Innehållsförteckning
- Hur fungerar kärnreaktorer?
Varför används inte torium, ett potentiellt säkrare alternativ till uran, i kärnreaktorer?
Den banbrytande forskningen och utvecklingen inom kärnkraftsområdet utfördes med syftet att skapa kärnvapen. Eftersom klyvningen av torium inte producerar plutonium (ett av grundämnena som används i kärnvapen) som en biprodukt, tog uran, det dubbla kärnbränslet, företräde. Men nationer har äntligen börjat förstå säkerhetsaspekterna av torium som kärnbränsle och har börjat utveckla toriumbaserade kärnreaktorer.
Efter att nyligen ha tjatat på showen Tjernobyl
, jag befann mig djupt inne i Googles kaninhål och grävde i kärnreaktorernas mysterier och hur de fungerar. Jag upptäckte snart att den moderna mänskliga historien är fylld av kärnkraftsolyckor. Sedan starten av det allra första kärnkraftverket 1954 har det inträffat mer än 100 allvarliga kärnkraftsolyckor, som var och en har påverkat livet för tusentals – eller till och med miljoner! – människor och djur.
I kärnan av dessa olyckor är uran, grundämnet som används som det primära kärnbränslet i alla kärnreaktorer som byggts hittills. Till min förvåning fann jag dock att det faktiskt finns ett bättre och potentiellt säkrare alternativ till uran i form av thorium.
Det här fick mig att undra… Kan den långa listan över kärnkraftsolyckor och deras konsekvenser har undvikits genom att använda torium istället för uran?'.
Thorium sitter två ställen till vänster om uran i det periodiska systemet och har jämförbara egenskaper.
Hur fungerar kärnreaktorer?
Innan vi går runt och kastar anklagelser mot tidiga kärnkraftsforskare för med uran istället för torium, låt oss ta en snabb titt på hur kärnreaktorer fungerar.
Kärnreaktorer fungerar genom att utnyttja energi som frigörs under kärnklyvning, en kemisk reaktion där en större kärna delas i två eller tre mindre kärnor, vilket frigör en stor mängd t av värme och neutroner. Värmeenergin som frigörs vid fission används för att förånga vatten till ånga, som sedan används för att driva en turbin och omvandla termisk energi till elektricitet eller mekanisk energi. Enkelt, eller hur? Tja, hela processen är faktiskt mycket mer komplicerad än den verkar och kräver en hel del uppmärksamhet och expertis för att hantera säkert.
Fungerande i ett kärnkraftverk.
Koncentrerad på bara den kemiska sidan av saker, är anrikat uran ämnet (kärnbränsle) som genomgår klyvning i de flesta reaktorer (vissa kärnreaktorer använder MOX, en blandning av plutonium och någon form av uran, som kärnbränsle). Cirka 99 % av uranet som finns på jorden är 238U, icke -klyvbar isotop, medan mindre än 1% är 235U, den klyvbara och därmed mer värdefull uranisotop. Anrikat uran, genom implementering av tekniker som isotopseparation, innehåller en ökad procentandel av
235U i den totala blandningen.
Stanford University
SRS
Pib.gov
En fissionsreaktion börjar när anrikat uran bombarderas med en neutron. Vid nedslaget börjar 235U delas ner i mindre kärnor och släppa ut hög- energineutroner. Högenergineutronerna absorberas av andra 235U-atomer, vilket antänder en kedjereaktion inuti kärnreaktorn. En stor mängd termisk energi frigörs i processen, tillsammans med frigörandet av gammastrålning och ytterligare neutroner.
Mängden värmeenergi som produceras beror på hastigheten för dessa kedjade fissionsreaktioner. Att innehålla hastigheten och omfattningen av dessa kedjereaktioner drar också gränsen mellan en kärnreaktor och ett kärnvapen.
Den primära användningen av kärnenergi
Långt före utvecklingen av det första kärnkraftverket användes kärnenergi ursprungligen för destruktiva syften. Manhattan Project, ett vapenforsknings- och utvecklingsinitiativ beställt av den amerikanska regeringen, banade väg för användningen av kärnenergi genom att avslöja de första kärnvapnen. Manhattan-projektet grundades 1939 och skrämde världen med detonationen av det första kärnvapnet någonsin (en demonstration känd som Trinity-testet) 1945. En månad senare etablerade samma nation ytterligare kärnvapenens enorma destruktiva potential genom att ökända bombning av Hiroshima och Nagasaki, vilket effektivt avslutade Japans roll i andra världskriget.
Rädslan för en fiendenation som har sådana destruktiv förmåga ledde till att andra nationer som var inblandade i andra världskriget startade sin egen individuella forskning om kärnkraftsområdet. Det som följde var en ökning av produktionen av kärnvapen snarare än utvecklingen av kommersiell kärnenergi.
Sovjeten Unionen, Storbritannien, Frankrike och Kina, följt av Indien och Pakistan, har utvecklat kärnvapen under åren. Ett fåtal andra nationer, inklusive Nordkorea och Israel, tros också ha utvecklat kärnvapen. Ett annat land som utvecklade kärnvapen är Sydafrika, men de förstörde frivilligt alla sina kärnvapenlager och avbröt ytterligare produktion på 1990-talet.
Svampmoln bildades efter detonationen av det första framgångsrika kärnvapnet (Trinity-testet). (Fotokredit: United States Department of Energy/Wikimedia Commons)
Varför uran?
Anrikat uran kan innehålla en ökad procentandel av
235U, men den behåller också 238U i tecken betydande kvantiteter. 238U, vid absorbering av en av de högenergineutroner som flyter i reaktor, omvandlas till 239U innan det sönderfaller till andra radioaktiva föreningar, som t.ex. neptunium-239 och plutonium-239. Den senare av de två dotterprodukterna är det som fascinerade alla som arbetar med kärnenergi och framsteg.
NRC
Upptäckt precis runt klimaxen av andra världskriget, var forskare och nationer snabba att förstå den destruktiva potentialen hos plutonium-239. Atombomben som släpptes i Nagasaki var en plutonium-239-bomb kallad “Fat Man”, medan den som släpptes i Hiroshima var en uranium-235-bomb. Plutonium-239 har den minsta kritiska massan av alla kärnbränslen, vilket innebär att plutonium kan upprätthålla en kedjereaktion med minsta mängd materia.
Men nästan allt plutonium är konstgjort och endast en försumbar mängd kan utvinnas från jordskorpan. Den enda plats man hittar plutonium-239 i betydande mängder är inuti en kärnreaktor där uran-238 interagerar med neutroner. I USA har reaktorer vid Savannah River och Hanford etablerats för produktion av plutonium-239.
Å andra sidan producerar klyvningen av torium inte plutonium-239 som en biprodukt. Toriumbränslecykeln (visas ovan) börjar med omvandlingen av 232Th in i 233U genom en rad förfall. 233U fortsätter att spela rollen som kärnbränsle i dessa reaktorer. Toriumbränslecykeln producerar också plutonium, men den icke-vapenbara isotopen (plutonium-238). 233U kan också användas i kärnvapen, men närvaron av 232Th i blandningen förnekar dess kapacitet.
För att få ihop allt detta kan torium inte vapeniseras, vilket innebar att forskning och utveckling av uranreaktorer med dubbla ändamål uppmuntrades (och även finansierades) i flera nationer efter andra världskriget. Forskare som uttryckte sina åsikter och uppmuntran för toriumreaktorer avsattes antingen från sina respektive organisationer eller så avfärdades idéerna till förmån för urans militära användningar.
Uran vs torium som kärnbränsle
Förutom att det är ett icke-vapenbart kärnbränsle, överträffar torium uran på flera andra sätt också !
Thorium är tre gånger mer rikligt än uran och behöver inte upparbetas eller anrikas som uran-235. Uppskattningar förutspår att det finns tillräckligt med torium enbart i USA för att driva landet i ytterligare 1 000 år (vid landets nuvarande energinivå). Dessutom innehåller toriummalm en större andel torium än mängden uran som finns i dess respektive malm, vilket gör toriumbrytning mer kostnadseffektiv och miljövänlig.
När det gäller säkerhetsaspekter kommer toriumreaktorer att generera mindre kärnavfall än sina uranekvivalenter. Radioaktiviteten i deras kärnavfall förutspås också minska till säkra nivåer efter några hundra år, medan kärnavfall som produceras av nuvarande reaktorer förblir radioaktivt i
tusentals år. Detta minskar kostnaderna för att hantera det använda bränslet och avfallet.
Ännu viktigare, torium är ett bördigt material, men inte klyvbar. Fertila grundämnen genomgår inte klyvningsreaktioner på egen hand, men vid bestrålning i kärnreaktorer kan de omvandlas till klyvbart material. Detta innebär att toriumreaktorer kan stängas av nästan omedelbart genom att helt enkelt stänga av neutronkällan.
Slutord
Med flera kända och förutspådda fördelar jämfört med traditionella uranreaktorer, varför har inte världen sett toriumreaktorer regera? För med dygd kommer last!
Mycket forskning, praktiskt arbete och tester återstår fortfarande innan man byter till torium, tillsammans med kravet på kapital för licensiering och bränsletillverkning. Dessutom har ordet “kärnkraft” blivit synonymt med uran, så möjligheten till ett säkrare alternativ är obekant av massorna och till och med av vissa kärnkraftsmyndigheter.
Det finns dock ett visst hopp om förändring, eftersom många länder har påbörjat forskning och utveckling av toriumbaserade kärnreaktorer. Ledande från fronten är Indien, med en plan i tre steg för att tillgodose 30 % av landets elbehov med hjälp av toriumreaktorer år 2050, medan världen kan se sin första kommersiella toriumreaktor redan 2025. Andra länder som Kanada, Kina, Norge, Storbritannien och USA tar också ett steg mot att utnyttja toriums rena och säkrare kärnenergi.
Som för den fråga som ställdes tidigare — kunde konsekvenserna och skadorna från dessa många kärnkraftskatastrofer ha undvikits? Kanske ja. Kanske nej… men att gynna ett beprövat säkrare alternativ hade definitivt hjälpt!
Referenser
- Department of Energy (Länk 1)
Department of Energy ( Länk 2)
Georgia State University
Å andra sidan producerar klyvningen av torium inte plutonium-239 som en biprodukt. Toriumbränslecykeln (visas ovan) börjar med omvandlingen av 232Th in i 233U genom en rad förfall. 233U fortsätter att spela rollen som kärnbränsle i dessa reaktorer. Toriumbränslecykeln producerar också plutonium, men den icke-vapenbara isotopen (plutonium-238). 233U kan också användas i kärnvapen, men närvaron av 232Th i blandningen förnekar dess kapacitet.
För att få ihop allt detta kan torium inte vapeniseras, vilket innebar att forskning och utveckling av uranreaktorer med dubbla ändamål uppmuntrades (och även finansierades) i flera nationer efter andra världskriget. Forskare som uttryckte sina åsikter och uppmuntran för toriumreaktorer avsattes antingen från sina respektive organisationer eller så avfärdades idéerna till förmån för urans militära användningar.
Uran vs torium som kärnbränsle
Förutom att det är ett icke-vapenbart kärnbränsle, överträffar torium uran på flera andra sätt också !
Thorium är tre gånger mer rikligt än uran och behöver inte upparbetas eller anrikas som uran-235. Uppskattningar förutspår att det finns tillräckligt med torium enbart i USA för att driva landet i ytterligare 1 000 år (vid landets nuvarande energinivå). Dessutom innehåller toriummalm en större andel torium än mängden uran som finns i dess respektive malm, vilket gör toriumbrytning mer kostnadseffektiv och miljövänlig.
När det gäller säkerhetsaspekter kommer toriumreaktorer att generera mindre kärnavfall än sina uranekvivalenter. Radioaktiviteten i deras kärnavfall förutspås också minska till säkra nivåer efter några hundra år, medan kärnavfall som produceras av nuvarande reaktorer förblir radioaktivt i
tusentals år. Detta minskar kostnaderna för att hantera det använda bränslet och avfallet.
Ännu viktigare, torium är ett bördigt material, men inte klyvbar. Fertila grundämnen genomgår inte klyvningsreaktioner på egen hand, men vid bestrålning i kärnreaktorer kan de omvandlas till klyvbart material. Detta innebär att toriumreaktorer kan stängas av nästan omedelbart genom att helt enkelt stänga av neutronkällan.
Slutord
Department of Energy ( Länk 2)
Med flera kända och förutspådda fördelar jämfört med traditionella uranreaktorer, varför har inte världen sett toriumreaktorer regera? För med dygd kommer last!
Mycket forskning, praktiskt arbete och tester återstår fortfarande innan man byter till torium, tillsammans med kravet på kapital för licensiering och bränsletillverkning. Dessutom har ordet “kärnkraft” blivit synonymt med uran, så möjligheten till ett säkrare alternativ är obekant av massorna och till och med av vissa kärnkraftsmyndigheter.
Det finns dock ett visst hopp om förändring, eftersom många länder har påbörjat forskning och utveckling av toriumbaserade kärnreaktorer. Ledande från fronten är Indien, med en plan i tre steg för att tillgodose 30 % av landets elbehov med hjälp av toriumreaktorer år 2050, medan världen kan se sin första kommersiella toriumreaktor redan 2025. Andra länder som Kanada, Kina, Norge, Storbritannien och USA tar också ett steg mot att utnyttja toriums rena och säkrare kärnenergi.
Som för den fråga som ställdes tidigare — kunde konsekvenserna och skadorna från dessa många kärnkraftskatastrofer ha undvikits? Kanske ja. Kanske nej… men att gynna ett beprövat säkrare alternativ hade definitivt hjälpt!
Referenser
- Department of Energy (Länk 1)
, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, , ,