Kjernekraftverk

Skrevet av Tormod Nag, tidligere ansatt Flekkefjord vgs.

Man grupperer gjerne kjernekraftverk i ulike generasjoner. De som bygges i dag er 3. generasjon. Et eksempel er Finnlands nye kjernekraftverk Okiluoto 3, forkortet til OL3. Det ble koblet til det finske strømnettet 12. mars i år, 13 år forsinket og 3 ganger dyrere enn først antatt. Forsinkelser og kostnads­økning skyltes hovedsakelig stadig strengere krav til sikkerhet. OL3 har dobbel reaktorinne­slutning, og skal kunne stå imot en styrtende Airbus A380, verdens største passasjerfly. Ulykkesreaktoren i Tsjernobyl hadde ingen reaktorinneslutning i det hele tatt. Hadde den hatt det, ville konsekvensene av ulykken vært helt annerledes.

Slik jeg ser det, er det overhodet ikke aktuelt å bygge 3. generasjons kjernereaktorer i Norge. Det blir for stort, for dyrt, det tar alt for lang tid å bygge, og Norge har ikke nødvendig kompetanse. Der er vel heller ingen som vil ha en slik koloss i  nærområde. Kjernereaktoren måtte også vært plassert i nærheten av tilstrekkelige mengder vann til kjøling.

3. generasjons kjernereaktor karakteriseres ved: 

  • Utnytter kun 5 – 7 % av energien i brenselet.
  • Bruker vann til kjøling. Arbeider under høyt trykk, ca 150 atmosfærer.
  • Mulig, men heldigvis svært liten eksplosjonsfare.
  • Avfallsproduktene må langtidslagres.
  • Produserer plutonium som kan brukes til produksjon av kjernefysiske våpen. Må bygges store for at det skal lønne seg i forhold til betydelige bygg-kostnader.

Det jobbes nå med å utvikle 4. generasjons kjernereaktorer. De karakteriseres ved:

  • Vil kunne bruke dagens høyradioaktive restavfall og brenne det så å si helt opp.
  • Kraftverkene vil kunne bli opp til 100 ganger mer effektive enn 3. generasjons kjernekraftverk.
  • Opererer under normalt trykk, 1 atmosfære. Ingen eksplosjonsfare.
  • Betegnes som "walk away safe". Betyr at hvis noe galt skulle skje, vil reaktoren stoppe av seg selv.
  • Behøver ikke være store, kan masseproduseres og blir da svært rimelige i forhold til 3. generasjon.
  • Restavfall trenger ikke langtidslagring.
  • Produserer ikke plutonium.

4. generasjons kjernekraftverk av ulike typer bygges nå 70 steder i verden, bl.a. i våre naboland Danmark, Sverige og Finland. Norge har ingen slike planer så langt jeg vet. Av de få prosjektene jeg kjenner til, liker jeg best modellen til det danske firmaet Seaborg Technologies, hvor den dyktige unge bergenseren Eirik Eide Pettersen er teknisk sjef. Firmaet planlegger små enheter som en også kan plassere én eller flere av ombord på spesial­skip. Kan dermed flytte kraftverk-skipet dit det til enhver tid er størst behov for strøm langs kysten. NTNU er med i et internasjonalt samarbeid for å produsere små 4. generasjons generatorer til de store havgående skipene som må seile flere tusen nautiske mil uten mulighet for å bunkre.

Det er to måter vi kan få frigjort energi på i et kjernekraftverk:

Den ene måten er å dele tunge atomkjerner i to mellomtunge nye atomkjerner. Det kalles fisjon. Den typen kjernekraftverk vi har snakket om til nå, er alle fisjons-kraftverk. Det som frigjør mye mer energi, er å smelte sammen to lette atomkjerner til én tyngre kjerne. Da heter det fusjon. Et fusjonskraftverk vil fungere på samme måte som energiproduksjonen i sola. Atomer består som kjent av en positiv kjerne av protoner og nøytroner med elektroner i bane rundt. Det er antall protoner i kjernen som bestemmer hva slags stoff vi har. Samme protontall men ulikt antall nøytroner gir ulike varianter, ulike isotoper, av samme stoff. De atomkjernene som smelter sammen i sola, og i et fusjonskraft­verk, er to isotoper av hydrogen: Deuterium med ett nøytron i tillegg til protonet, og tritium med to nøytroner i tillegg til protonet. Klarer man å få en deuteriumkjerne og en tritiumkjerne til å kollidere med veldig høy fart, blir det dannet en helium­kjerne og et nøytron, samtidig som det frigjøres mye energi. For å gi deuterium og tritiumkjernene stor nok fart, må en varme opp kjernene til mer enn 100 millioner oC. Ved slike ekstreme temperaturer vil elektronene ha revet seg løs fra atomkjernene, og atomene er da i en tilstand som kalles plasma. Ingen stoffer kan holde et plasma på plass. Men siden kjernene i et plasma er positivt ladet, kan man bruke magnet­feltet fra kraftige elektromagneter. Jo mer strøm som sendes gjennom en strømspole i en magnet, jo kraftigere blir magnetfeltet. Når vi sender strøm gjennom en ledning, blir ledningen normalt varm fordi strømmen møter motstand. Skulle vi brukt den strømstyrken vi trenger ved romtemperatur, ville varmeut­vik­lingen blitt så stor at ­spolen brant opp. Men ved å kjøle spolen ned til en temperatur på ca – 270 oC, vil ikke strømmen møte motstand lenger, og vi har fått det en i fysikken kaller en superledende spole. Så lav temperatur får en når spolene plasseres i flytende helium. I fusjonsreaktorer må en bruke superledende spoler. I de fleste av de forskningsprosjek­tene som er i gang eller som er planlagt, skal man prøve å holde plasmaet innesperret i et rør utformet som en smultring. Et slikt smultring-rør kalles en tokamak.

Hvordan skaffe seg hydrogenisotopene deuterium og tritium?

I vanlig sjøvann er det ett deuteriumatom for hvert 6420 hydrogenatom i gjennomsnitt. Der er metoder for å hente ut dette deuteriumet, altså finnes det enorme mengder tilgjengelig deuterium. Vanskeligere er det med tritium som det finnes lite av. Dessuten er tritium radioaktivt og forsvinner etter hvert av seg selv. Det beste vil være hvis en kan produsere tritium i selve fusjonsreaktoren mens den er i drift. Det kan en få til ved å sende nøytroner mot grunnstoffet litium. Litium finnes over alt på kloden, og brukes bl.a. i produk­sjon av batterier. Kloke hoder har regnet ut at hvis en bruker deuteriumet fra et badekar med sjøvann og litiumet fra batteriet i en laptop, kan man produsere all den energien et menneske bruker i løpet hele livet sitt, eller tilsvarende brenning av 300 tonn olje! Vi kan vel si at fusjonsreaktorer kan gi oss nærmest uendelige mengder med energi.

Vi har i lang tid visst at fusjonsreaktor gir mulighet for storstilt energiproduksjon uten utslipp av farlige avfallsstoffer. Det en fusjonsreaktor slipper ut, er kun vann og helium, ingen klimagasser, ingen radioaktive stoffer. Problemet er bare at det trengs mye ny og dyr kunnskap og testing for å få det til i praksis. For å spare penger inngikk en rekke land, bl.a. EU, USA, Russland, China og Japan 24. okt. 2007 et samarbeid om å bygge en felles test­reaktor kalt ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Og energi­nasjonen Norge er selvsagt også med? Nei da, Norge glimrer med sitt fravær, selv om vi har topp kompe­tanse på plasmafysikk, både på NTNU og spesielt på UiT (Norges arktiske universitet) i Tromsø. Reaktoren bygges i Frankrike og er på størrelse med et 7 etasjers hus. ITER er bare begynnelsen på prosjektet, og kommer ikke til å produsere strøm. Det skal neste byggetrinn kalt DEMO gjøre, men bare til forsknings­formål. Siste byggetrinn skal etter planen være ferdig i 2050, og kunne gi strøm til vanlig strømnett. En kan dessverre ikke si at ITER har vært noen stor suksess til nå. Dårlig ledelse, intern krangling, til og med selvmord hvis en skal tro på ryktene, har ført til utsettelser i fremdriften. Krisen i Ukraina har trolig ikke gjort samar­beidet lettere. Når en også skal bruke magneter som etter min mening er utgått på dato før en kommer i gang med strømproduksjon, er det kanskje greit at ikke Norge bruker penger og ressurser på deltagelse i ITER. 

Hva skal energinasjonen Norge satse på videre?

Norge var det første landet i verden etter USA og England som fikk bygget en kjernereaktor. I dag er reaktoren både på Kjeller og i Halden lagt ned. Det er derfor ikke lenger noe miljø for kjernereaktorer igjen i Norge. Jeg skal ikke utelukke at det kan settes opp 4. generasjons reaktorer i Norge, men da må de kjøpes fra utlandet, og vi må sende ingeniører til utlandet for opplæring. Synes heller vi skal satse mot toppen med en gang, nemlig fusjonsreaktorer.

Equinor satser på fusjonsenergi:

Equinor har kjøpt eierandeler i selskapet Commonwealth Fusion Systems (CFS) i USA. CFS skal være privatfinansiert, og jobbe med konstruksjon av fusjonsreaktorer. De har valgt en mer moderne utgave av superledende magneter. I stedet for å bruke ledninger som må kjøles ned til ca -270 oC i flytene helium, skal det brukes en taperull som er såkalt høytemperatur superledende, og som kan lede mye mer strøm enn vanlige superledere. Får å få tapen superledende, holder det å plassere den i flytende nitrogen med kokepunkt -196 °C, noe som både er mye billigere og lettere å håndtere enn flytende helium.

CFS har startet bygging av testreaktoren SPARC med den nye magnetteknologien. SPARC får verdens sterkeste magnet, og skal ha en plasmatemperatur på 150 millioner °C. Det er over 10 ganger mer enn temperaturen i solas indre. For strømlevering skal den etterfølges av reaktoren ARC. Hvis fusjonsenergi skal bli en suksess raskt, er det viktig at reaktorene er små og kan bygges på samlebånd. Gjennom Equinor deltar nå en forskergruppe fra UiT med professor Odd Erik Garcia som leder, i arbeidet med byggingen av SPARK.

Den første utgaven av ARC vil være en reaktor på størrelse med nacellen (generatorhuset) på toppen av en vindmølle. Så liten at det nesten er for godt til å være sant! 

Til toppen