Grönarealisten

Det snackas en hel del om torium som kärnbränsle och dess fördelar så det vore kanske på sin plats att skriva ett inlägg om torium. Tyvär så presenteras torium på ett lite olyckligt sätt, torium har flera fördelar jämfört med uran men det har även vissa nackdelar och man kan inte bli av med hela avfallsproblemet så som ofta påstås.

Vad är Torium då? Precis som uran är torium en svagt radioaktiv grundmetall men torium har betydligt längre halveringstid, 14 miljarder år istället för urans 4,5 miljarder år. Eftersom uran är totalt harmlöst/1/ ur strålningssynpunkt (oavsett vad depleted uranium fanatikerna försöker påskinna) så är torium också harmlöst strålningsmässigt. Däremot så är torium en tungmetall och ingen tungmetall är nyttig att få i sig.

Till skillnad från uran så finns det ingen naturligt förekommande isotop av torium som är fissil (se här för ordförklaring). Det finns överhuvudtaget i princip bara en naturligt förkommande isotop av torium och det är torium-232, några andra finns i spårmängder men det är försumbart. Däremot så är torium fertil, dvs genom att fånga in en neutron kan torium omvandlas till uran-233 som är fissilt. För att använda torium i en kärnreaktor så måste man alltså tillföra något fissilt material som producerar de neutroner som behövs för att konvertera det fertila toriumet till fissilt uran. Hur effektiv konversionen är beror helt och hållet på reaktortypen.

Huvudfördelen med torium verkar vid första anblicken vara att det producerar mindre långlivat avfall. Som jag skrivit om tidigare så är det aktiniderna som är det stora problemet vid långvarig förvaring. Speciellt då plutonium, americium, neptunium, curium. De tyngre aktiniderna produceras genom upprepade neutroninfångningar.
uran-238+n->plutonium-239
plutonium-239+n->plutonium-240
plutonium-240+n->plutonium-241->betasönderfall->americium-241
osv....
Ju tyngre aktiniden är ju mindre mängd kommer skapas eftersom det krävs mer steg för att ta sig till den. Just därför är plutonium största avfallsproblemet eftersom det är "närmast" uran-238. Om vi då tänker på torium-232 så krävs det 7 neutroninfångningar för att den ens ska kunna komma till plutonium-239 som är första långlivade plutoniumisotopen. Det verkar alltså som att man slipper det långvariga problemet nästan helt och hållet om man kör sin reaktor enbart på uran-233/torium-232. Men då glömmer man att titta närmare på uran-233. För uran-233 är i sig hyffsat radioaktivt med en halveringstid på 159 000 år, ungefär en sjundedel så aktivt som plutonium-239.

Därför kan man inte stoppa in en torium-232/uran-233 mix som bränsle i dagens reaktorer och förvänta sig att inte får något långlivat avfall. Dagens reaktorer kan inte komplett fissionera bort allt uran-233 utan att man upparbetar bränslet. Därför kräver även toriumbränsle antingen en stor slutförvaring som med dagens bränsle eller en mindre slutförvaring men med upparbetning.

Men om vi ändå ska upparbeta avfallet så är inte heller uranbränslecykeln något större problem ur avfallssynpunkt, för i upparbetningen så separeras alla tunga aktinider ut och bränns i reaktorer. Upparbetning krävs alltså för att eliminera det långlivade problemet oavsett om vi använder torium eller uran. Toriumbränslecykeln blir dock förmodligen något lättare att hantera eftersom man har mindre mängd av de tyngre aktinider, speciellt aktiniden americium är ett problem eftersom det är knepigt att använda det som bränsle i reaktorer.

Det finns ändå ett intresse för toriumbränsle i dagens reaktorer, först och främst för att det finns en jävla massa torium på vår jord. 3-4 ggr så mycket som uran. Om man kan hitta någon ekonomisk fördel med att mixa in lite torium i dagens bränsle så kommer det förmodligen göras. På chalmers kärnteknikavdelning bedriver man just nu ett toriumprojekt(något jag kanske kommer göra magisterexamensarbete om till våren) och i Ryssland håller man så vitt jag vet på med att experimentera med det, i Indien är intresset stort eftersom Indien har stora toriumfyndigheter men nästan inget uran. Det finns förstås en liten risk att Indiens intresse kommer mattas nu när de får tillgång till uran från väst. Även i Norge finns det intresse för torium.



Toriums stora potential i mina ögon är med generation-4 kärnkraft. Speciellt då i saltsmältereaktorer, torium-232/uran-233 bränsle har en väldigt stor fördel gentemot uran-235/uran-238 eller plutonium-239/uran-238 bränsle och det är för att man kan breeda uran-233 i ett termiskt neutron spektrum. Det kanske inte säger så mycket om man inte förstår innebörden i orden. När man breedar så producerar man mer fissilt material än reaktorn konsumerar. Dvs för varje fissil atomkärna som klyvs så omvandlas mer än en fertil atomkärna till en ny fissil atomkärna! Reaktorn producerar mer fissilt material än den konsumerar.

Den viktigaste faktorn för att kunna breeda är hur många neutroner som frigörs vid fission jämfört med hur många neutroner som absorberas totalt sett i bränslet. Tänk på det för ett ögonblick, om vi ska breeda så innebär det att vi behöver en neutron för att orsaka en ny fission, sen minst ytterligare en till neutron för att omvandla en fertil atomkärna. Men vi måste vi även räkna med att lite neutroner alltid läcker ut ur reaktorn eller absorberas i strukturellt material osv. Det behövs därmed lite mer än 2 neutroner för att breeda. Mängden neutroner som frigörs per neutron absorberad beror på energin hos orginalneutronen som orsakar fission. I ett termiskt spektrum så är antalet neutroner som frigörs per absorption /2/
2.29st för uran-233
2.08st för uran-235
2.12st för plutonium-239
Det går inte minimera läckage och icke önskvärd absorption till så låga värden att det går att breeda med uran-235 eller plutonium-239. Överhuvudtaget så går det inte breeda med uran-235. Plutonium-239 däremot kan man breeda med ifall man har en reaktor med ett snabbt neutronspektrum där fler neutroner frigörs per fission jämfört med i termiskt spektrum. Men för uran-233 är det fullt möjligt att breeda termiskt! Breeda i termiska reaktorer är väldigt attraktiv då termiska reaktorer har många fördelar över snabba reaktorer. Inte minst är de generellt sett billigare att bygga, lättare att driva(stabilare) och de kräver en mycket mindre bränslemängd i härden.

I princip kan manbreeda även i lättvattenreaktorer bara de är designade på rätt sätt. Det har man redan demonstrerat i USA i Shippingport Light Water Breeder Reactor/3,4/. Tyvär vet jag inte ifall man kan göra det i de lättvattenreaktorer man har i drift idag utan större modifikationer, men om det går så vore det en intressant möjlighet.

Men all breeding kräver upparbetning, för även om man hela tiden har samma mängd fissilt material i härden (då konsumtion och produktionen balanseras perfekt) så kan man ändå inte köra reaktorn i evigheter. Materialet som innesluter bränslet i härden tar stryk av förhållandena i reaktorn och går tillslut sönder. Hög temperatur, tryck, neutronbestrålning osv, tar kål på vilket material som helst tillslut. Därför måste man plocka ut bränslet efter ett tag, upparbeta det och tillverka nytt bränsle innan man stoppar tillbaka det.

Den reaktortyp som verkar mest lovande för torium är utan tvekan saltsmältereaktorer som jag nämde tidigare, eller molten salt reactor som de kallas på engelska. Kommer från och med nu kalla den reaktortypen för MSR. I en MSR så är själva bränslet en saltförening av torium och floruid som hålls smält vid en temperatur över 500 grader. Som med alla andra bra reaktorideer så har de redan testats i USA under 50 och 60 talet /5/. Det finns i princip hur mycket som helst att skriva om MSR så jag ska behärska mig och skriva om det utförligt i ett senare blogginlägg.

Istället ska jag skriva lite om en annan attribut som ofta tas upp om torium, vapenfrågan. Det hävdas ofta att eftersom väldigt lite plutonium bildas i en toriumbränslecykel så är den bättre ur vapensynpunkt. I mina ögon är den nuvarande civila bränslecykeln "nog" bra ur vapensynpunkt, dvs plutoniumet som produceras är värdelös ur vapensynpunkt. Visst kan man i teori bygga ett vapen av det, men det blir dåligt och opålitligt. I toriumcykeln så bildas plutoniumet av ännu sämre kvalite och i väldigt små mängder, det finns därmed ingen tvekan om att ingen kan tänkas använda torium för att tillverka plutonium för vapensyften!

Men uran-233 i sig är utmärkt vapenmaterial och det innebär ett dilemma för toriumbränslecykeln. Ska man utnyttja toriumbränslecykeln till fullo så vill man ha ett bränsle som består av isotopiskt rent uran-233 och torium. Det är bäst för att minimera långlivat avfall och för termisk breedning. Men har man ett bränsle som består av isotopiskt rent uran-233 och torium så är det en smal sak att kemiskt separera ut uranet och använda det i ett vapen. Kritiska massan för uran-233 är låg, lite högre än för plutonium-239 men mycket lägre än för uran-235/6/, för att göra saker ännu värre så har uran-233 låg spontan fissionsaktivitet/7/, vilket, som namnet antyder, innebär att väldigt få neutroner produceras spontat, men det är just spontana neutroner som gör att plutoniumbomber är problematiska att bygga eftersom de kan initera kedjereaktionen för tidigt. Därför är det väldigt lätt att bygga en bomb av uran-233.

Det finns en liten räddande ängel och det är att det alltid kommer finnas uran-232 med i mixen, uran-232 har en stark gammastrålande dotter i sin sönderfallskedja vilket gör hantering besvärligt och farligt ifall man vill göra vapen. Men i slutändan är det ett hinder som kan överkommas utan stora svårigheter. Ska citera ett stycke ur referens 7.

We find that pressurized light-water-reactors fueled with LEU-thorium fuel at high burnup (70 MWd/kg) produce U-233 with U-232 contamination levels of about 0.4 percent. At this contamination level, a 5 kg sphere of U-233 would produce a gamma- ray dose rate of 13 and 38 rem/hr at 1 meter one and ten years after chemical purifica- tion respectively......

......However, just as it is possible to produce weapon-grade plutonium in low-burnup fuel, it is also practical to use heavy-water reactors to produce U-233 containing only a few ppm of U-232 if the thorium is segregated in target channels and discharged a few times more frequently than the natural-uranium driver fuel. The dose rate from a 5-kg solid sphere of U-233 containing 5 ppm U-232 could be reduced by a further factor of 30, to about 2 mrem/hr, with a close-fitting lead sphere weighing about 100 kg. Thus the proliferation resistance of thorium fuel cycles depends very much upon how they are implemented.

För att göra uran-233 ointressant ur vapensynpunkt kan man blanda ut det med uran-238 i bränslet vilket är trivialt att göra. Men då kommer man återigen få dras med problemet med att få en uppbyggnad av de tyngre aktiniderna och givetvis då alltså mer plutonium. Dessutom sätter man käppar i hjulet för möjligheten att breeda, men konversationen från torium till uran kommer ändå vara väldigt effektiv vilket gör det hela intressant trots att man inte får netto breeding.

Det hela handlar egentligen om att kompromissa för att få en bra balans mellan vapenspridningsrisken och avfallsminimering, som vanligt kommer även en politisk ingrediens in i det hela. I mina ögon vore det bäst att ha upparbetningsanläggningen på samma plats som kärnkraftverket och att sluta bränslecykeln på plats. Dvs tillverka bränsle, använda bränsle, upparbeta använt bränsle och tillverka nytt bränsle igen i en och samma anläggning kopplad till reaktorn. Till det syfter är MSR överlägset allt annat. Gör man så i västvärlden så ser jag ingen större risk för vapenspridning eftersom anläggningen kan bevakas och inga transporter sker, då är det fullt acceptabelt för mig iallafall att använda rent uran-233/torium-232 bränsle. Men i politiskt mindre stabila länder vore inte samma upplägg särskilt attraktiv! Så det är en fråga som måste lösas av politiker inte ingenjörer.

För att sammanfatta det jag skrivit om torium.

• Torium är utmärkt bränsle i mer avancerade reaktorer och har då potential att överträffa uran eftersom man ur det kan breeda uran-233 i termiska reaktorer. Det är dessutom fördelaktigt ur avfallssynpunkt ifall man upparbetar avfallet och sluter bränslecykeln.
• Torium är dessvärre inte jättemycket bättre ur avfallssynpunkt än uranbränsle om vi vill använda det i dagens reaktorer. Dessutom innebär det komplikationer för dagens reaktorer vilket begränsar mängden torium som kan blandas ner i bränslet. Om det är ekonomiskt fördelaktigt återstår att se.
• Torium eliminerar inte vapenrisken då uran-233 är utmärkt vapenmaterial, men med rätt blandning mellan torium och uran-238 så kan man producera bränsle som är bättre än enbart uran ur både avfallssynpunkt och för att minimera vapenspridning.
• Det finns väldigt gott om torium och precis som uran så finns det i stabila och pålitliga länder. Däremot så finns det inte torium i lika höga halter som uran. Men om man använder det i breederreaktorer så spelar halterna inte särskilt stor roll.

1.IAEA om uran There have been a number of studies of workers exposed to uranium (see question 8) and, despite some workers being exposed to large amounts of uranium, there is no evidence that either natural uranium or DU is carcinogenic.
2. "Introduction to nuclear reactor theory" John R. Lamarsh
3. Fuel Summary Report: Shippingport Light Water Breeder Reactor - Rev. 2
Data from the nondestructive (PIFAG) and destructive (ANL-E dissolution) examinations for fuel loading were compared to assess the accuracy of the PIFAG and to demonstrate breeding; results showed the Fissile Inventory Ratio (ratio of the fissile inventory at EOL versus beginning-of-life) was 1.01, which included fissile inventory gains in the reflector rods.
4. Light water breeder reactor artikel på atomicinsights.com
5. M. Rosenthal et al. Molten-Salt Reactors - History, Status, and Potential
6. http://en.wikipedia.org/wiki/Critical_mass är inte så förtjust i wikipedia referenser men den duger i detta fallet.
7. Jungmin Kang and Frank N. von Hippel Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32