Dette blogindlæg undersøger, om thorium-atomkraft kan blive en sikker alternativ energiteknologi, der reducerer risikoen ved eksisterende uranreaktorer.
Atomkraftindustrien, der anvender uranfissionsreaktioner, er fortsat med at vokse ved at lægge vægt på 'økonomisk levedygtighed', selv efter Three Mile Island-ulykken og Tjernobyl-katastrofen. Efter Fukushima-ulykken i Japan har bekymringerne om sikkerheden dog spredt sig yderligere, hvilket har ført til en afmatning i dens momentum, hvor lande som Tyskland og Taiwan har annonceret politikker for udfasning af atomkraft. Midt i denne situation får én teknologi opmærksomhed: 'thoriumreaktoren', der genererer elektricitet ved hjælp af thorium i stedet for uran som nuklear fissionsreaktion. Thoriumreaktorer blev forsket i sammen med uranreaktorer indtil atomteknologiens tidlige dage i 1970'erne, men blev lagt på hylden på grund af de teknologiske og politisk-økonomiske forhold på den tid. Nu hvor uranreaktorer er i tilbagegang, er ulemperne ved thoriumreaktorer dengang blevet til fordele, hvilket bringer dem tilbage i rampelyset. Lad os undersøge principperne, egenskaberne, årsagerne til deres fornyede opmærksomhed og metoderne til at realisere thoriumreaktorer.
Thoriumreaktorer adskiller sig fundamentalt fra uranreaktorer, startende med det brændstof, de bruger, og følgelig er de reaktioner, der finder sted inde i reaktorkernen, også forskellige. Alt naturligt forekommende thorium findes som thorium-232 (²³²Th) med et massetal på 232. Når en neutron rammer en 232Th-kerne inde i reaktoren, absorberer kernen den og bliver til 233Th. Dette materiale er meget ustabilt og henfalder hurtigt til 233Pa. 233Pa henfalder derefter langsomt, med en halveringstid på omkring 27 dage, til 233U. Den resulterende 233U, med massetal 233, undergår fission selv med relativt lavenergi-neutroner, svarende til den 235U, der anvendes i uranreaktorer. Thoriumreaktorer genererer elektrisk energi fra den termiske energi, der produceres under denne fissionsproces af 233U.
Thoriumreaktorer tilbyder adskillige fordele i forhold til uranreaktorer. For det første er de globale thoriumreserver fire gange større end uranreserverne. Desuden kan uranreaktorer, mens de kun kan bruge 235U, som findes i ekstremt små mængder i naturen, udnytte hele den naturligt forekommende form, 232Th. Uranreaktorer producerer højaktivt radioaktivt affald, såsom plutonium, hvis toksicitet varer ved i titusinder af år, hvilket gør dets bortskaffelse til et stort problem. Thoriumreaktorer producerer dog ikke højaktivt radioaktivt affald. Det radioaktive affald, de genererer, mister sin toksicitet til niveauer, der kan sammenlignes med almindelige kulminer, inden for et par hundrede år.
Thoriumreaktorernes mest betydningsfulde egenskab er deres evne til automatisk at stoppe nukleare reaktioner under uforudsete ulykker som Fukushima-katastrofen. I uranreaktorer finder nuklear reaktion sted kontinuerligt, når urankerner, der absorberer neutroner, gennemgår fission og frigiver flere neutroner i en gentagende cyklus. Dette kaldes en 'kædereaktion'. I reaktionsprocessen i en thoriumreaktor produceres der dog færre neutroner end det antal, der oprindeligt blev introduceret. Med andre ord, medmindre der tilføres flere neutroner udefra, eller der frigives flere neutroner under reaktionen, stopper nuklear reaktionen.
For årtier siden, da man først forskede i thoriumreaktorer, blev deres egenskaber – at de ikke producerede højaktivt radioaktivt affald som plutonium og ophørte reaktioner uden neutrontilførsel – set som fatale mangler. Under den kolde krig var et af formålene med at bygge atomkraftværker at fremskaffe nukleare materialer som plutonium til atomvåben; thoriumreaktorer var langt fra dette mål. Desuden blev thoriumreaktorer – ude af stand til at opretholde deres egen reaktion og tilbøjelige til at lukke ned – fra den tids perspektiv, hvor effektivitet var den højeste værdi, klart opfattet som 'ringere teknologi' sammenlignet med uranreaktorer. Det blev dog senere klart, at selve fordelen ved uranreaktorer – deres evne til at opretholde en selvopretholdende kædereaktion – kunne udvikle sig til en katastrofe, når menneskelig kontrol gik tabt. Tjernobyl-ulykken i 1986 udsatte cirka 5 millioner mennesker i Rusland og Ukraine for stråling, mens Fukushima-katastrofen i Japan for et par år siden forårsagede næsten 800 dødsfald og fortsat truer vores fødevareforsyningssikkerhed. På grund af de farer ved uranreaktorer, der er blevet afsløret gennem årtier, blev den opfattede ulempe ved thoriumreaktorer til en fordel: 'sikkerhed'.
Fra et sikkerhedsmæssigt perspektiv er det en fordel, at reaktionen stopper, hvis neutronforsyningen afbrydes. Under normale forhold må reaktoren dog aldrig lukke ned. Der er undersøgt to primære metoder for at løse dette problem. Den første metode involverer brug af et blandet brændstof, der indeholder både thorium og uran eller plutonium, materialer, der traditionelt anvendes i eksisterende reaktorer. Uran og plutonium udsender flere neutroner, end de absorberer, hvilket let opretholder en kædereaktion. Dette kompenserer for neutroner, der går tabt under thoriums nukleare reaktionsproces. Denne tilgang har dog iboende begrænsninger. Selvom de er teknisk mindre udfordrende, er sådanne reaktorer ikke ægte thoriumreaktorer, men snarere et kompromissystem, en halvering mellem eksisterende uran/plutoniumreaktorer og thoriumreaktorer. Følgelig går mange af de iboende fordele ved thoriumreaktorer tabt. Fordelen ved hverken at bruge eller producere uran og plutonium realiseres ikke. Desuden, selvom graden af kædereaktion kan kontrolleres ved at justere blandingsforholdet, vil nuklearreaktionen i en blandet reaktor fortsætte på grund af neutroner, der frigives af kædereaktionen, selv i tilfælde af en ulykke. Med andre ord udnytter denne metode ikke fuldt ud fordelene ved en thoriumreaktor; den udnytter blot thorium, som ellers ikke ville være anvendeligt.
Den anden metode involverer en 'protonaccelerator'-tilgang, hvor protoner affyres ved høje hastigheder for at kollidere med metaller som wolfram, hvilket producerer store mængder neutroner til brug i nukleare reaktioner. En thoriumreaktor, der bruger denne metode, er yderst sikker, fordi hvis der sker en ulykke, og strømmen til protonacceleratoren afbrydes, stopper den nukleare reaktion gradvist. I 1995 foreslog den italienske fysiker Carlo Rubbia først denne metode, men den fik ringe opmærksomhed i årevis. At generere nok neutroner til at opretholde en stabil kædereaktion kræver en acceleratorudgang på cirka 1 GeV, hvilket kræver enorm effekt. Nuværende teknologi kæmper med at designe effektive acceleratorer, hvilket fører til en situation, hvor den strøm, der forbruges til at drive acceleratoren, næsten er lig med den effekt, der produceres af selve reaktoren. Det er et tilfælde, hvor kuren er værre end sygdommen. Derfor er udviklingen af en yderst effektiv accelerator en stor udfordring for protonacceleratortilgangen. På grund af denne metodes natur sker nuklear fission desuden via neutroner med ekstremt høj hastighed. I nuklear fissionsreaktioner udløst af højhastighedsneutroner produceres der snesevis af gange mere cadmium pr. masseenhed sammenlignet med reaktioner udløst af lavhastighedsneutroner. Cadmium er et klasse 1 kræftfremkaldende stof og et meget giftigt metal for mennesker.
I dag, hvor atomkraftindustrien står over for en krise, har vi undersøgt 'thoriumreaktorer' som en potentiel alternativ teknologi. Thoriumreaktorer, der bruger thorium i stedet for uran som nukleart brændstof og gennemgår en helt anden nuklear reaktionsproces, har fordele i forhold til konventionelle reaktorer. Der kræves dog stadig betydelig forskning for at kommercialisere thoriumreaktorer. Lande med rigelige thoriumreserver, såsom USA og Indien, fører an i forskningen i thoriumreaktorer. Især Indien forfølger aktivt eksport under navnet 'Advanced Heavy Water Reactor' (AHWR). På dette tidspunkt, hvor ikke kun atomkraft, men hele energiindustrien gennemgår en overgang, er seriøse overvejelser og forskning i thoriumreaktorer indsatsen værd.
