Dette blogginnlegget undersøker om thoriumkjernekraft kan bli en trygg alternativ energiteknologi som reduserer risikoen ved eksisterende uranreaktorer.
Kjernekraftindustrien, som benytter uranfisjonsreaksjoner, har fortsatt å vokse ved å vektlegge «økonomisk levedyktighet» selv etter Three Mile Island-ulykken og Tsjernobyl-katastrofen. Etter Fukushima-ulykken i Japan har imidlertid bekymringene rundt sikkerheten spredt seg ytterligere, noe som har ført til en nedgang i momentumet, med land som Tyskland og Taiwan som har annonsert utfasing av kjernekraft. Midt i denne situasjonen får én teknologi oppmerksomhet: «thoriumreaktoren», som genererer elektrisitet ved hjelp av kjernefysjonsreaksjonen med thorium i stedet for uran. Thoriumreaktorer ble forsket på sammen med uranreaktorer frem til kjernekraftteknologiens tidlige dager på 1970-tallet, men ble lagt på hylla på grunn av de teknologiske og politisk-økonomiske forholdene på den tiden. Nå som uranreaktorer er i tilbakegang, har ulempene med thoriumreaktorer den gang blitt til fordeler, noe som bringer dem tilbake i søkelyset. La oss undersøke prinsippene, egenskapene, årsakene til deres fornyede oppmerksomhet og metodene for å realisere thoriumreaktorer.
Thoriumreaktorer skiller seg fundamentalt fra uranreaktorer, først og fremst med brenselet de bruker, og følgelig er reaksjonene som skjer inne i reaktorkjernen også forskjellige. Alt naturlig forekommende thorium finnes som thorium-232 (²³²Th) med massetall 232. Når et nøytron treffer en 232Th-kjerne inne i reaktoren, absorberer kjernen det og blir til 233Th. Dette materialet er svært ustabilt og henfaller raskt til 233Pa. 233Pa henfaller deretter sakte, med en halveringstid på omtrent 27 dager, til 233U. Den resulterende 233U, med massetall 233, gjennomgår fisjon selv med relativt lavenergi-nøytroner, likt 235U som brukes i uranreaktorer. Thoriumreaktorer genererer elektrisk energi fra den termiske energien som produseres under denne fisjonsprosessen av 233U.
Thoriumreaktorer tilbyr flere fordeler fremfor uranreaktorer. For det første er globale thoriumreserver fire ganger større enn uranreserver. Videre, mens uranreaktorer bare kan bruke 235U, som finnes i ekstremt små mengder i naturen, kan thoriumreaktorer utnytte hele den naturlig forekommende formen, 232Th. Uranreaktorer produserer høyaktivt radioaktivt avfall, som plutonium, hvis giftighet vedvarer i titusenvis av år, noe som gjør avhending av det til et stort problem. Thoriumreaktorer produserer imidlertid ikke høyaktivt radioaktivt avfall. Det radioaktive avfallet de genererer mister sin giftighet til nivåer som kan sammenlignes med vanlige kullgruver i løpet av noen hundre år.
Den viktigste egenskapen til thoriumreaktorer er deres evne til automatisk å stoppe kjernefysiske reaksjoner under uforutsette ulykker som Fukushima-katastrofen. I uranreaktorer skjer kjernefysisk reaksjon kontinuerlig når urankjerner som absorberer nøytroner gjennomgår fisjon, og frigjør flere nøytroner i en repeterende syklus. Dette kalles en «kjedereaksjon». I reaksjonsprosessen til en thoriumreaktor produseres imidlertid færre nøytroner enn antallet som opprinnelig ble introdusert. Med andre ord, med mindre flere nøytroner tilføres utenfra eller flere nøytroner frigjøres under reaksjonen, stopper kjernefysisk reaksjon.
For flere tiår siden, da man først forsket på thoriumreaktorer, ble deres egenskaper – å ikke produsere høyaktivt radioaktivt avfall som plutonium og opphøre reaksjoner uten nøytrontilførsel – sett på som fatale svakheter. Under den kalde krigen var et formål med å bygge kjernekraftverk å skaffe kjernefysiske materialer som plutonium til atomvåpen; thoriumreaktorer var langt unna dette målet. Dessuten, fra et perspektiv på den tiden, hvor effektivitet var den høyeste verdien, ble thoriumreaktorer – som ikke var i stand til å opprettholde sin egen reaksjon og utsatt for å stenge ned – tydelig oppfattet som «dårligere teknologi» sammenlignet med uranreaktorer. Imidlertid ble det senere tydelig at selve fordelen med uranreaktorer – deres evne til å opprettholde en selvopprettholdende kjedereaksjon – kunne bli til en katastrofe når menneskelig kontroll gikk tapt. Tsjernobyl-ulykken i 1986 utsatte omtrent 5 millioner mennesker i Russland og Ukraina for stråling, mens Fukushima-katastrofen i Japan for noen år siden forårsaket nesten 800 dødsfall og fortsetter å true sikkerheten til matforsyningen vår. På grunn av farene ved uranreaktorer som har blitt avslørt over flere tiår, ble den oppfattede ulempen ved thoriumreaktorer til en fordel: «sikkerhet».
Fra et sikkerhetsperspektiv er det faktisk en fordel at reaksjonen stopper hvis nøytrontilførselen avbrytes. Under normale forhold må imidlertid reaktoren aldri stenges av. To primære metoder har blitt undersøkt for å løse dette problemet. Den første metoden innebærer å bruke et blandet brensel som inneholder både thorium og uran eller plutonium, materialer som tradisjonelt brukes i eksisterende reaktorer. Uran og plutonium avgir flere nøytroner enn de absorberer, og opprettholder lett en kjedereaksjon. Dette kompenserer for nøytroner som går tapt under thoriums kjernereaksjonsprosess. Denne tilnærmingen har imidlertid iboende begrensninger. Selv om de er teknisk mindre utfordrende, er slike reaktorer ikke ekte thoriumreaktorer, men snarere et kompromisssystem, en halvveis mellom eksisterende uran/plutoniumreaktorer og thoriumreaktorer. Følgelig går mange av de iboende fordelene med thoriumreaktorer tapt. Fordelen med å verken bruke eller produsere uran og plutonium realiseres ikke. Videre, selv om graden av kjedereaksjon kan kontrolleres ved å justere blandingsforholdet, vil kjernereaksjonen i en blandet reaktor fortsette på grunn av nøytroner som frigjøres av kjedereaksjonen, selv i tilfelle en ulykke. Med andre ord, denne metoden utnytter ikke fullt ut fordelene med en thoriumreaktor; den bruker bare thorium som ellers ikke ville vært nyttig.
Den andre metoden involverer en «protonakselerator»-tilnærming, der protoner avfyres med høye hastigheter for å kollidere med metaller som wolfram, og produsere store mengder nøytroner for bruk i kjernefysiske reaksjoner. En thoriumreaktor som bruker denne metoden er svært sikker fordi hvis en ulykke inntreffer og strømmen til protonakseleratoren kuttes, stopper kjernefysiske reaksjoner gradvis. I 1995 foreslo den italienske fysikeren Carlo Rubbia først denne metoden, men den fikk lite oppmerksomhet i årevis. Å generere nok nøytroner til å opprettholde en stabil kjedereaksjon krever en akseleratorutgang på omtrent 1 GeV, noe som krever enorm kraft. Dagens teknologi sliter med å designe effektive akseleratorer, noe som fører til en situasjon der kraften som forbrukes for å drive akseleratoren er nesten lik kraften som produseres av selve reaktoren. Det er et tilfelle av at kuren er verre enn sykdommen. Derfor er det å utvikle en svært effektiv akselerator en stor utfordring for protonakseleratortilnærmingen. Videre, på grunn av metodens natur, skjer kjernefysisk fisjon via ekstremt høyhastighetsnøytroner. I kjernefysjonsreaksjoner utløst av høyhastighetsnøytroner produseres det dusinvis av ganger mer kadmium per masseenhet sammenlignet med reaksjoner utløst av lavhastighetsnøytroner. Kadmium er et kreftfremkallende stoff i klasse 1 og et svært giftig metall for mennesker.
I dag, mens kjernekraftindustrien står overfor en krise, undersøkte vi «thoriumreaktorer» som en potensiell alternativ teknologi. Thoriumreaktorer, som bruker thorium i stedet for uran som kjernebrensel og gjennomgår en helt annen kjernereaksjonsprosess, har fordeler fremfor konvensjonelle reaktorer. Imidlertid er det fortsatt behov for betydelig forskning for å kommersialisere thoriumreaktorer. Land med rikelige thoriumreserver, som USA og India, leder an i forskningen på thoriumreaktorer. India, spesielt, forfølger aktivt eksport under navnet «Advanced Heavy Water Reactor» (AHWR). På dette tidspunktet, hvor ikke bare kjernekraft, men hele energibransjen gjennomgår en overgang, er seriøs vurdering og forskning på thoriumreaktorer vel verdt innsatsen.
