eget avfall. Denne løsningen ble beregnet å være billigere enn å på permanent basis deponere avfallet i stabile geologiske formasjoner. Senere ble ideen tatt opp av Carlos Rubbia, nobelprisvinner og tidligere direktør på forskningslaboratoriet CERN. Han og medarbeidere utviklet sitt eget konsept – Energy Amplifier – så langt de kunne med CERNs omfattende partikkelakseleratorer og laboratorier. Utviklingsarbeidet er kommet så langt at neste skritt er å bygge et prototypanlegg for å prøve ut konseptet i full skala, som er nøyaktig det Lillestøl har foreslått. Bakgrunnen for hans forslag er at Norge har en av verdens største forekomster av thorium, har stor erfaring i å bygge meget krevende industrielle installasjoner (petroleumsindustrien osv) med tilhørende dyktige ingeniører og at vi fra før av ikke har noen kjerneenergiindustri. Det siste er et poeng siden den tradisjonelle kjerneenergiindustrien har omfattende prosjekter på gang i å bygge neste generasjons kjerneenergiverk (såkalte fjerde generasjonsenergiverk) og derfor har lite ”frie” midler å kanalisere inn i et nytt konsept.

I tillegg til å mer effektivt kunne brenne thorium enn et vanlig energiverk så har det akseleratordrevne energiverket en viktig psykologisk faktor: Siden vi har en ekstern nøytronkilde, behøver vi ikke kjøre reaktoren under kritiske betingelser. Det er derfor ingen fare for at spaltningsprosessen kommer ut av kontroll slik at vi får en kjernenedsmeltning. Siden vi har bedre kontroll med nøytronene, kan vi dessuten i mye større grad destruere avfallet som produseres.

Konklusjon

I denne artikkelen er det pekt på mange av fordelene ved å benytte thorium som kjernebrensel istedenfor uran. Videre er det klarlagt at ”thoriumenergiverk” ikke er noen entydig betegnelse – det er betydelig forskjell på å blande inn thorium i brenselet til en vanlig kjernereaktor og å bygge et akseleratordrevet kjerneenergiverk. Det er selvfølgelig også ulemper, men disse er først og fremst av teknologisk og økonomisk art. Hovedkonklusjonen om at å bruke thorium som kjernebrensel gir mindre farlig avfall, berøres ikke av dette. Videre er det klart at akseleratordrevne energiverk har fortrinn fremfor vanlig energiverk – de kjøres med sub-kristiske mengder brennstoff, noe som selvfølgelig ikke er mulig for et vanlig energiverk, og de produseres vesentlig mindre avfall, siden de i første rekke ikke produserer så mye avfall og dessuten i større grad er i stand til å destruere det som blir laget. Det er imidlertid helt klart at et akseleratordrevet anlegg er betydelig mer komplekst og at det fremdeles gjenstår mange år med utvikling og utprøving for konseptet kan kommersialiseres.