Kina banar väg för kommersiella toriumreaktorer

Kinesiska forskare arbetar med en unik reaktordesign, som förutom att den är en så kallad smältsaltreaktor, som inte behöver vatten för kylning, dessutom använder sig av torium som bränsle i stället för uran. En prototypreaktor ska enligt forskarna startas upp redan i september 2021 och planen är sedan att bygga kommersiella reaktorer i både Kina och andra länder.

Text: Alarik Haglund

Till skillnad från traditionella lättvattenreaktorer använder sig den kinesiska reaktordesignen, precis som andra smältsaltreaktorer, inte av fast bränsle i form av bränslestavar. I stället löses bränslet upp i ett smält flouridsalt, som även ersätter vatten som det primära kylmedlet i reaktorn.

Smältsaltreaktorer har flera fördelar när det gäller bland annat säkerhet. Det smälta saltet, som har en temperatur på mer än 600 grader Celsius, kyls till exempel snabbt ner om det skulle komma i kontakt med luften, vilket gör att det stelnar och kapslar in bränslet. Jämfört med en traditionell reaktor skulle det därför vid ett eventuellt läckage släppas ut mycket mindre radioaktivt material till omgivningen.

Det smälta saltets höga kokpunkt gör också att reaktorn kan arbeta vid normalt atmosfärstryck utan att kylmedlet kokar och risken för en ångexplosion kan därför elimineras. Reaktorn kan inte heller drabbas av en härdsmälta eftersom bränslet redan befinner sig i flytande form.

Eftersom det inte krävs något vatten för att kyla reaktorer av den här typen är det dessutom möjligt att placera dem i ökenområden.

bild
I smältsaltreaktorer, som kan använda både uran och torium som bränsle, löses bränslet upp i reaktorns primära kylmedel, som består av smält flouridsalt med hög temperatur. Reaktorer av den här typen är mycket säkra tack vare att det inte finns någon risk för ångexplosioner och de inte kan drabbas av härdsmälta eftersom bränslet redan befinner sig i flytande form. Det smälta saltet kyls också ner och stelnar snabbt om det skulle komma i kontakt med luften. Illustration: US Department of Energy

Torium som bränsle

En annan fördel med smältsaltreaktorer är att det går att använda en rad olika bränslen, inklusive samma låganrikade uranbränsle som används i dagens reaktorer. Den radioaktiva metallen torium, som befinner sig två steg till vänster om uran i det periodiska systemet, är emellertid ett attraktivt alternativ för kärnforskarna. Bland annat är torium mycket billigare än uran och det uppskattas vara omkring tre gånger mer vanligt förekommande i jordskorpan. Dessutom tillhör nästan allt torium som bryts isotopen torium-232, vilket är den isotop som används i kärnbränsle, medan endast 0,72 procent av det uran som bryts tillhör den klyvbara isotopen uran-235, som utnyttjas som bränsle i traditionella reaktorer.

Det radioaktiva avfall som bildas i samband med de reaktioner som sker i traditionella reaktorer måste dessutom slutförvaras i minst 10 000 år. I kärnreaktioner med torium som bränsle bildas det emellertid främst uran-233, som kan återanvändas i andra reaktioner, och ett antal andra biprodukter med en genomsnittlig halveringstid på endast omkring 500 år.

Det är också svårt att använda torium och de biprodukter som bildas för att tillverka kärnvapen.

bild
Den radioaktiva metallen torium befinner sig bara två steg till vänster om uran i det periodiska systemet, men är mycket billigare och mer vanligt förekommande. Genom att använda torium som kärnbränsle i stället för uran blir det radioaktiva avfall som bildas dessutom mer kortlivat och svårare att använda för att tillverka kärnvapen. Illustration: Pixabay

Bygger på amerikansk forskning

Torium kan användas som bränsle i en smältsaltreaktor genom att det efter att ha lösts upp i det smälta saltet bombarderas med energirika neutroner och omvandlas till uran-233. Genom fission av uran-233 frigörs sedan både energi och fler neutroner, vilket ger upphov till en kedjereaktion. Den värme som produceras värmer upp det smälta saltet och det förs ut ur reaktorn, där överskottsvärmen överförs via värmeväxlare till ett sekundärt kylmedel och utnyttjas för att generera elektricitet.

Den kinesiska reaktordesignen bygger vidare på amerikansk forskning kring smältsaltreaktorer och toriumbränsle som ägde rum under 1950-, 1960- och 1970-talet vid Oak Ridge National Laboratory, som byggdes under andra världskriget som en del av Manhattanprojektet. Den första smältsaltreaktorn var en liten experimentell reaktor som utvecklades av forskare vid det amerikanska laboratoriet för att användas i atomdrivna överljudsflygplan. Senare byggdes en större experimentell smältsaltreaktor med en termisk effekt på 7,4 megawatt, som var i drift mellan 1965 och 1969. I denna reaktor användes endast uran som bränsle, men eftersom den var tänkt som ett steg på vägen mot en toriumdriven smältsaltreaktor användes utöver uran-235 även uran-233, som framställts från torium i andra reaktorer. På grund av problem med bland annat sprickbildning orsakad av det heta saltet lades tekniken emellertid på hyllan.

bild
Den experimentella smältsaltreaktor som var i drift vid Oak Ridge National Laboratory i USA under andra hälften av 1960-talet använde uran som bränsle, men den skulle om forskningen hade fortsatt ha efterträtts av en toriumdriven smältsaltreaktor liknande den som nu ska testas av kinesiska forskare. Foto: Oak Ridge National Laboratory

Den första av många reaktorer

Idag har intresset för toriumdrivna smältsaltreaktorer väckts på nytt och de kinesiska forskarna är inte de enda som satsar på tekniken, men de är de som kommit längst i utvecklingen.

Kina står idag för omkring 27 procent av världens totala koldioxidutsläpp, vilket är mer än något annat enskilt land, och den nya kinesiska prototypreaktorn på 2 megawatt, som utvecklats av forskare vid Shanghai Institute of Applied Physics, är en del av Kinas president Xi Jinpings satsning på att göra landet koldioxidneutralt till 2060.

Forskarna förväntar sig kunna påbörja de första testerna av reaktorn redan i september 2021 och efter att testerna slutförts planerar Kina att börja bygga toriumreaktor i kommersiell skala. De kommersiella reaktorerna, som bara är 3 meter höga och 2,5 meter breda, kommer enligt forskarna att kunna producera 100 megawatt elektricitet, vilket täcker elbehovet för omkring 100 000 människor.

Den första kommersiella reaktorn planeras vara färdig till 2030 och kommer att byggas i ökenstaden Wuwei i Gansu-provinsen i nordvästra Kina. Om allt går som planerat kommer reaktorn i Wuwei emellertid bara att vara den första av många. Eftersom tekniken, tack vare att den inte kräver något kylvatten, lämpar sig väl i områden med torrt klimat räknar man med att bygga fler reaktorer i de mindre befolkningstäta öken- och slättområdena i landets nordvästra delar.  

Dessutom har Kina planer på att bygga upp till 30 reaktorer i andra länder. Det kommer i så fall att ske som en del av det kinesiska initiativet ”Ett bälte, en väg”, som är det största infrastruktur- och utvecklingsprojektet i världen och involverar investeringar i 70 länder.