Tankar om kärnkraft i utländska tidskrifter (bl.a. Scientific American) under den senaste tiden, samt den finskspråkiga tidningspressens aktiva skrivande om kärnkraft, har inspirerat författarna att skriva denna artikel. Sätten att producera kärnenergi är många fler än som är allmänt känt. Fusionsreaktorerna är inte den ända framtida utvecklingsriktningen. Fastän kärnenergin starkt grundar sig på traditionella produktionsmetoder, behövde det inte vara så emedan utvecklingsmöjligheterna för kärnteknologin faktiskt är otroligt mångsidiga. Den nuvarande fissionsteknologin grundar sig på att vissa tunga atom - kärnor (exempelvis 235U) klyvs och frigör en väldig mängd energi. Klyvningen kan ske av sig själv, eller så kan den fås till stånd genom att bomba kärnorna med neutroner. Vid klyvningen uppstår även nya neutroner, vilka kan användas att klyva nya kärnor. Sålunda sätter klyvningen igång en kedjereaktion. Ifall nya neutroner uppstår lika mycket som gamla försvinner, föder kedjereaktionen energi med konstant effekt. Ifall mängden neutroner ökar, ökar även effekten; om mängden minskar, minskar effekten. Mängden neutroner som uppstår vid fissionen beror på ett flertal faktorer, en typisk mängd kunde vara ca 2,4 neutroner då en kärna klyvs. Av de uppstådda neutroner förorsakar inte alla en fission: en del kan absorberas av det ämne som klyvs eller inte klyvs och en del kan föras ut ur reaktorn. Det är uppenbart att delen som förs ut kan minskas genom att utöka mängden fissionsmaterial. Detta förklarar exempelvis varför ett kärnvapen har minsta möjliga storlek, det vill säga kritisk storlek. Om vapnet är mindre än den kritiska storleken kan det inte explodera, emedan fler neutroner rymmer genom vapnets hölje än de nya vilka uppstår vid kedjereaktionen. Begrepp och beteckningar Största delen av neutronerna som frigörs vid fissionen uppstår på 10 femtosekunder (10-14 sekunder). Dessa neutroner kallas prompta neutroner. På grund av reaktionens snabbhet verkar det till att börja med ofattbart att kedjereaktioner går att styra. Emellertid uppstår en del av de nya neutronerna först efter en fördröjning, exempelvis efter 50 sekunder. Dessa neutroner kallas fördröjda. För att bättre kunna förstå hur en reaktor fungerar och skillnaderna mellan olika reaktorer, finns det skäl att definiera vissa hithörande begrepp och beteckningar. Det blir lättare att granska fenomenen i en fissionsreaktor om man anser reaktorn var gränslöst stor och av material utav jämn kvalitet. Denna reaktormodell har benämningen punktreaktor, emedan fenomenen i reaktorn går att förklara genom att betrakta en reaktorpunkt eftersom alla punkter är likadana. I följande exempel beräknas punkt reaktorns beteende medelst en ytterst förenklad modell. För praktiska ändamål är modellen inte tillräckligt noggrann, men den ger en god fysikalisk bild av vad som sker i reaktorn. Fördröjningen efter att de prompta neutronerna försvunnit och nya har uppstått må vara t p = 0 och fördröjningen för de fördröjda neutronerna må vara det typiska värdet t d = 50 sekunder. Multiplikationsfaktorn k representerar i medeltal mängden neutroner, som uppstår på grund av en försvunnen neutron. Andelen uppstådda prompta neutroner betecknas med fp och andelen fördröjda neutroner med f d (f p +f d = 1). Storleken på den uppstådda mängden fördröjda neutrongenerationer (neutronmängden) betecknas med nd, där d anger den fördröjda generationens ordningsnummer d = 0,1,2,... En neutron försvinner antingen genom att förorsaka en kärnas fission eller genom att absorberas av det (icke-)fissionsmaterial. Det kan tänkas att en neutron dör omedelbart efter att den fötts (en typisk fördröjning är 100 mikrosekunder). I en prompt underkritisk reaktor (k < 1/f p ) försvinner alla snabba neutroner inom ett ögonblick i en oändlig mängd på varandra följande snabbt födda generationer. Efter tiden t d = 50 sekunder föds en ny generation, vilken endast innehåller fördröjda neutroner. Reaktorns effektgeneration stannar sålunda under 50 sekunder. De fördröjda neutronerna bestämmer alltså när en ny sekvens av snabba generationer börjar och sålunda även reaktorns effekt och framför allt reaktoreffektens ändringshastighet, det vill säga dynamiska egenskaper (upp då k > 1(överkritisk) och ned då k < 1 (underkritisk)). Utan fördröjda neutroner går det inte att reglera en modern reaktor. Reaktorns farlighet En modern reaktor är farlig, bland annat därför att den används fördröjd överkritisk då effekten höjs. Om man glömmer att reglera reaktorn tillbaka till kritisk efter en snabb höjning av effekten, kan reaktorn smälta eller till och med explodera ungefär som i Jernobyl. Ännu snabbare smälter reaktorn och blir otyglad om den regleras prompt kritisk. Sakläget är dock inte alldeles så svårt som man kunde anta. En modern reaktor byggs nämligen så att den har en reaktivt negativ värmefaktor. Då alltså effekten ökar och temperaturen stiger, sjunker reaktiviteten samtidigt. Reaktiviteten sjunker kontinuerligt även till följd av mindre mängd bränsle. Reaktiviteten sjunker även om reaktorn avger kylvatten. Enligt artikelförfattarnas mening kan en kommersiell effektreaktor inte konstrueras så att en negativ värmefaktor ensam kunde rädda reaktorn om den används felaktigt. Beträffande forskningsreaktorer är situationen en annan och sådana finns även i stora bosättningscentra (Otnäs, Esbo, Finland). KÄRNKRAFT Kärnenergins fortsatta utveckling Två finländska familjers årliga elkraftsbehov produceras med dessa uranknappar. Styrning med partikelaccelerator Allmänt tänker man att en reaktor inte kan regleras utan att den emellanåt blir fördröjt överkritisk. Noggrant tänkt är en ökning och ett upprätthållande av effekten emellertid möjligt även i en underkritisk reaktor, om neutronmängden som fattas hämtas från en lämplig neutronkälla utifrån. Den yttre källan kunde vara en lämplig partikelaccelerator. Författarna tar här inte fasta på vad en sådan kunde kosta. Antaget att en underkritisk reaktors effekt har körts ned till noll. Den mängd neutroner som en partikelaccelerator alstrar mellan de fördröjda generationerna betecknas med npartikelaccelerator. Nu stabiliserar sig reaktorns effekt på en nivå där neutronmängden är konstant och n 0 = n partikelaccelerator * k * f d / (1-k) i vår enkla modell. Till exempel, om f d = 1 % och k = 0,999999, erhålls n 0 ~ n partikelaccelerator * 10 000. Problemet hur reaktorn kan hållas hårfint underkritisk uppstår dock. Ju närmare det kritiska tillståndet en reaktor kan hållas, en desto mindre effekt behövs från partikelacceleratorn. Minskningen av riskfylldheten En normal modern reaktor anses så farlig att den inte byggs nära storstäder. Om reaktorn kunde styras med en accelerator, kunde man kanske komma ett steg mot en ökad säkerhet, men kvar blir ändå flera problem. Ett problem är att reaktorns reaktivitet minskar då bränslet minskar, och sålunda bör reaktorn byggas så att reaktiviteten med nytt bränsle är större än vad som behövs för prompt överkritiskhet (exempelvis k = 3). Reaktorns reaktivitet kan minskas till lämplig genom att minska reaktiviteten med styrstavar (och andra metoder). Hårfin underkritiskhet kan endast åstadkommas med något slags aktiv metod, vilken automatiskt håller reaktorn lämpligt kritisk. Då reaktorn är underkritisk kan ingen effekt öka reaktorns effekt gränslöst. Den ökning av säkerheten som kan uppnås är enligt författarnas mening ändå marginell, emedan reaktorn i varje fall till konstruktionen är överkritisk. NORDISK ENERGI 2/2007 41
Linearacceleratorn vid Stanford University. Foto: Stanford Linear Accelerator Center. En äkta underkritisk reaktor En äkta underkritisk reaktor har en underkritisk mängd fissionsmaterie och samtliga eller merparten neutronerna alstras med partikelaccelerator. Som risk förblir dock ännu en terrorattack eller en icke på kärnkraftsfenomen baserad explosion, som sprider radioaktivt avfall i staden. En placering av en kärnreaktor i en storstad skulle i varje fall erbjuda en väldig fördel. Ett vanligt kärnkraftverk som producerar el har en verkningsgrad på endast 30... 40 %. Om kraftverket även kunde användas för produktion av fjärrvärme kunde verkningsgraden fördubblas. Med en lämplig konstruktion kunde kanske säkerheten ökas: mängden fissionsmaterie och kärnavfall hålls hela tiden så låg att den inte förorsakar betydande risk ens om den sprids i omgivningen. I detta fall vore en kedjereaktion inte möjlig och kärnklyvningen skulle nästa helt och hållet åstadkommas med en partikelaccelerator. I princip kan kärnkraftverkets effekt även höjas genom att höja reaktortemperaturen. Med tillräckligt hög temperatur kunde kylmedlet helt enkelt ändras till plasma, ur vilken man kunde utvinna energi med lämpliga magnetiska metoder. Här skulle det naturligtvis uppstå liknande väldiga korrosionsproblem som i fusionsreaktorer av typen Tokamak. Enligt vad författarna vet lär åtminstone ryssarna ha funderat på en sådan lösning (magnetohydrodynamisk generator). Minskningen av mängden avfall I kärnavfall är de mest långlivade radioaktiva beståndsdelarna i allmänhet tunga isotoper kan klyvas eller ändras till kärnbränsle. De långlivade isotoperna kan återanvändas i kärnreaktorer, i vilka de dels utgör direkt kärnbränsle och delvis ändras till kärnbränsle på samma sätt som olika isotoper av uran i naturen. På detta sätt uppnår man två betydande fördelar. För det första minskar kärnavfallet i förhållande till naturens uran från nuvarande 95 % till mindre än 1 %. För det andra minskar kärnavfallets farliga tidsrymd från 10 000 år till 500 år. De tunga isotoperna kunde separeras på föreslaget sätt genom en såkallad pyroprocess. I denna upplöses det använda bränslet kemiskt och de metalliska isotoperna vilka uppstått av transuran separeras med elektricitet till en lämplig elektrod vid hög temperatur. Metoden skiljer sig från andra metoder därigenom att den samlar bort alla isotoper av transuran utan avskiljning. Den avskiljer exempelvis inte plutonium från övriga ämnen. Avigsidan med återvinningen är att reaktorns dynamiska egenskaper kan försämras om man använder återvunnet bränsle. Bridreaktorn Bridreaktorn är en kärnreaktor, som utvinner mera bränsle än den konsumerar. Även i en vanlig reaktor uppstår en viss mängd ny klyvbar materie, såsom plutoniumisotopen 239 Pu från isotopen 238 Pu, men inte så mycket. De existerande kommersiella kärn - kraftverken grundar sig på så kallade termiska reaktorer. Benämningen åsyftar på att neutronerna, vilka uppstår vid fissionen är ytterst energiska (0,1-6 megaelektronvolt) eller snabba, retarderas innan de används att generera nya fissioner till samma temperatur som reaktorn har. Bridreaktorn å sin sida använder i allmänhet de vid klyvningen uppstådda neutronerna som snabba. En sådan reaktor kallas snabb (fast). Om man vill använda en neutron till att inducera en fission lyckas detta bäst då neutronen är termisk. Då man önskar att så många neutroner som möjligt uppstår vid en fusion bör man använda snabba neutroner; därför är bridreaktorer i allmänhet snabba. En prompt neutrons livslängd i en termisk reaktor är Detta är en stående halvsida 42 NORDISK ENERGI 2/2007
Två strålrör vid PEP-II i SLAC-anläggningen vid Stanford University. Det övre röret bär positroner, det undre elektoner. Foto: Stanford Linear Accelerator Center 100 mikrosekunder, men i en snabb endast 100 nanosekunder. En längre livslängd är säkerligen en sorts säkerhetsfaktor (är det måhända möjligt att på konstgjord väg öka livslängden; halveringstiden för en fri neutron är över 10 minuter, och lägger sålunda inte hinder i vägen...). Eftersom bränslet i en snabb bridreaktor är mindre reaktivt på det neutronslag som används behöver den 30 40 gånger mera bränsle för att uppnå kritisk nivå. Termiska reaktorer vanligast Utav världens kommersiella effektreaktorer är största delen termisk. Snabba kärnreaktorer är sällsynta av många skäl: för det första är livslängden för en prompt neutron i en snabb reaktor en tusendel av motsvarande livslängd i en termisk reaktor. För det andra är koefficienten för reaktivitetens värme och koefficienten för minskningen av kylvätskan i en snabb reaktor mindre negativa, eller till och med positiva (speciellt i bridreaktorer). Dessutom kan vatten inte användas i dessa som kylvätska, emedan de lätta väteatomerna (utav samma viktsstorlek som neutronerna) ytterst effektivt stoppar elektronerna till termisk snabbhet. I en snabb reaktor används flytande natrium eller helium som kylmedel (Liquid Metal-Cooled Fast Breeder Reactor, LMFBR eller Gas-Cooled Fast Reactor, GCFR). En bridreaktor med smält salt som kylmedel(molten Salt Breeder Reactor, MSBR) är speciell därigenom att den är av termisk inte snabb typ. Emedan bränslet i en snabb reaktor inte är lika reaktivt som i en termisk, behöver den snabba reaktorn mer än tiofalt mera bränsle. Ändå är en natrium snabb kyld reaktor till storleken endast en bråkdel av storleken på en termisk reaktor, emedan flytande natrium är ett ytterst effektivt kylmedel. En ytterligare nackdel för en natrium kyld reaktor är att natrium kraftigt reagerar med vatten och börjar brinna i luft. Dessutom blir reaktorns natrium radioaktivt. Den första snabba bridreaktorn startades redan år 1946. Helt uppenbart är den snabba reaktorn fränare än den termiska, men erfarenheten har visat att den är lätt i normala situationer att reglera. Vid byte av bränsle behöver en bridreaktor inte laddas strukturellt så mycket överkritisk som en vanlig reaktor, emedan nytt bränsle bildas allt eftersom det ursprungliga bränslet används upp (snarare kan fara uppstå av att bränslemängden ökar alltför mycket under användningen). Har situationen nu ändrats? Är det möjligt att man nu börjar använda bridreaktorer för produktion av kommersiell el? Världen är naturligtvis inte densamma som för 60 år sedan, men grunduppställningen är densamma: för det första är bridreaktorn frän. För det andra ökar återanvändningen av använt kärnbränsle risken att vapendugligt plutonium kommer i händerna på terrorister. Dock har människors kunskap om kärnkraften ökat och ekonomiska samt miljömässiga synpunkter har blivit verkligen viktiga. Terroristbekämpning Den höga radioaktiviteten hos färskt använt kärnbränsle skyddar det från missbruk under en viss tid. Men till exempel ett typiskt använt bränsle - element (5 kilogram) från en forskningsreaktor kan efter 25 år hanteras utan strålskydd på ett avstånd av en meter under 5 timmars tid med en dödsrisk av 50 %. Då man övergår till att använda bridreaktorer uppstår mycket fler vapendugliga isotoper. Vid nyttjandet av bridreaktorer är det även viktigt att utveckla kärnavfallsanläggningar för kommersiellt bruk. Dessa anläggningar kan lyckligtvis använda en grov pyroprocess som inte producerar rent plutonium. Vanligtvis kan man säga att ett bränsle som innehåller mindre än 20 % klyvbar materie inte är vapendugligt ty bomben skulle bli opraktiskt stor (400 kilogram). Man kan tänka sig att den stora allmänheten kräver att myndigheterna NORDISK ENERGI 2/2007 43
noggrant övervakar kärnreaktorernas och avfallshanteringsanläggningarnas verksamhet så att kärnavfall eller kärn bränsle inte under några omständigheter hamnar på villovägar eller i händerna på farliga individer. Likaså är det uppenbart att olika stater vill övervaka varandras verksamhet inom kärnteknologin. Det verkar som om man i framtiden skulle behöva en all större noggrannhet av nationella och internationella myndigheter då det gäller övervakningen av den kommersiella kärnkraftsindustrin, och allt bättre bestämmelser och övervakningsmetoder för branschen. Kärnkraftssamarbete i Norden? Man kan inte hindra att världens energikonsumtion ökar hela tiden, och att det behövs nya energikällor. Men energiproduktionen borde inte få leda till att utsläppen av fossil koldioxid i atmosfären hela tiden ökar eller att den producerar långvarigt farligt avfall. Om man ställer sådana krav kan den behövliga energin inte alstras med naturgas, olja, kol eller fissionskraft. Då återstår förnybara energikällor och fusionskraft. Fusionsforskningen är fredlig till sin natur. Den har alltid utgjort ett öppet samarbete mellan I bruk varande kärnkraftsenheter i Olkiluoto. De enkla beräkningar ligger som grund för artikeln finns att ladda ner på: http://cs.stadia.fi/~lindgren/docut/laskelma.pdf länder, även under kalla krigets dagar. Visst finns det fusionsvapen: vätebomben. Den fungerar genom att en atombomb, som bygger på fission, först detonerar så att vätet i vätebomben uppnår den temperatur som krävs för fusion. Men bombmakaren är intresserad av en enda explosion. I fusionskraftverket skall fusionen pågå oavbrutet, som i solen. En fusionsreaktor kan inte explodera som en fissionsreaktor eftersom den inte bygger på en kedjereaktion. Händer en olycka sjunker temperaturen i reaktorn och fusionen avstannar. Med beaktande av inställningen till kärnkraften i de nordiska länderna Sverige, Norge, Danmark, Island och Finland, frågar sig artikelförfattarna: är ett kärnkraftssamarbete inom fissionstekniken möjligt mellan dessa länder? Hurdant är intresset för ett sådant samarbete i å ena sidan Norge med vattenkraft och Island med vattenkraft och varma källor, och å andra sidan Danmark, med kolkraft och vindkraft? Huru dant är Sveriges intresse att utveckla framtida kärnteknologi? I det långa loppet borde vi kanske forska kring fusionskärnenergi tillsammans med målsättningen att få tillgång till fusionskraft om ca 60 år, då nu planerade kärnkraftverk uppnår slutet på sin livscykel. A V K AI L INDGREN OCH L EIF W AHLSTEDT, HELSINGFORS YRKESHÖGSKOLA, STADIA, F INLAND FAKTA Litteratur: John R. Lamarsh, Anthony J. Baratta, Introduction to Nuclear Engineering. Third Edition, Prentice hall, 2001. James J. Duderstadt, Louis J. Hamilton, Nuclear reactor Analysis. John Wiley 1976. Smarter Use of Nuclear Waste. William H. Hannum, Gerald E. Marsh, George S. Stanford. Scientific American, December 2005, pp 64 71. Thwarting Nuclear Terrorism, Alexander Glaser and Frank N. von Hippel. Scientific American, February 2006, pp 38 45. Ranskassa yhdinjäte kiertää polttoaineeksi, Eeva Törmänen. Tekniikka&Talous 10.8.2006, ss: 12 13. James Lovelock: The Revenge Of Gaia, Why the Earth is Fighting Back - and How We Can Still Save Humanity, Allen Lane, London 2006 Kunniga på Klimat YIT i Sverige tekniska installationer Fokuserade på Facilities Management Rutinerade på Rör Experter på El Tel: 08-705 32 00 YIT är ledande i Sverige inom installationstjänster. Vi erbjuder ett komplett utbud inom tekniska installationer, drift & underhåll och facilities management. Vår historia från bolag som Fläkt, Essef, ABB och Calor ger oss en stark bas att stå på. Och vår storlek, med över 4000 kompetenta medarbetare på cirka 150 kontor i Sverige, ger oss de resurser som dagens avancerade tekniska system för byggnader och anläggningar kräver. www.yit.se 44 NORDISK ENERGI 2/2007