Härdsälta

Tänk om det var möjligt att ta fram en kärnreaktor som inte producerar något långlivat avfall, som inte riskerar en härdsmälta vid kylningsproblem, som inte ger upphov till material för kärnvapen, som kan drivas inte bara på uran utan också torium och stora delar av det vi idag räknar som kärnavfall samt som kan operera vid en så hög temperatur att den termodynamiska effektiviteten vida överstiger den i dagens lättvattenreaktorer. Allt detta dessutom med mer eller mindre välkänd och beprövad teknik.

Det fina är att detta är fullt möjligt. På 50-talet strävade amerikanska forskare efter att ta fram en driftssäker reaktor med hög effekttäthet för bruk ombord på flygplan vilket resulterade i det så kallade Aircraft Reactor Experiment. Erfarenheterna från detta forskningsprojekt ledde vidare till Molten Salt Reactor experimentet vid Oak Ridge National Laboratory under 60-talet. Reaktorn hade en termisk effekt på 7,4 MW och opererades under fyra år med mycket goda resultat. Nästa steg i utvecklingen skulle vara Molten Salt Breeder Reactor som designades vid Oak Ridge. Tyvärr avbröts dock programmet, delvis med anledning av att det inte föll i god jord med det amerikanska försvaret som behövde plutonium för att kunna producera kärnvapen, något som Molten Salt Reactors inte ger upphov till i någon större omfattning. Detta är en av anledningarna till att dagens lättvattenreaktorer är dominerande i världen.

Precis som namnet antyder producerar en MSR energi genom fission av bränsle upplöst i en cirkulerande blandning av fluorida salter, vanligen med natrium, litium eller beryllium och zirkonium. Värmen leds genom ett tvåstegs värmeväxlarsystem till turbiner och generatorer för elproduktion. Utloppstemperaturen ligger på över 700 grader C är vilket innebär att en Braytoncykel, det vill säga gasturbin, kan användas istället för ångturbin. Eventuellt kan denna kombineras med Rankinecykeln vilket ytterligare ökar effektiviteten då spillvärme från Braytoncykeln tas omhand och medger verkningsgrader upp mot 50%. Temperaturer så höga att värmen kan användas direkt till vätgasproduktion är till och med möjliga. Saltet har lågt ångtryck varför reaktorn kan operera nära atmosfärstryck även vid mycket höga temperaturer. Detta minskar avsevärt den mekaniska belastningen på reaktorn och därmed också kostnaden för att tillverka den. Vidare är saltet kemiskt stabilt vid dessa temperaturer och vid höga radioaktivitetsnivåer vilken underlättar säker hantering av det. Att saltet varken brinner i luft eller vatten, som exempelvis natrium, eller är lösligt i vatten stärker möjligheterna till säker hantering.

Bränslet kan vara uran, plutonium, aktinider, torium eller en blandning av dessa. På grund av den goda neutronekonomi saltblandningen tillhandager är både god förbränning av aktinider samt omvandling av Th till ²³³U möjlig även i ett termiskt neutronspektrum. En alternativ lösning är en reaktor med ett snabbt neutronspektrum med förbättrade möjligheter till ovanstående. Förutom möjligheterna att förbränna avfall kanske torium är det mest intressanta bränslealternativet. Torium är tre till fyra gånger mer vanligt förekommande i jordskorpan än uran och än så länge mycket billigt. Förutom att torium inte ger upphov till några stora mängder material lämpliga för tillverkning av kärnvapen är avfallet heller inte lika långlivat som avfallet från en lättvattenreaktor. Slutförvaringstider på några hundra till tusen år istället för hundratusen är en markant förbättring.

Ytterligare en fördel med att ha bränslet i flytande form är att bränsletillverkning samt certifiering av detta blir överflödigt. Vidare blir det möjligt att kontinuerligt tillföra nytt bränsle och avlägsna avfallsprodukter för att på så sätt erhålla optimala förhållanden för fissionsprocessen. Att inte behöva ställa av reaktorn för att byta bränsle ökar dessutom tillgängligheten. Säkerheten garanteras bland annat genom saltets starka negativa reaktivitetskoefficient (fissionsprocessen avstannar vid högre temperaturer) och att man vid problem kan tömma reaktorkärlet på bränsle till en subkritisk förvaringskammare varvid fissionsprocessen helt avstannar. Tömningsmekanismen är vanligtvis en frysplugg som kräver aktiv kylning och därmed automatiskt tömmer kärlet då kylningen fallerar. Sammanfattningsvis kan man rörande säkerheten säga att riskerna för katastrofala incidenter drastiskt minskar medan riskerna för mindre processolyckor ökar då en delmängd av bränslet hela tiden befinner sig utanför reaktorn i en processanläggning (om man nu inte väljer att inte utnyttja möjligheterna till kontinuerlig behandling av bränslet).

Även om en stor del av tekniken är gammal och välbeprövad finns ett antal områden där forskning fortfarande är nödvändig. Det kanske största och mest betydelsefulla området är hur saltet skall processeras och restprodukter separeras på ett effektivt och säkert sätt. Det är en sak att göra detta i liten skala i en forskningsanläggning och en annan att göra det i kommersiell skala. Andra områden där forskning pågår är hur saltets egenskaper påverkas av lång tids användning, effektiva sätt att lösa aktinider i bränslet i stora kvantiteter samt hur temperaturer högre än ovan nämnda påverkar material i reaktorn som är i kontakt med det korrosiva saltet.

MSR är en av de reaktortyper som man fokuserat på i det internationella Generation IV Forumet vars mål är att ta fram morgondagens kärnteknik. Andra tekniker man intresserar sig för är exempelvis natrium- och blykylda bridreaktorer, heliumkylda reaktorer med extremt hög arbetstemperatur och konventionella reaktorer som arbetar med superkritiskt vatten. Även om MSR är den reaktortyp som av forumet anses ligga längst bort tidsmässigt är det enligt mig den mest lovande. Framförallt på grund av dess flexibilitet i bruk av bränsle samt höga säkerhet. En sluten bränslecykel baserad på torium skulle kunna förse världen med all energi vi behöver under många årtusenden samtidigt som den åtminstone delvis löser dagens problem med kärnavfall.