Tema

Kärnkraft på nytt sätt med små reaktorer

Har kärnkraften en framtid i Sverige? Ja, det är många som tror det. Men då kan det handla om en ny typ av reaktorer. Istället för stora höghusliknande byggen längs kusterna kan vi få många små reaktorer – kylda av hett bly.

Forskningen kring kärnkraft har gått på sparlåga de senaste decennierna, men nu startar ett projekt där målet är att bygga en liten reaktor av en modell som är ny för Sverige. Den ska bli mindre, billigare och säkrare än de traditionella reaktorerna, är det tänkt.

Om allt går enligt planerna ska en första modell för forskningsbruk vara igång i Oskarshamn om lite drygt tio år. Stiftelsen för Strategisk forskning har lagt femtio miljoner på att driva den första fasen av projektet.

Många små reaktorer

– Vad jag vet så är det här den största enskilda satsningen på kärnkraftsforskning sen man byggde landets första forskningsreaktor R1 här på KTH 1954, säger Pär Olsson, professor i fysik och samordnare av projektet som går under namnet Sunrise.

Tanken är att många små reaktorer ska komplettera eller ersätta de stora anläggningar som idag står i Forsmark, Ringhals och Oskarshamn.

Flygbild över Forsmarks kärnkraftverk. Bild: Anders Sandberg, WikiMedia, CC-BY-2.0

En nyckelfigur i projektet är Janne Wallenius, reaktorfysiker vid KTH i Stockholm. Han har under flera år arbetat med att ta fram en reaktor av just den här typen, och nu är hans tänkta reaktorkonstruktion en central del av Sunrise-projektet.

Vad betyder då ”liten” i det här sammanhanget?

För den som inte är hemma i reaktorvärlden kanske den låter stor; det ska bli en cirka fem meter hög och ungefär lika bred cylinder. Den är alltså ungefär som en mindre stadsbuss i storlek, och är därmed betydligt mer hanterbar än ett vanligt kärnkraftverk.

– Det här är en ”snabb” reaktor, en så kallad brid-reaktor, säger Janne Wallenius. Det innebär att den utnyttjar uranbränslet effektivare och att den skapar nytt bränsle i form av plutonium.

En snabb reaktor ger därmed ifrån sig mindre mängder farligt avfall, och kallas för kärnkraftens generation 4.

4:e generationens kärnkraftverk

I ett kärnkraftverk utnyttjas den värme som frigörs när grundämnet uran klyvs i en kedjereaktion. Värmen hettar upp vatten, som bildar ånga som i sin tur driver en turbin. Och på turbinaxeln sitter en generator som omvandlar rörelseenergin till elektricitet, enligt samma princip som i kraftverk som eldas med fossila bränslen.

Dagens kärnkraft använder uran-235 som bränsle för kärnreaktionerna. Kvar efter klyvningsprocessen blir andra radioaktiva ämnen som plutonium, americium och curium. Detta radioaktiva avfall måste lagras någonstans, och kan fortsätta att stråla i bortåt 100 000 år.

Uranbränslet är mycket energirikt, men bara en bråkdel av energin kan utnyttjas idag.

Den fjärde generationens kärnkraftverk innefattar flera olika reaktordesigner. Ofta en helt ny typ av ”snabb” reaktorkonstruktion, där man inte bromsar de neutroner som frigörs i klyvningsprocessen utan låter dem fortsätta klyvningsprocessen i de nya ämnen som bildas.

Målet är billigare och säkrare kärnreaktorer, minskad mängd långlivat avfall och minimerad risk för spridning av material för kärnvapenbruk.

– Det viktigaste med snabba reaktorer är att de kan tillverkas i serier, och därmed konstrueras billigare och snabbare än ett traditionellt kärnkraftverk, säger Janne Wallenius. Man slipper också allt det som följer med de stora byggen som dagens kraftverk innebär, där varje projekt är unikt med stora kostnader för finansiering, tid för alla tillstånd, med mera.

En sådan här snabb reaktor kan göras liten, men den kan inte kylas med vatten, som en traditionell kärnreaktor. Vattnet fångar nämligen in de neutroner som driver kedjereaktionen i uranet, den process som frigör energin. Så med vatten kring härden, som i dagens vanliga reaktorer, stannar kärnreaktionen av. Man behöver alltså ett alternativt kylmedel.

Flytande bly som kyler

En beprövad idé är att använda flytande natrium för kylning. Det fungerar, men skapar risker. Natrium reagerar våldsamt med både vatten och luft, och kan vara besvärligt att hantera.

Den lösning som Wallenius sedan flera år har jobbat med är att använda flytande bly som inte alls är lika reaktivt. Det låter kanske främmande att använda en smälta av het metall som kylmedel, men det är en fråga om temperaturskillnader.

Det flytande blyet är runt 400 grader varmt och reaktorhärden är flera hundra grader varmare. Det flytande blyet tar upp värme från härden och värmer sedan vatten till ånga, som i sin tur driver en ångturbin – som i traditionell kraftverksteknik.

Blyet ger också högre säkerhet är det tänkt. Eftersom bly, som används för att kyla reaktorn skyddar mot strålning så skulle bara en minimal mängd radioaktivitet läcka ut vid en eventuell olycka. Det flytande blyet är också självcirkulerande runt reaktorhärden, vilket innebär att kylningen inte är beroende av elförsörjning utifrån – det gör att man inte riskerar en händelse som den i Fukushima 2011, när elektriciteten till kylningens vattenpumpar försvann och reaktorn överhettades.

Nytt stål skyddar blyet

Men det är materialet där blyet cirkulerar som är den känsliga frågan och en nyckel till att lyckas med hela projektet. Problemet är att blyet äter sig in i metallrören, de korroderar.

– Vi hade kunnat bygga sådana här reaktorer för längesen om det inte var för korrosionsproblemet, säger Peter Szakalos, materialforskare vid KTH i Stockholm och en annan av de centrala personerna i projektet.

– Tekniken är känd sedan 1960-talet, men det har varit svårt att hitta ett material till kylrören som håller.

Men sedan ett par år har Peter Szakalos och hans kolleger tillsammans med metallexperter på verkstadskoncernen Sandvik tagit fram ett nytt stål innehållande krom och aluminium samt lite andra tillsatser som skapar ett självläkande tunt och starkt skyddande skikt av aluminiumoxid som tål det korroderande blyflödet upp till 800 graders värme, och det ska räcka, anser man.

Det som återstår att göra är bland annat att göra materialet hårdare så att det tål trycket i ledningarna. Testningar av stålet och de svetsningar som behövs ska göras vid KTH och Luleå Tekniska Universitet.

Flera steg till färdig reaktor

Sunrise-projektet är det första steget mot en fungerande reaktor och innefattar förberedelser, planering och tester av material.
Det andra steget är att bygga en reaktor med den här tekniken fast utan uranbränsle, en blykyld elektriskt uppvärmd prototyp, en testmodell utan radioaktivt bränsle där material och konstruktion kan prövas under drift.

Det tredje steget är en fullskalig reaktor som drivs av uranbränsle och som man i projektet föreslår kan placeras i Oskarshamn, även om inga tillstånd för det finns dag.

– Än så länge räcker anslaget till den första fasen, säger projektsamordnare Pär Olsson. Om vi får finansiering på ytterligare 200 miljoner så kan vi ha den eldrivna prototypen klar om ungefär fem år. Sen tar det tio till femton år att bygga en färdig forskningsreaktor, troligen det senare. Det som tar mycket tid är själva tillståndsprocessen. Kostnaden för en fungerande forskningsreaktor blir drygt en miljard.

Men kärnkraft är en omstridd fråga i Sverige.

Ja, nja eller nej till kärnkraft

Kärnkraft är en omstridd teknik i Sverige. Efter årtionden av strider och kompromisser kring energiformen har vi från och med år 2021 sex reaktorer igång som producerar fyrtio procent av vår el.

Ett argument mot att fortsätta med de traditionella reaktorerna är frågan om säkerheten och risken för haverier med radioaktiva utsläpp. Efter den allvarliga reaktorolyckan i Fukushima i Japan 2011 beslutade man till exempel i Tyskland att stänga ner kärnkraften i landet till år 2022.

En annat argument gäller det farliga högaktiva avfallet som måste förvaras säkert i 100 000-tals år. Ännu är inte allt klart med den stora slutförvarsanläggning som ska byggas vid Forsmark i Östhammars kommun.

Ett tredje motargument som ofta förs fram är att de kan bli väldigt dyra att bygga – vilket visat sig i de länder som satsar på att bygga nytt, till exempel Storbritannien och Finland. Kärnkraft blir olönsam jämfört med vind och solkraft, menar man. Sol, vind och vatten ska bli framtidens fossilfria energimix, är tanken.

Å andra sidan är det många som tvivlar på att de förnybara energislagen kan ge den stadga och kontinuitet som hela energisystemet kräver. Kärnkraft kan stå för basen i elproduktionen medan vind och sol är mer känsliga för vädrets nycker.

Och där ungefär går debatten idag.

Även om de nya reaktorerna är säkrare och ger mindre farligt avfall så finns det en kritik mot att satsa på ny kärnkraft. Nu handlar det inte så mycket om säkerhetsfrågor utan mer om att några nya reaktorer kommer att dröja så länge innan de är i kommersiell drift, kanske trettio år, och då täcks vårt elbehov av allt billigare vindkraft och elektricitet från solceller. Det skulle då bara bli en dyr lösning på ett problem som inte längre finns, har det sagts.

Men Pär Olsson håller inte med om det.

– De som säger så underskattar kostnaderna och problemen med att ställa om hela vårt elsystem till de förnybara energislagen. Det finns ekonomi i ny kärnkraft, anser jag. Och det behöver inte ta så mycket som trettio år att utveckla de nya reaktorerna om man bara driver på utvecklingen. Dessutom är det så att det här inte bara handlar om Sverige. Den teknik som vi utvecklar kan ersätta fossilenergi globalt, till exempel gamla kolkraftverk i andra länder, säger Pär Olsson.

Text: Tomas Lindblad på uppdrag av forskning.se

Sunrise är ett projekt som löper på sex år. Det samordnas från KTH i Stockholm och drivs i samarbete med Uppsala universitet, Luleå tekniska universitet och ett antal företagspartners, till exempel Sandvik.
Fas 1 som är finansierad med 50 miljoner kronor från Stiftelsen för strategisk forskning handlar om planering, förberedelser och tester. I de följande faserna finns vill forskarna bygga först en eldriven prototyp av den blykylda reaktorn, och sedan en urandriven forskningsreaktor för placering i Oskarshamn om tio – femton år.

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Kärnkraft på nytt sätt med små reaktorer

 lästid ~ 8 min