Kärnkraftsprofessorn vill skapa framtidens reaktor

Projektet Electra, en liten blykyld reaktor för forskning och utbildning med planerad byggstart 2020, beräknas kosta en miljard kronor att genomföra.

Mycket pengar kan tyckas, men en kommersiell version av den nya sortens reaktor skulle enligt Janne Wallenius kunna ge samhället en säker, miljövänlig elförsörjning. Och med en 99-procentig återanvändning av nytt och gammalt kärnavfall som bonus.

– Unikt med Electra är att vi ersätter vattenkylningen med rent, flytande bly. Jag och min forskargrupp är först i världen att designa en realistisk reaktor som är helt blykyld, säger Janne Wallenius.

En nackdel med bly som köldmedium är att materialet är så tungt och korroderande att det snabbt nöter sönder och bryter ner bland annat pumpblad.

För att göra blyet mindre korroderande har forskare i Tyskland arbetat med att belägga stål med aluminium. Lösningen utforskas vidare i KTH:s korrosionslaboratorium, genom tester av aluminiumlegerade stål i bly.

– Men i testanläggningen Electra behövs inga pumpar, eftersom blyet i så här liten skala cirkulerar av sig självt. Vi ska ha hittat en lösning på korrosionsproblematiken när det är dags att bygga en kommersiell anläggning av Generation 4, säger Janne Wallenius.

Till blyets fördelar hör att det inte kan koka bort, vilket skulle motverka en härdsmälta, och bly är dessutom ett bra strålskyddsmaterial. Kemiskt binds bly till jod, så Jod 131 skulle inte släppas ut vid en eventuell bränsleskada.

Minianläggning med maxat bränsle

Electra-reaktorn blir liten, bara 30 x 30 centimeter, att jämföra med kommersiella reaktorers cirka fyra meter i diameter, och hela reaktorns kringbyggnad blir sammanlagt 600 kvadratmeter stor.

Testreaktorn ska producera en halv megawatt värmeenergi, medan vanliga kärnkraftverk i drift producerar tusentals megawatt.

– Även den efterföljande kommersiella Generation 4-reaktorn måste hållas liten för att tåla blymaterialet, och det löser vi genom ett nytt sorts bränsle – Uran 238-plutonium-zirkonium-nitrid, (U-Pu-Zr)N, som har tio gånger högre värmeledningsförmåga än vanligt kärnbränsle, säger Janne Wallenius.

Det nya bränslet gör uranet 100 gånger mer effektivt. I forsknings- och utbildningssyfte har tidigare fem liknande bränslestavar bränts runtom i världen, och i Electra ska forskarteamet bränna 400 stavar med det nya bränslet.

Lättvattenreaktorerna bränner ut cirka 0.7 procent av energin, hur mycket kommer den nya reaktorn att klara?

– 99 procents förbränning och återvinning av bränslet är målet. Det innebär att vi kan köra kärnkraftverk i Sverige i 5 000 år till utan att behöva gräva upp mer uran ur marken.

Den nya kärnkraften börjar vid slutförvaret

Allt använt kärnbränsle i Sverige förvaras i dagsläget i en bassäng i Oskarshamn, i väntan på att inneslutas i kopparkapslar och grävas ner i marken för djupförvaring. Enligt Janne Wallenius skulle den svåra frågan om slutförvar av kärnbränsle lösa sig när Generation 4 blir verklighet.

– Dagens använda kärnbränsle ska djupförvaras i hela 100 000 år. Våra nya reaktorer kommer att drivas på just det använda kärnbränslet, som Svensk Kärnbränslehantering säger att det är fullt möjligt att ta upp ur marken, säger Janne Wallenius.

– De är förstås ändå viktigt att fortsätta utvecklingen av djupförvar för kärnavfallet. Den lilla mängd kärnavfall som skapas av en Generation 4-reaktor behöver dock inte förvaras i marken längre än 1 000 år, jämfört med tidigare 100 000 år.

Det innebär i sin tur att även korrosionsforskare som kritiserat säkerheten i de planerade kopparkärlen kan enas om att förvaringen är säker.

– Den globala årsproduktionen av koppar på jorden skulle inte räcka till hela världens slutförvar, men faktum är att stålkärl skulle räcka bra för de nya reaktorernas bränsleavfall, säger Janne Wallenius.

Hur säker är egentligen kärnkraften?

Sveriges senaste kommersiella reaktorer, Generation 3 plus, är försedda med passiva säkerhetssystem, vilket också Electra ska vara. Det alternativa säkerhetssystemet ”redundans” byggs ofta in i system som måste ha hög tillförlitlighet, men det hjälpte föga när reaktorerna i Fukushima havererade till följd av jordskalv och tsunami 2011.

– Redundans betyder att olika funktioner i driftsystemet arbetar parallellt med samma uppgifter, och speglar varandra – om en funktion slutar fungera så tar den andra över. Men säkerhetssystemet är då beroende av extern elförsörjning, vilken slogs ut helt i Fukushima, säger Janne Wallenius.

De nya passiva, fysikaliska säkerhetssystemen innebär att gravitationen får göra jobbet i yttersta nödfall, bland annat genom så kallad naturlig konvektion för kylning, och genom inbyggda styrstavar i locket till bränslestavarna.

Var finns i dagsläget världens osäkraste kärnkraftverk?

– I Ryssland, där det finns reaktorer i drift som liksom kärnkraftverket i Tjernobyl saknar inneslutning.

Ser du en risk i att en utbyggd och utvecklad kärnkraft skulle kunna öka kärnvapenproduktionen i världen?

– Den risken minskar genom den nya sortens uranbränsle. Det krävs inte mycket kunskap för att skapa kärnvapen av det uranbränsle som används i dag, det som krävs är tillgång till anrikningsteknik, det vill säga snabb centrifugering av uran som separerar uran 235 ur 238, säger Janne Wallenius.

– Jag ser det som viktigt att begränsa tillgången till anrikningsteknik. Sverige köper vi exempelvis in anrikat uran till våra kärnkraftverk i stället för att skapa det på egen hand, för att minska risken att terrorgrupper ska få tillgång till det.

Visioner för framtidens kärnkraft

Världens energibehov ökar hela tiden, samtidigt som koldioxidutsläppen måste minskas, och Janne Wallenius är övertygad om att den nya generationen kärnkraftverk är lösningen på det globala problemet.

– Men från politiskt håll måste man också satsa mer på andra smarta energilösningar, som utveckling av solfångare och bränsleceller, säger han.

Vad ser du som det viktigaste du har åstadkommit i arbetet?

– Jag har lyckats vinna många människors förtroende för kärnkraftsforskningens resultat. Förtroendet är viktigt, eftersom det krävs stora ekonomiska resurser för att skapa en storskalig reaktor, och skattebetalarna måste gå med på att bidra till framtidsutvecklingen.

För mer information, kontakta Janne Wallenius på 08-55 37 82 00 eller janne@neutron.kth.se.

Katarina Ahlfort

Läs mer om Reaktorfysik KTH

Utvecklingen av svensk kärnkraft

Generation 1 är testanläggningar för kärnkraft,

Generation 2 är kommersiella, fullskaliga kärnkraftverk,

Generation 3 drivs med säkerhetssystem baserade på redundans,

Generation 3 plus har inbyggda passiva säkerhetssystem.

Fakta Genius-samarbetet

KTH deltar tillsammans med Chalmers och Uppsala universitet i det så kallade Genius-samarbetet, för att förverkliga den fjärde generationens kärnkraft. Vetenskapsrådet finansierar projektet med 36 miljoner för studier av material, bränsle och säkerhet i blykylda reaktorer. 25 personer, varav tio doktorander, deltar i projektet.