Moderne atomkraftverk

Dette er fjerde av seks innlegg i en serie om atomkraft og atomvåpen. Du kan lese det forrige innlegget her og det neste innlegget her. Jeg skrev en tilsvarende serie i 2019. Den nye serien ble initiert av at MDG på sitt landsmøte i mars 2021 vedtok å være positive til atomkraft, som beskrevet i det første innlegget.

Mange mener at atomkraft møter motstand fordi dagens lettvannsreaktorer har innebygde svakheter. De er veldig kostbare å bygge og å dekommisjonere (demontere etter endt bruk), det tar lang tid å bygge dem, de bruker uranbrenselet lite effektivt, det har vært flere alvorlige ulykker med dem, de genererer mye farlig avfall som vi enda ikke har en endelig løsning for, og de bidrar til spredning av atomvåpen. Disse svakhetene har fått mange til ikke å ville satse på atomkraft. Noen vil satse på andre typer atomkraftverk som de mener at ikke har disse innebygde svakhetene. Disse alternativene blir gjerne omtalt som moderne og avanserte atomkraftverk. Et eksempel er MDG som vil satse på 'Moderne reaktorteknologi', riktignok uten å konkretisere hva 'moderne' er. 

Sammendrag

Nesten alle atomreaktorene som er i drift og under bygging i dag, er lettvannsreaktorer. De bruker vanlig vann som kjølemiddel og moderator. Kjølemiddelet overfører varmen fra atombrenselet til den delen av reaktoren som produserer dampen som driver de strømgenererende turbinene. Moderatoren reduserer hastigheten til nøytronene som frigjøres i fisjonsprosessen slik at de kan generere nye fisjoner. (Fisjon er her spalting av atomkjerne). De alternative reaktortypene bruker andre medier som kjølemiddel og moderator. Noen av dem bruker ikke moderator og de kalles derfor hurtigreaktorer. Det er misvisende å kalle disse alternativene for moderne fordi konseptene som de bygger på, som oftest er mange tiår gamle og har blitt forsket på og prøvd tidligere.

Det hevdes at noen av de alternative reaktortypene kan bruke dagens radioaktive avfall som brensel. Disse kalles formeringsreaktorer. Det krever imidlertid en kostbar og farlig behandling av avfallet først, og bare en liten del av det kan gjenbrukes. 

De alternative reaktortypene har, sammenlignet med lettvannsreaktorene, fordeler på hver sine områder, men de har også sine ulemper på hver sine områder. Totalt sett har ingen av dem fordeler som forsvarer risikoen forbundet med dem.

Anriking av uran

Naturlig uran inneholder hovedsaklig uranisotopen U-238 og mindre enn 1 prosent av isotopen U-235. Uranet må anrikes før det kan brukes som brensel i atomreaktorer eller som basis for atomvåpen. Anriking vil si å fjerne tre nøytroner i noen av U-238 atomene som da blir uranisotop U-235.  Atombrenselet i lettvannsreaktorer inneholder cirka 3 prosent U-235. Atombrenselet i mange av alternativene til lettvannsreaktorene inneholder mellom 10 og 20 prosent U-235. Som materiale for våpenproduksjon må uranet anrikes ytterligere. Anriking av uran er en komplisert prosess. Jo mer anriket brenselet til en atomreaktorer er, jo mer fristende er det å stjele det eller misbruke det til våpenproduksjon.

Plutonium i brukt atombrensel

Plutonium dannes i atomreaktorer når uranisotopen U-238 fanger inn et nøytron og på den måten omdannes til plutoniumisotopen Pu-239. I atomreaktoren dannes det også andre atomer med høyere atomtall enn uran. Disse kalles transuraner. De finnes ikke ute i naturen, og de er radioaktive. Plutonium kan brukes til å lage atomvåpen og det kan brukes som brensel i formeringsreaktorer. Dagens brukte atombrensel inneholder omkring 1 prosent plutonium.

Brukt atombrensel er veldig radioaktivt. I de første tiårene dominerer strålingen fra fisjonsproduktene, dvs. fra atomene som uranatomene ble spaltet til. Etter omkring hundre år dominerer strålingen fra transuranene.

Det brukte atombrenselet kan reprosesseres. Da blir fisjonsprodukter, ubrukt uran og plutonium separert fra det brukte brenselet. Uranet kan gjenbrukes som brensel. Plutoniumet kan også brukes som brensel i noen reaktortyper. Det resterende avfallet blir mindre farlig enn det var og dermed enklere å langtidslagre. Reprosesseringen har imidlertid to store ulemper. Brenselet som lages, koster mer enn brensel som lages på vanlig måte fra uranmalm. Den største ulempen er imidlertid at plutoniumet som utvinnes, kan komme på avveie og føre til spredning av atomvåpen.

USA reprossesserer ikke sitt brukte atombrensel. De legger vekt på kostnad og sikkerhetsrisiko. Storbritannia gjør det og har nå store lagre med plutonium ved Sellafield. Det kan brukes som brensel i fremtidige formeringsreaktorer og til produksjon av atomvåpen.

Lettvannsreaktorer

De aller fleste kommersielle atomreaktorer i dag er lettvannsreaktorer. De bruker vanlig vann som kjølemiddel og moderator. Lettvannsreaktorene bruker anriket uran som brensel. De er lite effektive og nyttiggjør seg mindre enn en prosent av uranressursen. En lettvannsreaktor på 1 GW gir cirka 25 tonn brukt brensel per år. Dette avfallet må på en eller annen måte håndteres, noe ingen land så langt har laget en endelig løsning for.

Formeringsreaktorer

Mange bruker det engelske ordet breeder-reaktor i stedet for det norske ordet formeringsreaktor. SNL (Store Norske Leksikon) har en god beskrivelse av reaktortypen.

En formeringsreaktor produserer mer spaltbart materiale enn det forbruker. Det nyttiggjør seg typisk 60 prosent av uranressursen, noe som var veldig interessant for noen tiår siden da en trodde at verdens uranressurser snart ville bli en begrensning. Men mye nytt uran ble funnet, så det argumentet er ikke viktig lenger.

Formeringsreaktorer kan bruke avfallet fra lettvannsreaktorer som brensel etter at det er reprosessert. 

SNL skriver at 'Dagens formeringsreaktorer er imidlertid både kostbare og teknisk utfordrende. Flere demonstrasjonsanlegg er bygd rundt omkring i verden, og noen av dem har også vært i kommersiell drift.' To av de mest kjente ble utviklet i Frankrike på 1970-tallet. De er begge tatt ut av drift pga. tekniske og sikkerhetsmessige problemer.

Sellafield og PRISM reaktoren

Fred Pearce skrev en god artikkel om formeringsreaktorer i The Guardian i juli 2012. Brukt atombrensel er et stort problem som på en eller annen måte må håndteres. Plutonium har en halveringstid på over 24 tusen år, så problemet vil ikke forsvinne av seg selv. Et alternativ er å lagre avfallet i permanente geologiske lagre. Et annet alternativ er å reprosessere det brukte brenselet og så bruke plutoniumet som brensel i formeringsreaktorer. Da blir en kvitt plutoniumet samtidig som en nyttiggjør energien i det. 

En formeringsreaktor kan kjøres i flere modier. Den kan prioritere å bruke eksisterende plutonium, å maksimere energiproduksjonen eller å lage nytt plutonium. Storbritannia har nok plutonium i Sellafield til å dekke sitt behov for elektrisk kraft i 500 år ved bruk av formeringsreaktorer.

Fred Pearce beskriver formeringsreaktoren PRISM som General Electric / Hitachi satser på. En fremtidig PRISM reaktor i Sellafield kan bruke av de 120 tonn plutonium som er lagret der. Fred Pearce er åpen om at mange er skeptiske til det, men han mener at det er fornuftig å satse på dette.

The Bulletin of Atomic Scientists skrev i april 2020 om problemet med plutoniumet og annet avfall ved Sellafield. Mengden plutonium der har nå vokst til 139 tonn, som er nok til å produsere titalls tusen atomvåpen. De skriver at myndighetene i mars 2019 ga opp PRISM reaktoren som et alternativ for å bli kvitt og/eller nyttiggjøre seg plutoniumet. De skriver at plutoniumet på Sellafield er et problem og ikke en ressurs, og at myndighetene så raskt som mulig må basere seg på en løsning som de vet vil fungere. Det vil i praksis si å lagre det i permanente geologiske lagre.

Union of Concerned Scientists (UCS) om alternativer til lettvannsreaktoren

UCS publiserte i mars 2021 rapporten 'Advanced Isn’t Always Better'. Det er en fyldig rapport på 138 sider som går gjennom alternativene til lettvannsreaktoren. De deler alternativene inn i tre hovedgrupper. 

1. Natriumkjølt hurtigreaktor (Sodium-Cooled Fast Reactors). SNL gir en god beskrivelse av disse reaktorene. Kjølemiddelet er flytende natrium som ikke bremser nøytronene slik vann gjør, som betyr at reaktoren ikke bruker moderator. Reaktoren kan være formeringsreaktor. Natrium er et metall. Flytende metall ble brukt som kjølemiddel før vanlig vann ble brukt, så konseptet er ikke nytt.
   
   Flytende natrium kan brenne hvis det kommer i kontakt med vann eller luft. Under uheldige omstendigheter kan det eksplodere. Det er m.a.o. et mye farligere kjølemiddel enn vann.
   
   
2. Høytemperaturreaktor (High-Temperature Gas Cooled Reactors).  SNL gir en god beskrivelse av disse reaktorene. Helium er kjølemiddelet og grafitt er moderator. En ulempe med gass som kjølemiddel er at det krever høyt systemtrykk for å oppnå tilstrekkelig varmeopptak. Siden 1960 er det bygget fem demonstrasjonsreaktorer.
   
   Sammenlignet med lettvannsreaktorer bruker høytemperaturreaktorer brenselet mindre effektivt, brenselet må anrikes til et høyere nivå, og det genereres mer radioaktivt avfall. Det må forskes mer for å kunne si om høytemperaturreaktorer er sikrere enn lettvannsreaktorer.
   
   
3. Saltsmeltereaktorer (Molten Salt Fueled Reactors). SNL gir en god beskrivelse av disse reaktorene. Kjølemiddelet er en flytende saltblanding. Brenselet, som kan være basert på uran eller thorium, er oppløst i saltblandingen. Reaktoren kan være en formeringsreaktor. Teknologien ble utviklet for mer enn 50 år siden, og det er bygget noen få prototyper.
   
   I saltsmeltereaktorer er brenselet allerede smeltet, og nedsmelting er i følge reaktortypens forkjempere derfor ikke aktuelt. Men hvis kjølingen svikter, kan reaktoren ødelegges på minutter. Det største sikkerhetsproblemet er at det dannes store mengder radioaktive gasser som må fanges opp og lagres.
   
   Saltsmeltereaktorer bruker brenselet mer effektivt enn lettvannsreaktorer, og de produserer mindre radioaktivt avfall. Men disse fordelen er ikke stor nok til å veie opp for den økte sikkerhetsrisikoen omtalt over.

UCS går systematisk gjennom disse tre hovedgruppene med sine undergrupper. Reaktorene vurderes ut fra tre brede kriterier. De er sikkerhet, bærekraft og hvilken fare de representerer mht. spredning av atomvåpen og kjernefysisk terrorisme. Bærekraft i denne sammenhengen er problematikk rundt avfallet og hvor effektivt reaktoren bruker brenselet. UCS vurderer ikke økonomi, fordi økonomien er veldig usikker for nye reaktortyper som ikke er bygget kommersielt.

Det er misvisende å hevde at noen reaktor kan brenne eller bruke betydelige deler av eksisterende avfall. De kan brenne bare en liten del av det, og å skille ut den delen øker risikoen for spredning av atomvåpen.

Land som har fasiliteter for å anrike uran til lettvannsreaktorer, kan bruke fasilitetene til å produsere uran til våpenproduksjon. Men det vil være enkelt å oppdage og det vil ta litt tid. Men land som har fasiliteter til å reprossessere brukt brensel, kan enkelt og raskt gjemme unna nok plutonium til å lage atomvåpen. Det vil ikke være så lett å oppdage, for de trenger bare å gjemme unna en liten del av plutoniumet. Resten, dvs. mesteparten, kan de bruke som brensel i formeringsreaktorer.

Brukt atombrensel er veldig radioaktivt og det lagres i tunge beholdere. Det er derfor godt beskyttet mot tyveri. Utvunnet plutonium derimot er lite radioaktivt og lett å frakte med seg. Reprosesseringen øker faren for spredning av atomvåpen til både land og terrororganisasjoner. 

Erfaringsmessig tar det mellom 10 og 19 år å lage en ny lettvannsreaktor. Det inkluderer planlegging, utvikling, bygging og igangkjøring. Det er ingen grunn til å tro at det vil gå raskere å bygge reaktorer som baserer seg på alternative konsepter som vi har liten erfaring med. For noen av konseptene må vi først lage prototyper, og for alle bør vi samle driftserfaringer fra fullskalareaktorer før det lages mange av dem. Alternativene vil m.a.o. komme for sent til å bidra betydelig til reduksjonene i utslipp av klimagasser som er nødvendige for å nå halvannengradersmålet.

Den korte konklusjonen til UCS er at ingen av de alternative reaktortypene er å foretrekke fremfor lettvannsreaktorene. De alternative reaktortypene har vært kjent lenge. 

For egen del vil jeg legge til at hvis en eller flere av alternativene til lettvannsreaktoren hadde vært betydelig bedre enn lettvannsreaktoren, ville mange av den eller de ha vært i kommersiell drift nå. Det er de ikke.

Synspunkter fra Mark Jacobson

Professor Mark Jacobsen ved Stanford University har i mange år argumentert for at de fornybare energikildene vind, vann og sol kan dekke verdens energibehov. Basert på arbeid som han og andre forskere har gjort i samarbeid med The Solutions Project publiserte han og medforfattere i 2018 en rapport som ganske detaljert forklarer hvordan dette kan gjøres i 139 land. Han avskriver bioenergi fordi landarealene trengs til andre formål. Han avskriver atomkraft fordi det tar for lang tid å bygge ny atomkraft og fordi det er både for farlig og for kostbart. 

Historisk har det tatt mellom 10 og 19 år fra en planlegger bygging av en ny atomreaktor til den begynner å levere strøm. Hvis en skal begynne med nye reaktortyper, vil det antagelig ta enda lenger tid. Å bygge ut ny vind- og solkraft tar bare noen få år. Klimasituasjonen er for alvorlig til at vi kan vente på ny atomkraft. 

I notatet Evaluation of Nuclear Power as a Proposed Solution to Global Warming, Air Pollution, and Energy Security går Jacobson grundig gjennom nye reaktortyper, inkludert små modulære reaktorer, uten at det endrer synspunktet hans. Han kommer m.a.o. til samme konklusjon som Union of Concerned Scientists.

Synspunkter fra Ole Christen Reistad

Energi & Klima publiserte i april 2021 et intervju med Ole Christen Reistad. Han har vært reaktorsjef på Kjeller-reaktoren som nå er under dekommisjonering. Han går gjennom mange av problemene med eksisterende atomkraft. På spørsmålet om det samme vil gjelde for nye reaktortyper svarer han todelt. Han sier at kraftverk som bygges i dag, er samme type vi har sett mange av, dvs. ikke noe nytt. Underforstått, hvorfor fortsetter vi med eksisterende reaktortype hvis det finnes noe som er mye bedre ? Videre svarer han: 'Mange som er sterke tilhengere av disse nye metodene [reaktortypene], hevder at de er helt vesensforskjellige fra de gamle. For oss som har jobbet med fissile materiale, radioaktivitet og strålevern, fremstår de verken som vesensforskjellige eller spesielt attraktive.' 

Han sier videre at 'Men vi må også erkjenne at disse såkalt nye konseptene likner veldig på det man har. Det er mange krevende sider ved dem sikkerhetsmessig. Hvis du er mest konseptorientert, vil de nok fremstå som helt fine. Men ser du for deg å ha disse inn i et reelt samfunn, en reell bruk, finner du raskt ut at mange av de problemene vi har strevd med de siste årene er de samme.'

Fusjonsreaktorer 50 år frem i tid

Dagens kommersielle reaktorer er fisjonsreaktorer. Der frigjøres energi når tunge atomer splittes. I en fusjonsreaktor frigjøres energi når lette atomer slår seg sammen. Det skjer i en plasma som må være ekstrem varm, minst 100 millioner grader Celcius. Det har vært forsket på fusjonsreaktorer i mer enn 50 år. 

Reistad tror at fusjonsreaktoren ligger 50 år frem i tid. Han sier at vi har trodd det samme i de siste 50 årene, dvs. at vi er ikke nærmere en realisering nå enn vi var for 50 år siden. Han moderer seg litt, og sier at den nå kanskje bare ligger 30 år frem i tid. Fysikerne Eirik Newth og Sunniva Rose spøkte om det samme i en Romkapsel-pod. Rose snakket om de store problemene med å håndtere plasmaen der fusjonen skjer. Hun tror og håper at vi vil klare det, og at det nå ligger 50 år frem i tid.