Kärnkraft utan långlivat kärnavfall
av Dan Olof Riska Forum 1994-14, sida 10-11, 03.11.1994
PRINCIPSKISS FÖR ETT ACCELERATORBASERAT KÄRNKRAFTVERK [ aceelerator i | lungvatten| moderator elenergi ; = | energiuttag avfallsinmahing — | intensivt ’ neutronflöde avancerad |. kemisk — | åtskiljning stabila och > strålmål av kortlivade produkter saltsmältakrets flytande bly
Protanstrålen från acceleratorn träffar strålmålet vari neutroner produceras genom spallati eaktioner. Neutronernas hastighet sänks genom att de avkyls i ä ande moderatorn, genom vilken kärnbränslet pumpas löst i en saltsmälta. Energiuttaget, varav ca 20 procent åtgår hill at driva acceleratorn, sker via värmeväxlare och en sekundärkrets kopplad en turbin, Källa; C.D. Bowman et al: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Vol. A320/1992, North Holland Publishing Co.
Kärnkraft UTA nglivat kärnavfall
Dan Olof Riska
I industriländerna växer konsumtionen av elektrisk energi exponentiellt med en genomsnittli årlig ökningsrat om ca 3,5 procent. I Finland är tillväxten ca 4 och i u-länderna ca 8 procent. Detta innebär att elenergiproduktionen i u-länerna bör fördubblas inom de närmaste 8 ären, och i industriländerna inom 20 år. Någon tekniskt eller ekonomiskt sett realistisk möjlighet att genomföra denna produktionsökning utan utnyttjande av någon typ av kärnkraft finns inte.
1 en nuvarande kärnkraftsbase rade elproduktionen är base rad på kärnreaktorer som utnyttjar den energi som frigörs då tunga atomkärnor klyvs eller “fissioneras” av neutronstrålning. Fördelarna med denna teknik är att den är att den fungerar och att den är ekonomiskt konkurrensfähig. Avigsidan är risken för katastrofala driftsstörningar och den oundgängliga produktionen av långlivat kärnavfall.
Som ett framtida alternativ till den reaktorbaserade kärnenergitekniken hägrar (ständigt) den s.k. fusionstekniken som utnyttjar den energi som frigörs då två lätta atomkärnor ”fusionerar” till en tyngre kärna. Fördelarna med denna är den mycket stora (principiella) bränsleresurs som världshavens deuterium (tungt väle) representerar. Avigsidan är att denna teknik fortfarande är tekniskt odemonstrerad. Därtill kommer att förutom deuterium också den tyngsta och radioaktiva väteisotopen tritium måste ingå i bränslet i en fusionsreaktor.
Som ett nytt alternativ till dessa typer av kärnkraft föreligger den s.k. acceleratorbaserade kärnkraften, som utnyttjar fissionsreaktioner men i vilken reaktorn ersätts med en protonaccelerator. Denna producerar inget långlivat radioaktivt avfall, men kan däremot använda tidigare producerat sådant som bränsle.
Ett acceleratorbaserat kärnkraftverk skulle bestå av
I en protonaccelerator med en strålenergi om ca 1 GeV, och en strömtäthet i strålen omkring 50-100 mA, HB ett strålmål av t.ex. bly, IB en primärkrets genom vilket kärnbränslet löst i en saltsmälta pumpas, och IH värmeväxlare och generatorer för roduktion av elenergi, varav ca en emtedel åtgår till att driva acceleratorn, Därtill måste strålmålet omges av BH en moderator av t.ex. tungt vatten vars uppgift är att minska neutronernas hastighet för att öka deras effektivitet för att inducera fission i bränslet.
Då en proton från acceleratorn träffar en atom i strålmålet splittras denna genom en s.k. spallationsreaktion varvid ett 50-tal neutroner frigörs. Genom spallationsreaktionerna uppstår ett neutronfiöde som kan vara 100 ggr intensivare än det neutronflöde som driver kärnreaktionerna i en typisk reaktorhärd. I det intensiva neutronflödet fissionerar allt kärnbränsle i motsats till situationen i en reaktorhärd där förbränningen förblir ofullständig. Då systemet saknar kritisk mängd av kärnbränsle blir driftstörningar ofarliga — vid en driftstörning stannar acceleratorn, och därmed alla kärnreaktioner.
Avfall som bränsle
I en reaktorhärd leder kollision av en neutron med en bränsleatom (uran) antingen till en “nyttig” fissionsreaktion som frigör både energi och ytterligare neutroner, vilket möjliggör en kedjereaktion, eller också till en onyttig “”neutroninfångning”. I det senare fallet avger målkärnan den tillförda extra energin genom gammar- eller betastrålning 1 stället för att fissionera, och förändras därvid till ett s.k. neutrongift som kan absorbera ytterligare neutroner. Neutrongifterna — varav merparten utgörs av neptunium (Np) och americium (Am) kärnor har lång livslängd och kräver slutförvaring i tusentals år.
Ett typiskt reaktionsförlopp för ett “neutrongift” är att en 237Np-kärna fångar en neutron och därigenom övergår till den tyngre isotopen 238Np. Med en medellivslängd om 2 dagar sönderfaller denna till 238Pu (plutonium), som kan fånga en ytterligare neutron och övergå till 239Pu. Med en sannolikhet om ca 7520 leder en neutroninfångning i239Pu till fission med frigörelse av i genomsnitt 2.9 neutroner. Isotopen 237Np är då ett neutrongift eftersom infångning av i genomsnitt 4 neutroner på en sådan bara leder till 2.9 nya fissionsneutroner.
Om däremot neutronflödet är så mycket större att mellankärnan 238Np inte hinner sönderfalla till 238Pu före den fångar en ny neutron och istället övergår till 239Np, som omedelbart fissionerar med frigörelse av i genomsnitt 2.7 neutroner, fungerar kärnan 237Np som ett bränsle — dvs 2 fångade neutroner frigör 2.7 neutroner. Denna form av analys, som visar att kärnor som vid små flöden är neutrongifter, kan fungera som bränsle vid stora neutronflöden, ledde år 1992 Charles Bowman vid Los Alamos National Laboratory till att utveckla idén om acceleratorbaserade = kärnkraftverk, som kan utnyttja långlivat kärnavfall som bränsle.
Fissionsprodukter
Den nuvarande reaktorbaserade kärnkraftverken i 1000 MW-klassen generar drygt 300 kg långlivat aktinidavfall (dvs kärnor tyngre än uran) per år. Därtill produceras drygt 100 kg fissionsprodukter, varav ca hälften är kortlivat, och därigenom inte kräver av slutförvaring för oöverskådligt långa tidsrymder. I det acceleratorbaserade systemet skulle alla aktinider drivas till fission så att hela avfallet består av fissionsprodukter.
Största delen av de producerade långlivade fissionsprodukterna transmuteras snabbt till kortlivade genom neutroninfångningsreaktioner och därpå följande -sönderfall i det intensiva neutronflödet från spallationsreaktionerna. Exempel är technetium-99 och jod-129 som transmuteras till de stabil isotoperna ruthenium-100 och xenon130. De enda fissionsprodukterna, som har för små neutroninfångningssannolikheter för att transmuteras till stabila isotoper är strontium-90 och cesium137, men dessas livslängd är bara 30 år, och de kräver därför slutförvaring för bara något halvsekel.
Förutom aktinidavfall kan (och bör) ett acceleratorbaserat kärnkraftverk också utnyttja sedvanligt kärnbränsle — dvs uran. Då bränslekvaliteten i detta fall inte är någon avgörande faktor behöver uranbränslet inte anrikas i den sällsyntare isotopen U235, vilket bl.a. har den fördelen av länken till kärnvapentekniken, som bygger på anrikat uran bryts. Men ett mer intressant perspektiv är också att thorium (Th) kan utnyttjas som kärnbränsle i ett acceleratorbaserat kärnkraftverk. I detta fall pumpas thorium genom moderatorn där i neutronflödet isotopen Th232 övergår till Th233 som sönderfaller till protactinium, och vidare till U233, som är ett fissilt kärnbränsle.
Thorium är ett vanligt förekommande ämne — det finns i genomsnitt 12 g thorium per ton i jordskorpan, medan blott 4 g uran per ton. Det sammanlagda energiinnehållet i dessa thorium- och nranmängder skulle i teorin kunna täcka ett elkonsumtionsbehov som är 100 ggr större än det 1 USA 1992 för flere miljoner år. Det är också intressant att jämföra detta med den teoretiska energimängd som kan tänkas utvinnasifusionsbaserade kärnkraftverk. Sådana utnyttjar den energi som frigörs vid fusion av deuterium och radioaktivt tritium. Tritium produceras genom protonbestrålning av litium (6Li). Fusionsenergiteknikens totala energiresurs begränsas därför av tillgången på litiummineral. Litium är i själva verket ett ganska sällsynt ämne — det finns i genomsnitt bara 5 g/ton litium 1 jordskorpan. Därigenom är i själva verket den teoretiska fusionsenergiresursen bara lika stor som den fissionsenergiresurs som kan utnyttjas i acceleratorbaserade kraftverk.
Protonacceleratorn
Det centrala elementet i ett acceleratorbaserat kärnkraftverk är en protonaccelerator med en strålenergi om 1.0 —- 1.6 GeV, och en strömtäthet ca 50 mA. Existerande protonacceleratorer med den erforderliga strålenergin har alla byggts för kärnfysikalisk grundforskning och deras strömtätheter är därför bara några få milliampére.
Att konstruera accelerator med större strömtäthet borde inte medföra några speciella tekniska svårigheter, även om givetvis tillförlitlighetskraven på en kraftverksaccelerator är mycket större än de som gäller acceleratorer som enbart används för grundforsk ning. Protonacceleratorn skulle vara av lineär typ, med en längddimension om 3500-1000 m. De kostnadsuppskattningar som har gjorts anger att en accelerator som uppfyller specifikationerna för ett 1000 MW kraftverk skulle belöpa sig till ca I miljard dollar. Kostnaden för den kärntekniska delen av ett acceleratorbaserat kraftverk uppskattas vara ungefär lika stor. Storleksordningen av dessa sammanlagda kostnader är ungefär densamma som för ett reaktorbaserat kärnkraftverk, och tekniken borde därför vara ekonomiskt bärkraftig.
Hittills gjorda överslagsberäkningar anger att ett acceleratorbaserat kärnkraftverk skulle vara konkurrenskraftigt. På grund av behovet av radiokemisk behandling av bridat bränsle och av sådant långlivat kärnavfall, som skulle användas som delbränsle, är det uppenbart att småskaliga kraftverk skulle vara olönsamma. Ifall kostnaderna för förbehandling av det långlivade avfall som skall transmuteras kan påläggas dess producenter — dvs reaktorkraftverk och kärnvapenproducenter — minskar självfallet kostnaderna.
Det är uppenbart att en betydlig teknisk forskningsinsats behövs innan övergång från reaktorbaserad till acceleratorbaserad kärnkraft kan genomföras. Detta bör beaktas i den internationella — beslutfattningsprocess som för närvarande pågår om konstruktionen av ett internationellt fusionstekniklaboratorium.
Då den acceleratorbaserade fissionstekniken verkar vara ett mer realistiskt och tekniskt konkret alternativ, kan man fråga sig om det inte vore riktigt att en partiell ominriktning av de stora internationella — fusionsforskningsanslagen mot acceleratorbaserad fissionsteknik vore påkallad. Det föreligger i alla händelser både amerikanska och europeiska initiativ till konstruktion av prototypanläggnigar. Planerna är som vanligt längre hunna i USA, där 800 MeV protonacceleratorn LAMPEF i Los Alamos sannolikt kommer att utnyttjas för en testanläggning. 9
Dan Olof Riska är professor universitets institution för fysik. Artikeln baserar sig på hans föredrag på TFiF 18.10.
11