Påsken er over (og vel så det), men det er ikke føljetongen om thorium riktig ennå - her kommer del fem.

Jeg tror forresten jeg har gjort noen valg med tanke på farge og "rød tråd" for bryllupet som jo kommer til å komme (nei, vi har ikke bestemt dato, men det blir i 2019, helt sikkert), og jeg kommer nok til å dele litt bryllup her inne fremover - i tillegg til oppdateringen om plutoniumeksperiment, og andre kjernefysikk og forskning-ting, selvsagt. Regner med det ikke kommer som noe stort sjokk at det å planlegge bryllup natrulig nok blir en del av tankene mine i større eller mindre grad i mpnedene fremover - litt bridezilla må man ha lov til å bli 😉 Dere kan jo gjerne gjette på hvilke farger dere tror kommer til å gå igjen i bryllupet til Anders og meg...

Greia med thorium, DEL V

I motsetning til uran så har thorium ingen fissil/spaltbar isotop i seg, sånn som man finner det i naturen (uran har isotopen uran-235, som altså er spaltbar). For å starte prosessen der thorium-232 (som man finner thorium ute i naturen) forvandles til uran-233 trenger man en nøytronkilde (i uranbrensel så er denne kilden fissilt uran-235, som altså allerede er tilstede). Det fins flere mulige valg nøytronkilde: En ekstern kilde - en aksellerator som produserer nøytroner ved spallasjon av feks bly (som ble foreslått av carlo Rubbia), bygge opp en viss mengde uran-233 som videre kan brukes som nøytronkilde (en catch-22 her er at du trenger å ha throium-brenselssyklusen gående for å kunne starte thorium-brenselssyklusen for å produsere uran-233), plutonium fra resirkulert uranbrensel, eller, som denne avhandlingen tar for seg (Artikkel 1), rent eller så å si rent uran-235.

Thorium-brenselssyklusen trenger ett nøytron for å omdanne thorium-232 til uran-233, og ett nøytron for å fisjonere (spalte) uran-233, for hver eneste nøytron-generasjon. Siden Eta og Alpha (som det sto om i del 4 av denne føljetongen, som det er linket til neders i dette innlegget) er det de er, er det i prinsippet mulig å breede i et termisk nøytronspektrum (altås med nøytroner med lav energi). I det som ble kalt the Shippingport Light Water Breeder Reactor program ble det demonstrert at breeding absolutt var mulig i en lettvannsreaktor (som betyr termisk nøytronspektrum). Denne reaktoren hadde dog en meget spesiell geometri, og den ble aldri kommersialisert.

Andre strategier som kan brukes for å oppnå breeding er:

• å fjerne nøytrongifter som spiser nøytroner (hovedsakelig fisjonsprodukter): saltsmeltereaktor-teknologi (MSR)
• å bruke en ekstern nøytronkilde (ADS)

Ingen av disse alternativene er "off the shelf", og de er ikke egentlig realistiske valg per i dag.

Uavhengig av dette; selv om breeding er vanskelig å få til, så er det mulig å forbedre breeding-ratioen sammenliknet med standard uran-brensel i en standard trykkvannsreaktor allerede "i dag". Ved å bruke denne siste strategien vil man også få thorium inn i den kjernefysiske brensels-miksen, og på den måten drøye uranressursene i verden.

Resten av denne føljetongen kan leses nedenfor 🙂

Påskekrim á la SunnivaRose

Påskekrim DEL II

Påskekrim, del III

Dr. Rose-jubileum, og thorium-brenselssyklusen (påskekrim del 4)

Greia med thorium, DEL III

Hei onsdag og siste arbiedsdag før det er påskeferie for alle (ok, ikke absolutt alle, da, jeg vet det er noen som må være på jobb når det er helligdager også - og takk til dere som gjør sånne jobber for det!). I morgen er det ett år siden disputas, og dette bildet dukket opp i FB-feeden min i dag...den følelsen jeg hadde for akkurat ett år siden, den var virkelig ikke god, altså 😛

Men nå vet jeg jo at det gikk ganske bra ("She fought well", står det blant annet i rapporten om disputasen, så det er jo ikke så aller verst), og som kjent så markerer jeg dette jubileet denne påsken med føljetong av deler av avhandlingen. DEL I ligger her, og DEL II ligger her, og i dag er det altså klart for DEL III:

Brenselssyklusen

Generelt så starter brenselssyklusen til et kjernekraftverk (ofte bare "fuel cycle" eller brenselssyklus) med utvinning av brenselsmaterialene (uran, thorium), og slutter med endelig deponering av avfall. Målet er å få så mye energi som mulig ut av materialet, innenfor grensene man har satt for at kjernekraftverkene skal drives sikkert.

Det er to hovedstrategier for brenselssyklusen:

1. Once thorugh cycle ("en gang igjennom"-syklus), der man anser brukt brensel som avfall, etter at det har vært inne i reaktoren. Denne varianten er den mest økonomiske så lenge uran som råvare er billig og lett tilgjengelig. På den annen side så får man produsert mest avfall på denne måten, enn med den andre strategien.
2. Reprossesering og closing the fuel cycle (lukke brenselssyklusen). Med denne strategien blir brukt brensel sett på som en ressurs, som man resirkulerer. Denne brenselssyklusen produserer minre avfall enn den første strategien, men den er dyrere på kort sikt, så lenge uran er en rimelig ressurs. Dessuten kan denne syklusen få folk til å bli bekymret for våpenproduskjon. Reprossesering kan gjøre én gang (det er standardvalget for uran/plutonium-brenselssyklusen, i de landene som faktisk reprossereser), eller flere ganger (som det som presenteres i den første artikkelen). Det ultimate målet er å produsere mer nytt spaltabrt material i løpet av syklusen, enn den som brukes.

Fra et kjernefysisk perspektiv (og fokuset i denne avhandlingen) er den mest "interessante" delen av brenselssyklusen er fysikken i de komplekse, kjernefysiske prosessene som skjer i reaktorkjenrnen - som inkluder et stor antall kjernefysiske reaksjoner og henfall.

Nøytronbudsjettet

Nøytronene driver kjedereakjsonen, og er dessuten ansvarlige for å transformere fertilt materiale til fissilt materiale - noe som er helt grunnelggende viktig for  thorium-brenselssyklusen, der det faktisk ikke fins noen fissil isotop. Nytronbudsjettet er dermed svært viktig for hvordan reaktoren oppfører seg. I fisjonsprosessen blir det i gjennosmnitt frigjort mer enn ett nøytron. Det betyr at dersom tapet av nøytroner til moderator, materiale i strukturene rundt, og brenselet selv (etc) ikke er for stort, burde det være nok nøytroner tilgjengelig til å transformere fertilt materiale (thorium-232 - thorium-brenselssyklus, uran-238 - uran-brenselssyklus) til fissilt material (uran-233 -thorium-brenselssyklus, plutonium-239 - uran-brenselssyklus), i tillegg til det ene nøytronet som trengs for å holde kjedereaksjonen gående. Et mål på hvor bra dette skjer i brenselet er breeding ratio, som er raten fissilt materiale produseres delt på raten det brukes. Hvis en reaktor lager mer fissilt materiale, fra det fertiel, enn det den bruker, sier man at reakoren "avler" (breeding).

Hvis 2 nøytroner blir frigitt per fisjon (som i gjennomsnitt er sant), er breeding i prinsippet mulig. Dessverre, som allerede nevnt, så taper man nøytroner som blir "spist opp" andre steder i reaktoren.

Greia med thorium, DEL II

Hei dere, her kommer del 2 av "påskekrimmen" jeg startet i går 🙂 DEL I kan lese her.

Kjernekraft - i går, i dag, og i morgen

Kjernekraft

I går

Den 2. desember 1942 gikk verdens aller første menneskelagde kjernereaktor - Chicago Pile no 1 - kritisk, under Enrico Fermis ledelse. 12 år etter dette, den 27. juni 1954, ble det produsert elektrisistet på Obnisk-kjernekraftverket i Russland - verdens første sivile kjernekraftverk. To tiår senere, i løpet av 1970-årene, ble det produsert 100 GW elektrisitet fra kjernekraft, og selv om det var de som var negativt innstilt til alt som hadde med atom å gjøre, så var majoriteten forholdsvis positiv. Dette holdt seg stort sett inntil Tsjernobyl-ulykken, som skjedde den 26. april 1986. En konsekvens av denne ulykken var at den virkelig fikk bremset ned den teknologiske utviklingen innen kjernekraft. Tsjernobyl satte ikke en stopp på kjernekraft som en del av verdens energimiks, men fikk altså virkelig saknet utviklingen av neste generasjons kjernekraftverk. I stedet for å erstatte gamle kjernekraftverk med ny og bedre teknologi, har heller dekommisjoneringsdatoene blitt kraftig forlenget, og forskning og utvikling utsatt.

Status i dag

Gjennomsnittlig befolkningsvekst er på ca 80 millioner per år. Verdens totale befolkning har gått fra 3.7 milliarder i 1970, til nesten 7.5 milliarder i 2016 (note: teksten ble skrevet i desember 2016 😉 ), og FN antar at vi kommer til på nå 10 milliarder mennesker i verden rundt 2050. Etter dette antar man også vekst, selv om den kommer til å skje saktere.

Med både flere mennesker, og økt energiforbruk per capita, antar man at det total energibehovet vil øke med rundt 50% fra 2012 til 2014. den største økningen skjer i Kina og India, som til sammen står for ca 50% av veksten.

Energisikkerhet defineres av IEA (International Energy Agency) som "uavbrutt tilgang til energikilder til en rimelig pris", og anses som helt grunnleggende for en sikker, stabil og fredelig verden. Det å skulle oppnå energisikkerhet for alle har dog vist seg vanskelig. CO2-utslippene våre har ført til en menneskeskapt klimaendring. I dag er den aller største kilden til energi fossil (olje, kull og gass) - hvilket bidrar til klimaendringer med sine store CO2-utslipp.

Ettersom frykten for klimaendringer har økt, og frykten for et nytt Tsjernobyl har minket, har kjernekraft igjen blitt en mulig løsning på den økte energietterspørselen. I FNs klimapanels siste rapport (no. 5, som ble publisert i 2014 - altså 3 år etter Fukushima-ulykken) blir kjernekraft trukket frem som en viktig del av en mulig løsning på menneskeskapte klimaendringer. De grupperer kjernekraft sammen med andre fornybare energikilder, som nøkkelelementer i et lavkarbons energisystem, sammen med CO2-fangst og -lagring (CCS). Spørsmålet "What are the main mitigation options in the energy supply sector?" besvares på følgende måte:

No single mitigation option in the energy supply sector will be sufficient (...) Achieving deep [cuts in greenhouse gas (GHG) emissions] will require more intensive use of low-GHG technologies such as renewable energy, nuclear energy, and carbon dioxide capture and storage (CCS). (Min understreking)

Klimapanelet foreslår at bruken av kjernekraft bør økes, og at denne energiformen kan erstatte den fossile baselasten (elektrisitet produsert med olje, gass, kull) mange steder i verden.

Per 2014 er det 440 kjernekraftverk i verden. Disse produserer ca 11% av all elektrisitet på verdensbasis.

I morgen

Hvis vi antar at anbefalingene til IPCC følges så vil det bli en utbygging av kjernekraft. Mer enn 60 reaktorer er under bygging (per januar 2017), og elektrisitetsprosuksjon fra kjernekraft er forvntet å øke proporsjonalt med den total elektrisitetsproduksjonen over de neste 20 årene. Denne utbyggingen vil mest sannsynlig hovedsakelig bestå av velkjent kjerneteknologi - det vil si GenerasjonIII(+) termiske reaktorer, som kjører på uran/plutonium-brenselssyklusen. Uten resirkulering av avfallet/(det brukte) brenselet vil uran, som en lett tilgjengelig og rimelig ressurs, etterhvert forsvinne. I tillegg vil man få bygget opp store mengder radioaktivt avfall. Thorium-brenselssyklusen kan være en del av løsningen på begge disse problemene:

Det fins mer thorium enn uran på Jorden, og selv om både uran- og thoriumbaserte brensel kan "avles" (breeding) - dermed gi opp til 200 ganger mer energi fra brenselet - ser public opinion ut til å være mer positiv når det gjelder thorium, fordi det er noe "nytt". Offentlig aksept, heller enn økonomi, er hovedbarrieren mot utvikling i Vesten. I Kina og India er folket stoltere av sine kjernefysiske prestasjoner, og det er en sterk støtte til kjernekraft. Videre utvikling av kjernekraft vil derfor i hovedsak skje i denne delen av verden. "Avl" eller nesten-"avl" (breeding) er dessuten mulig med termiske nøytroner i thoriumbasert brensel. I tillegg blir det produsert neglisjerbare mengde av plutonium fra thoriumbaserte brensel, sammenliknet med uranbaserte brensel, og det er mye vanskeligere å produsere våpen fra denne brenselssyklusen. Dersom thoriumbaserte brensel multi-resirkuleres kan hele avfallsproblematikken redusere meget kraftig.