Kjernekraft og thorium
Artikkel om thorium som brensel i atomkraftverk.
Thoriumkraftverk, fysikkinnlevering (kap. 7).
FISJON I EN TENKT FREMTIDIG ATOMREAKTOR HVOR THORIUM BRUKES
Skriv en artikkel om hvordan et atomkraftverk hvor kjerneprosesser, energioverføringer og litt av det tekniske i en slik atomreaktor kommer fram. Prøv å få fram hvilke fordeler og ulemper et slik nytt kraftverk vil ha sett i lys av dagens urankraftverk.
Innhold:
1. Innledning
2. Kort innledende fakta om en tenkt fremtidig flytende fluorsalt-thorium-reaktor sett i lys av uran-reaktoren
3. Fakta/historie om grunnstoffet thorium
4. MSR-reaktoren (hovedtema) og teori for kjernefisjon
5. Energiforsterkeren
6. Kjernefisjon (MSR-reaktoren)
7. Konklusjon
MSR-reaktoren.
Energiforsterkeren.
Fremtidig kjernekraft ved bruk av thorium
”Norsk grunnstoff kan løse kraftkrisen” – ”Thorium, et nytt energieventyr”
Slik lyder overskriftene der thoriumbaserte kjernekraftverk blir diskutert og sammenlignet med dagens kraftverk. Thoriumkraftverk er en type kjernekraftverk der thorium blir benyttet som brensel i stedet for uran. Bruk av thorium i kraftverk har vært prøvd ut siden 1950-tallet, men har aldri blitt utviklet videre. Mange forskere mener at atomreaktorer som blir drevet av thorium er trygt, og at det løser mange av dagens problemer knyttet til kjernekraft. Det er for øvrig stor enighet om at teorien for fremtidige thoriumbaserte kjernekraftverk ser ut til å være langt bedre, billigere og ikke minst tryggere enn dagens kjernekraftverk.
Nobelprisvinneren og tidligere generaldirektør i det europeiske forskningssenteret for partikkelfysikk, CERN, Carlo Rubbia, foreslo allerede på nittitallet å bygge et thoriumkraftverk. EU støttet dette utviklingsarbeidet og det har blitt brukt store pengesummer på prosjektet. I flere år har CERN arbeidet med problemstillinger knyttet til byggingen av et kjernekraftverk basert på grunnstoffet thorium. De har så godt som avsluttet forskningen, da de mener at de har løst alle de viktigste problemene knyttet til bygging av en thoriumbasert smeltereaktor.
Det finnes flere tegninger og forslag til hvordan neste generasjons kraftverk skal være. En internasjonal ekspertgruppe ved navn ”The Generation IV International Forum” har fått oppgaven med å finne frem til former for reaktorer som kan erstatte dem vi har i dag. I denne artikkelen vil jeg beskrive deres lovende MSR (Molten salt reaktor), men jeg vil også trekke frem og bruke noen av Carlo Rubbia sine ideer og design av en tenkt thoriumreaktor. Tegninger av disse reaktorene er avbildet på side 2.
Glem uran?
Fakta om den fremtidige thoriumreaktoren sammenlignet med de eksisterende reaktorene:
Grunnstoffet thorium
Thorium er et svakt radioaktivt grunnstoff. Det ble oppdaget i 1828 av en svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius. Han gav grunnstoffet navnet thorium etter den norrøne guden Thor. Thorium finnes i små mengder i stein og jordsmonn. Forekomsten av thorium er høy, og det finnes omtrent tre ganger så mye thorium i verden enn det finnes uran.
Mineralet monazitt er et rødbrunt fosfat, som inneholder sjeldne jordmetaller. Monazitt er verdens viktigste kilde til thorium.
MSR-reaktoren (molten salt reactor)
Mange mener at smeltet salt er den tryggeste løsningen. 80% av alle atomkraftverk bruker i dag vann til å kjøle ned reaktorkjernen, men det finnes andre og bedre alternativer. I MSR reaktoren er atombrenselet løst opp i smeltet salt som samtidig fungerer som kjølemiddel. Nøytroner fra pågående fisjon av Uran-235 eller U-233 bestråler Thorium-232 for å fremstille ytterligere aktivt U-233 som kjernebrensel.
Denne flytende atomreaktortypen er det mest spennende forslaget blant de seks fra Generation IV International Forum (Her står det om alle de seks reaktorene). Kina er allerede i gang med å konstruere en thoriumdrevet MSR!
MSR-reaktoren blir noen ganger referert til som LFTR (liquid fluoride thorium reaktor).
Det er mange positive sider ved denne reaktortypen:
- Saltets egenskaper: Salt kan varmes opp til svært høye temperaturer uten å bli kjemisk ustabilt – det vil verken brenne eller eksplodere. En salt blanding som er spesielt lovende for denne type reaktor er litumfluorid- og beryliumfluoridsalt. Dette saltet tåler sterk bestråling, har høy varmekapasitet og et passende smeltepunkt (ca. 500 grader).
- Selvregulerende: Det som gjøre at denne atomreaktoren skiller seg ut er at den ikke kan smelte – for det har den gjort allerede. Det er ingen uranstaver som man må passe på. Dersom saltet blir for varmt, utvider det seg, og dermed øker avstanden mellom uranatomene. Dette betyr færre kjernereaksjoner og dermed også lavere varme. Atomreaktoren er altså som en termostat – den regulerer selv varmen opp og ned. Det er rett og slett genialt.
- Gasser og andre avfallsstoffer kan enkelt fjernes: Det vil ikke hope seg opp avfallsstoffer i reaktorkjernen slik som det kan gjøre i et urankraftverk. Dette betyr mer kontroll og at effektiviteten til reaktoren ikke blir redusert over tid.
- Sikkerhetssystem: Et genialt sikkerhetssystem fungerer på en litt annen måte en det som er vanlig. Istedenfor at et sikkerhetssystem må tre inn for å skru av reaktoren dersom det er behov for å skru den av raskt av, er det heller slik at sikkerhetssystemet alltid er aktivt, og at det hele tiden blir hindret fra skru av reaktoren. Dette betyr at hvis det er noe som er feil, er det ”sikkerhetssystemet” som hindrer sikkerhetssystemet. Konsekvensene av en slik feil blir at reaktoren skrus av, og det er bra. Rent teknisk fungerer den slik at en propp av størknet salt løses opp hvis det blir for varmt, og smeltesaltet forsvinner ned i lagertanker. Denne proppen trenger ikke strøm, tvert i mot. Proppen er fast bare så lenge en vifte sørger for å holde den kald. Dermed vil den smelte hvis strømmen går eller reaktoren blir overopphetet.
- Fungerer kun under normale omstendigheter: Kjedereaksjonene kan bare eksistere i en reaktorkjerne med helt konkrete dimensjoner. Hvis det går hull på kjernen, vil kjedereaksjonene stanses. Smeltesalt som lekker ut vil for øvrig spre seg og krystalliseres umiddelbart. Dette vil være lett å fjerne.
- Miljøgunstig (gjelder også andre thoriumreaktorer): I thoriumreaktoren kan plutonium brukes som brensel i stedet for eller sammen med thorium. Plutoniumet blir da omdannet til andre og mindre farlige stoffer. Thoriumkraftverket kan drives med kjernefysisk avfall fra vanlige kjernekraftverk, og brenner opp dette avfallet. Avfallet trenger ikke titusenvis av år med lagring slik som avfallet fra vanlige kjernekraftverk, men ”bare” 500 år.
Dette er de viktigste forskjellene mellom MSR-reaktoren og den tradisjonelle uran235-reaktoren. Strømmen produseres på samme måte som vanlig, bortsett fra at man bruker en ”mellomstasjon” mellom det radioaktive smeltesaltet og turbinen. Varmen overføres først til et nytt salt som holder på varme, og deretter til heliumgass som driver turbinen. Denne turbinen skaper strøm via en generator.
Energiforsterkeren
Dette er en reaktor som krever en akselerator, også kalt en syklotron. Den blir også kalt for Energy Amplifier (EA), Accelerator Driven System (ADS) eller Rubbia-reaktor.
Slik jeg har forstått det er hovedforskjellen mellom de to reaktorene at i MSR er det kjernefysiske brenselet fast eller løst opp i kjølemiddelet, mens i energiforsterkeren leder flytende bly varmen vekk fra reaktorkjernen. En annen forskjell er at MSR-reaktoren drives av seg selv (dvs. uten protonstråle), mens energiforsterkeren trenger en konstant strøm av protoner fra en syklotron. Et problem med energiforsterkeren er at det pr dags dato ikke finnes en kraftig nok syklotron, men forskere tror at det skal være mulig å lage en slik syklotron. Dette fungerer slik:
1. Akseleratoren bombarderer bly med protoner
2. Protonene løsriver nøytroner fra blykjernene
3. Nøytronene omdanner thorium til uran-233.
Reaktoren bruker altså flytende bly både som nøytronkilde og kjølemedium. Det flytende blyet inngår også i sikkerhetssystemet slik at det vil hindre protonstrålen i å treffe bly som er i nærheten av thorium dersom reaktoren skulle bli for varm. Et annet sikkerhetstiltak for denne reaktoren er at konstruksjonen skal ha god fjæring, og at den derfor skal tåle jordskjelv.
Kjerneprosesser – Thoriumreaktoren lager sitt eget brensel
Slik foregår syklusen til thorium i reaktoren. Det frigis energi i alle leddene, men hoveddelen av energien som tas ut fra en slik reaktor kommer fra fisjon av Uran-233. Thorium-232 absorberer et nøytron fra pågående fisjon av uran-233 og omdannes til thorium-233. Thorium-233 har en halveringstid på 22 minutter. Det henfaller til protaktinium-233 ved betastråling. Denne isotopen har en halveringstid på 27 dager og henfaller til uran-233. Kjernen i uran-233 fanger opp et nøytron og spaltes i to lettere grunnstoffer. Ved spaltingen blir det frigitt 198 MeV energi (1eV=1.60*10^(-19) J). Det sendes også ut to eller tre nøytroner.
Ulemper ved reaktoren:
- I denne syklusen er det uheldig at protaktinium-233 eller uran-233 tar til seg et ekstra nøytron og danner Pa-234 og U-234. Disse isotopene er vanskelige å bruke som brensel. Det arbeides med å lage systemer som fanger opp nøytroner slik at dette ikke skal skje.
- Pa-233 har en lang halveringstid -> lang brensel-syklus
- Det blir også produsert små mengder U-232 i denne syklusen. Denne Isotopen sender ut intens gammastråling og forsøpler brenselet slik at det blir vanskeligere å jobbe med.
Her er det en tabell som viser frigitt energimengde og hvor det kommer fra. Energibidraget fra strålingen og de såkalte antipartiklene kommer jeg ikke til å gå inn på i denne artikkelen.
|
Source |
Average energy released (MeV) |
|
Instantaneously released energy |
|
|
Kinetic energy of fission fragments |
168.2 |
|
Kinetic energy of prompt neutrons |
4.9 |
|
Energy carried by prompt γ-rays |
7.7 |
|
Energy from decaying fission products |
|
|
Energy of β−-particles |
5.2 |
|
Energy of anti-neutrinos |
6.9 |
|
Energy of delayed γ-rays |
5.0 |
|
Sum |
197.9 |
|
Energy released when those prompt neutrons which don't (re)produce fission are captured |
9.1 |
|
Energy converted into heat in an operating thermal nuclear reactor |
200.1 |
Det ΔE=ΔMc^2.
Den frigitte energien E er lik den manglede massen m multiplisert med lysets hastighet c i andre potens.
Gjennomsnittlig frigitt energi fra fisjon av Th-232.
Kjernefysisk fisjon (nukleær fisjon)
Fisjon foregår ved at tunge atomkjerner spaltes til lettere kjerner. Uran er et eksempel på et grunnstoff som kan brukes til dette formålet. Dersom en urankjerne blir truffet av et nøytron med riktig fart og vinkel, vil det fisjoneres. Kjernen vil spaltes i to mindre atomkjerner og nøytroner. Det som er nøkkelen her er at den samlede massen av produktene er mindre enn massen av den opprinnelige kjernen og nøytronet som traff den. Denne masseforskjellen utgjør den frigitte energien i kjernefisjonen og man kan regne den ut med Albert Einsteins berømte ligning:
I tradisjonelle kjernekraftverk brukes U-235 mens i thoriumreaktorene brukes det U-233. Disse isotopene fisjonerer ganske likt. Nedenfor er det et eksempel på fisjon av en U-235 kjerne. Det finnes flere grunnstoffer U-235 kjernen kan spaltes til (fisjonsprodukter). Utregningen av frigitt energi fra datterproduktene av Kr-92 og Ba-141 tas ikke med i denne utregningen.
0,185953 u * 1,66*10^(-27) = 3.0868198*10^(-28) kg
Efrigitt =
= 2,77813782*10^(-11) J = 173,6336138 MeV
Dette svaret er ikke den samlede energimengden som frigis, den samlede energimengden som frigis er litt høyere. Her ble U-235 brukt som eksempel, men det er en lignende energimengde som frigis fra U-233.
Konklusjon:
Det er en stor interesse for bygging av thoriumkraftverk sammenlignet med de eksisterende urankraftverkene. Men den generelle interessen for atomkraft er lav grunnet frykt for ulykker. Vi vet at dette har skjedd tidligere, og at skadeomfanget ved slike ulykker er enorme, også i ettertid. Det er derfor viktig at det blir lagt frem en trygg og energieffektiv reaktor. Da vil mange av motargumentene falle bort. Norge har enorme thoriumreserver. En kan si at Norge har både olje og god tilgang på fornybar energi. Men når vil oljeeventyret ta slutt? Norge har glimrende muligheter til å undersøke nye metoder til å lage kjernekraftverk, denne teknologien kan vi bruke selv, og selge til andre deler av verden. Jeg mener at Norge bør holde dørene åpne for å utvikle denne teknologien. Det finnes i hvert fall nok av gode grunner til å prøve ut dette i liten skala. Verden er ikke klar for å bygge den såkalte MSR-reaktoren i stor skala ennå. For å utvikle denne og andre reaktorer må det testes ut, og det er bare vilje og penger som står i veien. Det skal nevnes at byggingen høyst sannsynlig vil være en lønnsom innvestering dersom alt går som planlagt, og hvis reaktoren er så energieffektiv og trygg som det hevdes at den er. Det skal visstnok være nok thorium i verden til å dekke verdens energibehov i 10 000 år.
Utvinningen av energi og pengeutbyttet er enormt. Norge er opptatt av velstand og bærekraftig utvikling, er vi ikke? Oljen gir oss kortvarig velstand og lite bærekraftig utvikling. Norge har mye vannkraft som er tilgjengelig, og det er bra. Men det er allerede nå store diskusjoner knyttet til utbygging av vannkraftverk, og det er ikke bra når Norge har et økende energibehov. Mange andre land har liten tilgang på fornybar energi, og de bruker olje, kull og gass, ikke bare til kjøretøy, men også for å produsere elektrisitet! Dette er uheldig, og et thoriumkraftverk med liten skaderisiko og i tillegg små konsekvenser er en god konkurrent til dette.
Kilder:
http://www.bellona.no/nyheter/nyheter_2008/statens_stralevern_thorium_rapport 12.03.2012 kl: 17.00
http://no.wikipedia.org/wiki/Thorium 12.03.2012 kl: 17.00
http://www.aftenposten.no/fakta/innsikt/article1551180.ece#.T14h91GbQUo
12.03.2012 kl: 20.00
http://www.world-nuclear.org/info/inf62.html 13.03.2012 16.00
http://norskthorium.no/ 13.03.2012 16.00
http://www.apollon.uio.no/artikler/2006/thorium.html 13.03.2012 20.42
http://nn.wikipedia.org/wiki/Thoriumkraftverk 13.03.2012 20.42
http://peswiki.com/index.php/Directory:Thorium_Reactors 12.04.2012 16.33
http://alfin2100.blogspot.com/2010/04/thorium-energy-can-be-world-changer.html 12.04.2012 16.33
http://en.wikipedia.org/wiki/Uranium-233 13.04.2012 16.15
http://www.polytekniske.no/arkiv/2007-Klima_og_Energi/Thorium_KnutE_26092007_HiT.pdf
13.04.2012 16.20
Lærebok i fysikk 1 for VGS. Ergo, Aschehoug forlag
Gyldendals tabeller og formler i fysikk, 2.utgave
Atomnummer 90.
India vil drive atomkraftverk ved hjelp av små thoriumbriketter.
Dette bildet er fra en sjakt i Telemark. Det hvite mineralet er kalkspat, mens det svarte er niob (grunnstoff med atomnummer 41). Mellom kalkspaten og niobet befinner thoriumet seg. På et felt i Telemark, Fensfeltet, ligger en stor del av verdens thoriumreserver.
Legg inn din tekst!
Vi setter veldig stor pris på om dere gir en tekst til denne siden, uansett sjanger eller språk. Alt fra større prosjekter til små tekster. Bare slik kan skolesiden bli bedre!
Last opp tekst