Torium är framtidens energikälla

Transkript

1 Torium är framtidens energikälla (Min artikel, med några få senare kompletteringar, var publicerad i tidskriften Elbranschen Nr. 2, 2007) Kärnkraft är den enda realistiska och hållbara lösningen på problemet med världens energiförsörjning. Efterfrågan på energi kommer att öka enormt om levnadsvillkoren för befolkningen i utvecklingsländerna och i den s.k. tredje världen skall kunna förbättras. En fjärdedel av jordens befolkning saknar elektricitet och kostnaderna för att ändra på detta måste till största del betalas av de industrialiserade länderna bl.a. i syfte att minimera kolanvändning. RÄDSLAN FÖR KÄRNKRAFTEN har naturligtvis sin grund i reaktorolyckorna i Three Mile Island, Tjernobyl och nu senare i Fukushima samt oron kring slutförvaring av kärnkraftsavfall. Uranbaserade kärnkraftverk producerar dessutom som biprodukt plutonium, som kan processas till kärnvapenmaterial. När icke önskvärda länder vill använda sig av fredlig kärnkraft för sin energiproduktion, leder det till geopolitiska problem eftersom man samtidigt skaffar sig möjligheten att utvinna vapenplutonium (Pu) ur biprodukterna. Toriumbränsle i framtidens kärnkraftverk Bränslecykeln, torium (Th)/uran (U), har prövats med framgång sedan 1970-talet, men i skuggan av det kalla kriget behövde kärnvapenländerna vapenplutonium och därför prioriterade man användningen av uranbränsle i kärnkraftsverken. Dessa länder har nu mer än nog av vapenplutonium, även för framtida behov. Därför är det hög tid för omställning från uran till toriumbaserade bränslen, dvs. till den silvrigt vita metallen torium (Th-232), som den svenska kemisten Jöns Jacob Berzelius upptäckte år Detta har också USA:s president George W Bush och Nevada guvernören John Gibbons insett. Nevada är kärnkraftsavfallets gravgård och är också den stat där det amerikanska kärnkraftsavfallet skall slutförvaras. George W Bush signerade också den 18 december 2006 en lag som gör det möjligt för Indien, att för första gången på 30 år få köpa kärnteknologi från USA. Kongressen måste först godkänna en andra lag om tekniska detaljer innan leveranserna kan påbörjas. Presidenten uppgav också i sitt årliga tal till nationen, att USA måste initiera en tidsålder av rena och säkra toriumbaserade kärnkraftsverk som ersättning för de uranbaserade verken. Stort intresse i Polen och Norge Även Polen har nu begärt 95 millioner euro av EU för att under en sexårsperiod utveckla infrastruktur för kärnkraft som skall ligga till grund för ett fullskaligt civilt och kommersiellt kärnkraftsprogram. Man överväger starkt att använda toriumbaserade bränslen. Också i Norge pågår diskussioner om torium med professor Egil Lillestol, Institutet för Fysik och Teknologi vid Universitetet i Bergen, som initiativtagare. Fakta om torium (Th-232): - Torium är ca. fyra gånger vanligare än uran i vår jordskorpa och kan därmed bidra till den globala energiförsörjningen i tusentals år. - Torium är ett av de giftigaste grundämnen som finns, halveringstiden för Th-232 är 14miljarder år jämfört med U-238 vars halveringstid är 4,5 miljarder år och U-235 har en halveringstid av 700 miljoner år. - Den enda i naturen förekommande toriumisotopen som kan användas för energiproduktion är Th

2 - Th-232 är en av de mest stabila radioaktiva isotoperna, under alla miljöbetingelser. - Th-232 är inte ett fissilt (klyvbart) material i sig själv men genom neutronabsorption omvandlas Th-232 till det fissila materialet U Nästan all torium (99 procent) som finns i jordskorpan är användbart som kärnbränsle, att jämföras med endast 0,71 procent för den enda i naturen förekommande lätt klyvbara nukliden U Detta innebär att isotopen U-235 måste anrikas, vilket också bidrar till kraftig ökning av den radioaktiva avfallsmängden. - Behovet av REE (Rare Earth Elements, "ovanliga jordmetaller") som används bl. a. I elmaskiner, hybrid- och elbilar bedöms, att öka kraftigt under kommande år. Då ca. 70% av REO (Rare Earth Elements beräknat som oxider) utvinns ur monazite (Ce, Th, Y) PO4 kommer biprodukten Th- 232, att kunna utvinnas och få ett ekonomiskt värde i stället för att som nu utgöra ett allvarligt miljöproblem. - Ur toriumbränslet kan ca. 220 gånger mer energi utvinnas per viktenhet jämfört med uran. Vilket innebär, att det behövs 220 ton uran för att producera samma energimängd som 1 ton torium. - Aktinidbildningen minskar starkt jämfört med användningen av U till 97 procent av uranbränslet i en fissionsreaktor (kärnklyvningsrektor) är U-238. En del av detta konverteras till U-239 och U Kärnkraftsverk baserade på torium är säkra i den bemärkelsen att man inte kan tappa kontrollen över reaktorn. Det kan alltså inte uppstå en okontrollerad kedjereaktion, som kan leda till en härdsmälta. - Det radioaktiva avfallet från en toriumdriven reaktor kan inte användas till kärnvapen. Thorium Fuel Cycle Toriumbränslet erbjuder alltså många fördelar jämfört med uranbränslet, bl.a.: - Ökad kärnreaktorsäkerhet. - Eftersom Th-mineralen är mera lättillgänglig än U-mineralen blir miljöpåverkan vid utvinning/brytning liten. - Om Th-bränslet utnyttjas effektivt vid bridning till U-233 finns här en enorm energitillgång. - Upp till procents besparing i bränlecykelns totala kostnad. - Betydligt mindre mängd använt bränsle (50 procent av volymen och 70 procent av vikten), dvs. en stor volym och viktreducering av avfallet erhålls. - Inget användbart vapenmaterial/plutonium erhålls som restprodukt. - Th/U-cykeln genererar mellan gånger mindre mängd högre aktinider såsom Np, Pu, Am, Cm, osv. än U/Pu-cykeln. En sådan volymreduktion av långlivat högaktivt avfall förenklar deponeringen väsentligt. - Bränslet kan användas för upparbetning av förbrukat uranbränsle och vapenplutonium. - Th/Pu-bränslet har även flera fördelar framför återanvändning av MOX bränslet (Mix Oxide Fuels). 2

3 Toriumhistorik Användningen av toriumbaserade bränslen har studerats i ungefär 30 år men naturligtvis i betydligt mindre omfattning än vad som har ägnats uran- eller uran/plutoniumcykler. Grundforskning och utveckling har beddrivits i Indien, Japan, Nederländerna, Ryssland, Tyskland, Storbritannien och USA. Mycket erfarenhet har också rönts från drift med toriumbaserade bränslen i kommersiella kärnkraftsreaktorer runt om i världen, bland annat kan nämnas att: - I Indien och Ryssland har torium/uranbränslen använts i kärnkraftsverk. De indiska myndigheterna godkände år 2002 konstruktionsstart för en toriumbränslebaserad 500MW snabb bridreaktor till Kalpakkam. Tidsplanen är att reaktorn skulle ha vara i drift år 2010, men pga. det kraftigt fördröjda tillståndet att få köpa kärnteknologi från USA har inte tidsplanen kunnat hållas. Indien har också aviserat att ytterligare tre snabbbridreaktorer skall vara konstruerade till år Sedan i början av 1990 talet har ryska Kurchatov Institutet och det amerikanska bolaget Thorium Power Ltd. i ett samarbetsprojekt (till viss del finansierat av USA) utvecklat toriumbaserade bränslen till de ryska VVER-1000 (vattenkylda, vatten modererade) reaktorerna. - Konceptet med Th/U-233 bränsle har med framgång använts från 1977 till 1982 i en lättvattensbridreaktor (LWBR) vid Shippingport USA. Framtidsscenario Kärnkraften kommer sannolikt globalt att bli den viktigaste energikällan under de närmaste århundradena. Vidareutvecklade lättvattensreaktorer (LWR) baserade på uranbränslecykeln, kommer fortfarande under de närmaste 20 till 30 åren att dominera. Men ökade säkerhetskrav, geopolitiska hänsynstaganden och avfallshanteringsproblem kommer att innebära att både LWR och nyare bridreaktorer snabbare kommer att ersättas av den nya teknikens icke kritiska acceleratordrivna system (ADS, etc.). LFTR (Liquid-Fluoride Thorium Reactor), framtidens kärnkraftverksreaktor Experiment med MSR (Molten Salt Reactor) för torium bränslecykeln i kärnkraftverk utfördes redan mellan åren Men pga. att framför allt kärnvapenländerna ville få fram vapenplutonium, under kalla krigets dagar, utvecklades och användes inte torium som kärnbränsle annat än i forskningsreaktorer sedan U-233/torium bränsle använts i amerikanska Shippingport LWBR-reaktorn (60 MWe). Måldatumet för framtidens LFTR, en toriumreaktor där man avser att använda ett flytande, kemiskt stabilt fluorsalt som medium i vilket kärnreaktionerna äger rum, är år 2025 för en 1000 MWe reaktor. Ett team forskare i Shanghai har nu från 2014 fått 10 år på sig för att utveckla världens första sådan anläggning. *) I Massachusetts Institute of Technology s (MIT:s) uppdaterade rapport uppges att kapitalkostnaderna i 2009-års penningvärde är följande (1): - Nya kolkraftverk $2,30 per watt, - PWR (Pressurized Water Reactor) $4,00 per watt, Medianvärdet av fem kostnadstudier avseende MSR från 1962 till 2002 är $1,98 per watt. Kapitalkostnadsmålet för LFTR är $2 per watt, vilket ger en elenergikostnad av <$0,03 per kwh. Kostnaden för att återvinna torium är ca. US$ 80 per kilo jämförd med ca. US$ 110 per kilo uran. Sammanfattningsvis kan man säga, att kapitalkostnadsmålet uppnås pga. enkla flytande bränslen, hög värmekapacitet, mindre antal komponenter, lågt tryck i kärnan, hög temperatur gasturbin, enkel inneboende säkerhet, ingen tjock och stor innesluten kupol erfordras för reaktorn och ny teknik under utveckling. Pga. det låga elpriset kan en LFTR som producerar 100 MW per dag under 38 år, fasa ut alla nu i-driftvarande kolkraftverk, dvs. 10 miljarder ton CO2-utsläpp från kolkraftverk upphör (1). 3

4 Stabila fissionsprodukter Fissionen av uran-233 kommer att producera cirka 35 olika element som klyvningsprodukter i varierande mängder. Dessa element innefattar bl.a. xenon, neodym, molybden, och zirkonium. Xenon är lätt att avlägsna under normal drift, eftersom det är en gas och har en låg löslighet i fluor bränsle saltet. Stabil xenon som kan visa sig vara värdefullt används av NASA som drivmedel för jonmotorer (raketmotorer) och även av en rad andra branscher. Neodym stabiliseras också snabbt och är den främsta beståndsdelen i högpresterande magneter. Neodym kan utvinnas ur saltet. Andra värdefulla fissionsprodukter som tar längre tid att stabilisera inkluderar rodium, rutenium och palladium. Andra restprodukter av LFTR drift är jod-131 och sönderfallsprodukter av uran-233, den grundläggande bränslet i LFTR. Jod-131 används inom sjukvården för behandling av giftstruma och cancer i sköldkörteln. Jod-131 produceras i LFTRs genom klyvning under normal drift. Jod avlägsnas från bränslesaltet enkelt och kan renas för strålterapi tillämpningar. En sönderfallsprodukt av torium-229 är vismut-213, vilket ger ett stort hopp för cancerbehandlingen. Vismut-213 (Bi-213) sönderfaller genom alfa utsläpp, till skillnad från de flesta andra klyvningsprodukter, som sönderfaller genom beta utsläpp. Hittills har den totala världsinventeringen av torium-229 varit för liten för att medge seriös utredning av fördelarna med Bi-213 i "riktad alfa-behandling," men utvecklingen av LFTR tekniken har potential att ändra på det. OBSERVERA, att en LFTR inte kan smälta ner eftersom kärnan redan smält - dess normala tillstånd, avfallshanteringen blir lättare och kärnavfallets biprodukter kan inte användas för kärnbaserad vapentillverkning, dvs. för militära ändamål. Dessutom utgör en LFTR ingen explosionsrisk, eftersom trycket i reaktorn har atmosfärtryck. Billig el kan också hjälpa utvecklingsländerna att förbättra välståndet. *) Kompletterad Indien är det land som i sin kärnkraftstekniska utbyggnad planerar för användning av torium som bränsle. Indiens Atomic Energy Commission uppgav att konstruktionen av den första avancerade tungvattenreaktorn (AHWR), baserad på torium bränsle, påbörjas i år. Reaktorn undergår f.n. förlicensierings granskning, som utförs av Indiens Atomic Energy Regulatory Board (AERB). Indiska regeringen har nu gett Indiens största kraftbolag (världens sjätte största producent av termisk energi) National Thermal Power Corp. (NTPC Ltd) tillstånd, att förverkliga sina planer för den nya kärnkraftsgenerationen. Indien har även träffat avtal med Ryssland om tillverkning av fyra (4) VVER-1000 reaktorer, ordern kan komma att utökas till tio (10). IAEA och oberoende experter värderar den ryska VVER-1000 modellen, som en av världens säkraste. USA:s första kärnkraftsreaktor av fjärde generations, en MW modulär heliumgaskyld högtemperatur reaktor (GT-MHR), kommer att byggas vid universitetet i Texas. Det blir en utbildnings- och testreaktor i enlighet med en överenskommelse mellan General Atomics och universitetet den 22 februari Thorium Power Ltd. har redan påbörjat arbetet med en förkonceptstudie för bränslet. Enligt uppgift har Thorium Power Inc. vid OKBM:s faciliteter i Ryssland genomfört tester med 1 meter långa bränslestavar kompatibla med bränslet för VVER Man har också simulerat toriumbränslets driftsförutsättningar i PWR reaktorer för att i en nära framtid kunna byta från uran till torium i mer än 60 procent av de reaktorer, som är i drift i dag. När torium finns i en reaktor träffas det under drift av en ström av neutroner. Torium som träffas av neutroner omvandlas genom en serie kärnreaktioner till uran-233, vilket inte förekommer i naturen. Uran-233 är klyvbart och börjar bidra till kedjereaktionen så fort det uppkommer i reaktorn. Det uran-233 som finns kvar i bränslet när det tas ur reaktorn kan användas i nytt kärnbränsle. På så sätt kan man genom att dryga ut med uran-233 spara uran-235 nästa gång man tillverkar bränsle. 4

5 Thorium: An energy solution - THORIUM REMIX yybsz4 THE THORIUM PROBLEM - Danger of existing thorium regulation to U.S. manufacturing India's experimental Thorium Fuel Cycle Nuclear Reactor [NDTV Report] China working on uranium-free nuclear plants in attempt to combat smog Thor Energy - the Norwegian thorium initiative Thorium Car - This Car Runs For 100 Years Without Refuelling PS. Läs även undertecknads artikel Kärnkraft sparar människoliv och minskar kraftigt CO2 ekvivalenta växthusgas (GHG) utsläpp. Claes-Erik Simonsbacka Elkraftsingenjör 5