Nuclear Waste Burner
Jeg sidder 3 meter fra poolen på en terrasse med en smuk udsigt over San Francisco Bay. Denne uge har jeg været førstetaler ved Thorium Energy Allance Conferencen i Palo Alto. I går var jeg på besøg hos Nuclear Engineering på University of California, Berkeley. Det var på Berkeley at Glen Seaborg var den første i verden til at indse og bevise at thorium kunne laves om til uran (U-233) som ikke findes i naturen, men som har potentiale til at give os alt vores energi i tusinde af år her på kloden. Det er da fedt at sidde her ved poolen, men det er også hele dette års private ferie budget som går til denne ide om, at vi i Danmark har noget viden og teknologi, som kan gøre verden til et bedre sted.
Dette blogindlæg er nummer to i en lang række af blogindlæg om Copenhagen Atomics. Vores mål er, som fortalt i første blog, at lave en Copenhagen Atomics Waste Burner som kan fjerne meget at det brugte atombrændsel vi har rundt om i verden. I denne blog vil Nicolai Brejnholt og Thomas Jam Pedersen forklare hvordan radioaktivt atomaffald kan laves om så det bliver et væsentligt mindre problem. Både Nicolai og Thomas er medlemmer af Copenhagen Atomics team og Nicolai arbejder til daglig med målinger af atomaffald på Lawrence Livermore National Laboratory her i Californien mens Thomas er autodidakt på området.
Radioaktivt affald er et meget stort og komplekst emne, men for at undgå at forvirre læseren, så vil vi i denne blog udelukkende beskæftige os med brugt brændsel (SNF) fra den gamle type af atomkraftværker (LWR). LWR står for light water reactor og du kan læse mere om dem i første blog. Der er ca. 350 af dem i verden + 140 ubåde og hangarskibe etc.. SNF står for spent nuclear fuel og hvis vi holder os til det så bliver denne blok ikke mere teknisk end hvad en gymnasieelev vil kunne forstå.
Grafen ovenfor viser hvad SNF består af. Uran (den blå del) kan ikke brændes af i LWR. Det vidste man godt i 50’erne, men fordi atombrændsel afgiver millioner gange mere energi end benzin når det brændes af, så var det stadig en kæmpe fordel dengang hvis man kunne få 2 – 3% brændværdi ud af sine brændselselementer.
Det blå uran består af U-238 og U-235 i næsten samme forhold som findes i naturen, og med nøjagtigt de samme egenskaber som i naturen inkl. samme radioaktivitet. Det betyder også at det ikke er særlig farligt for mennesker. Der er i øvrigt et råvaremarked for uran, så hvis man kan skille den blå del fra og sørge for at de andre farver kun følger med i meget, meget små mængder, så kan man sælge det på verdensmarkedet. Køberen skal selvfølgelig have en tilladelse og alt det her, men det ville være fint, hvis vi kunne slippe af med næsten alt det blå på den måde. Vi vil gerne lave samme nummer med de grønne, altså splitte det grønne fra så der kun følger meget, meget små mængder af de andre farver med over i den grønne ”beholder”. Men det kan vi ikke finde ud af, eller rettere, det vil i bedste fald blive ALT for dyrt.
Nu kommer det smarte: Det grønne er slet ikke radioaktivt og derfor ikke farligt, men det er svært at skille fra det mest radioaktive som er det mørkerøde. Men det mørkerøde er kun radioaktivt i ca. 300 år og vi mennesker har allerede udviklet sikre måder at opbevare det på. Det skal blot være langt væk fra mennesker og kunne køles af til at starte med. Det lyserøde og især det gule kan brændes af i en saltsmeltereaktor og laves om til de grønne og mørkerøde typer - hvis bare man har neutroner nok. Den kvikke læser kan se, at hvis vi splitter det blå fra og sælger det og hvis vi dernæst putter resten ned i en saltsmeltereaktor og løbende tager de grønne og de mørkerøde ud og køler dem af de første 50 år, så vil der til sidst ikke være noget affald tilbage.
Men kan man det, vil du vide?
Ja, det kan man godt, og jo, djævlen er altid begravet i detaljerne, så det er ikke helt så ligetil. Men nu forstå du hvad det er vi forsøger at nå frem til. Ovenstående er ikke noget nyt. Det er fysik og det har været kendt siden 60’erne. Dengang regnede man med at vi mennesker hurtigt ville udvikle en maskine som kunne lave det trick vi har beskrevet ovenfor, men det er altså først nu at vi nærmer os det punkt.
Kort fortalt så er det meget svært at lave noget kemi som kan skille det blå ud så det bliver rent, samt at skille det grønne og mørkerøde ud så det ikke har noget af de andre farver med. Det er heller ikke nemt at få neutroner nok. Lad os starte med det sidste: Det er kun nogle få milliontedele af det affald man starter med som er rigtig svært at få bugt med. Så hvis man kan vente med at gøre noget ved den del, så kan vi forbedre vores reaktorer så vi får flere neutroner at arbejde med i fremtiden.
For at kunne skille det blå fra, så det bliver meget rent, så er det uundgåeligt at der bliver noget blåt tilbage med de andre ting. Det blå henfalder og optager neutroner og blive til det gule og lidt af de røde nuancer, hvis man putter det ind i en saltsmeltereaktor . Så opgaven går i alt sin enkelthed ud på at finde en balance imellem hvor mange neutroner man har til rådighed i en given reaktor og med en given cocktail af elementer i sin salt. Ydermere skal man sikre sig at der stadig er nok brændstof materiale til at få kædereaktionen til at forløbe og sikre sig at man ikke ender med mere affald fra kemiprocessen og saltsmeltereaktoren i helhed end man startede ud med. Det er netop her Copenhagen Atomics har nogle ideer som kan gøre en væsentlig forskel. Vi vil ikke fortælle alt for meget, men blot sige at det er fluorkemi i flammereaktorer som primært arbejder med uran og de andre materialer på gas form. Så det er ikke vådkemi som typisk giver masser af affaldsstoffer. Vi bruger bl.a. også elektrolyse til at regenererer reaktanterne, så det hele kan køre i et lukket loop med minimal affald fra processen.
Før vi kan fortsætte så skal vi fortælle lidt om radioaktivitet. Følgende nuclidgraf viser ca. 4000 isotoper hvoraf alle på nær de sorte er radioaktive. De røde, gule og grønne har så kort halveringstid at de nærmest ikke findes i naturen. Det opstår kun når mennesker laver dem i forskellige maskiner. Der er masser af de blå som findes i naturen, f.eks. i vores mad.
På grafen nedenfor ses de samme 4000 isotoper som ovenfor, men nu inddelt efter halveringstider. Man siger generelt at efter 10 halveringstider så er der under en tusindedele af det radioaktive stof tilbage, resten er henfaldet til et stabilt materiale. Men det er ikke helt rigtigt fordi de fleste radioaktive stoffer har en henfaldskæde som gør at de skal igennem flere isotoper på vejen, før de når frem til en stabil isotop. I grafen ovenfor er det typisk sådan at isotoperne bevæger sig ind imod midten til de til sidst bliver stabile. Se alle henfaldskæder her. Men som tommelfingerregel er den god nok. Grafen nedenfor viser hvordan langt hovedparten af alle radioaktive isotoper har en halveringstid på under 10 år, hvilket således betyder at mindre end 100 år efter de er skabt, så er de ikke radioaktive mere.
Så er der forskellige typer af radioaktivitet som er farlig på hver sin måde. Alfa- og betastråling kan nemt stoppes imens gammastråler er svære at bremse. Men alfastråling er meget energirig, og er derfor farlig hvis den kommer fra en isotop som henfalder inde i kroppen. Det er også vigtigt at forstå at ting som har kort halveringstid, f.eks. et sekund, er meget mere radioaktive fordi det selv i små mængder kan give anledning til intens stråling. Hvorimod noget med lang halveringstid, f.eks. 1 million år, kun i store mængder vil være virkelig farligt. Det er derfor ting som uran 238 og thorium 232 næsten ikke er farlige, fordi de sender ganske få stråler ud per kg.
Kort sagt, de mest farlige ting forsvinder hurtigst. Det er også derfor vi ikke vil have udslip fra atomkraftværker. Vi vil helst lige have nogle år og helst 100 år hvor vi kan holde ting inde i en beholder før de slipper ud, fordi så ved vi at problemet er mindst 1000 gange mindre. Som det ses af figur 3. så er det kun ca. 50 isotoper som giver problemer på lang sigt og de kan næsten alle sammen transmuteres eller fissioneres til andre isotoper som ikke er nær så problematiske. Det kræver blot neutroner og noget avanceret kemi så man kan få skilt dem ad. Meget mere om det i de næste blog indlæg.
Der er måske folk som er uenige i dette indlæg og I er velkommen til at påpege fakta og fejl nedenfor. Vi er ikke fejlfri. Nogle føler måske at den model de har af verden bliver udfordret og det er før set at dette kan lede til meget voldsomme indlæg. Hvis du er en af dem, så sov lige på det før du trykker send, tak
