Trots de uppenbara säkerhetsriskerna måste vi ha kärnkraft. Det finns ingen utväg, som läget är idag. Men avfallet erbjuder nästan oöverstigliga problem. Om man inte kan förbränna det i en ny typ av kärnkraftverk och samtidigt bli av med allt plutonium.

Metalliskt uran är inte farligt att ta i. Det strålar alfastrålning, men den kan inte passera huden. Egentligen är uran metallblankt, men det oxiderar snabbt och blir grått i atmosfären. KTH köper kutsar som dessa från USA för ett antal hundra tusen kronor per hekto och har dessutom ett litet lager med uran från det svenska atombombsprojektet noga inlåst i kassaskåp. De används som råmaterial vid tillverkningen av det nya nitridbränslet.
- Den här artikeln visar alltings ursprung, hur Blykalla startades och hur Janne Wallenius kom på det där med nitridbränsle. Intervjun till artikeln utfördes i ett labb på KTH år 2012 och sedan dess har det sprutat på. Tekniken har inte ändrats så mycket, men numera kallas reaktortypen för SMR – Small Modular Reactor och den prototyp man avser att bygga i Oskarshamn kallas SEALER: Swedish Advanced Lead Reactor. Numera har man också löst problemet med blyets korrosivitet.

Kärnkraft, ja tack, säger Janne Wallenius medan han mycket kärvänligt håller om en behållare med 250 gram uran som nyligen kommit från USA.
Utbränt kärnbränsle är ett elände. Det är farligt och dyrbart och svårt till omöjligt att transportera. Det måste slutförvaras i hundra tusen år. Även om kärnbränslet kan tyckas nyttigt just när det används, är kostnaderna för slutförvaring och säkerhetsarrangemang hårresande, nämligen tio procent av produktionskostnaden. Hamnar det i fel händer kan terrorister utvinna plutoniet och göra kärnvapen, eller bara sprida ut det finpulvriserat.
Eller är det tvärt om? Sitter Sverige på en guldgruva? Dagens kärnkraftverk av generation två, med vatten som moderator, förbränner inte mer än 0,7 % av energin i kärnbränslet. Sedan har mängden 235U blivit för låg. Allt uran som återstår är stabilt 238U och bränslet måste bytas. Vi tar alltså bara toppen ur bränslestavarna. Med den nya tekniken i fjärde generationens kraftverk kan man använda de resterande 99 % uran, göra om det till plutonium och driva kärnkraft i dagens omfattning i 5000 år utan att behöva bryta nytt uran. Mängden högaktivt avfall kan minskas till en hundradel.
Sjönk det in? Fortsätta med kärnkraft, men helt sluta bryta uran!!
Därför föreslår professorn i reaktorfysik Janne Wallenius på KTH att Europa bör satsa på Electra (European Lead Cooled Training Reactor), en blykyld reaktor bättre känd som LFR (Lead-cooled fast reactor), med snabba neutroner som kan eliminera allt det gamla, oanvändbara bränslet.
– Blykyld, undrar vi med förvånad min. Det är väl inget bra för neutronerna?
– Jodå. Bly är relativt transparent för neutroner. Man får skärma med stål eller borkarbid istället. Däremot är bly väldigt bra på att skärma gammastrålning.
Jag har forskat på transmutation av kärnavfall och fjärde generationens reaktorer i 15 år. För att kunna återanvända kärnavfallet från dagens reaktorer på ett sätt som både är säkert och förhoppningsvis ekonomiskt måste man använda sk snabba reaktorer. Det är reaktorer där man inte bromsar in, eller modererar, neutronerna som uppstår i kärnklyvningen. Med snabba neutroner blir neutronekonomin bättre. Man producerar flera neutroner vid varje kärnklyvning. Då får man tillräckligt många neutroner för att dels kunna tillverka lika mycket nytt kärnbränsle i form av 239Pu från 238U så att man kan använda nästan 100 % av det uran vi engång grävt upp ur marken och dels kan man använda de snabba neutronerna för att transmutera annat onyttigt långlivat högaktivt avfall, som americium till kortlivat. Am är svårt att hantera och hittills har man bara struntat i det och låtit det gå med i avfallet.
Snabba reaktorer har funnits länge, körs i relativt stor omfattning och är kända som natriumkylda bridreaktorer som är vanliga i Ryssland, Indien och Kina. I dessa reaktorer återanvänder man bara Pu men för att göra något åt bränslets farlighet på lång sikt måste man återvinna även Am, som är den stora knäckfrågan.
När man bränt av en vanlig bränslestav i ett gammaldags kärnkraftverk återstår huvudsakligen stabilt 238U. Dessutom finns det 1 % Pu och 0,1 % Am. Man kan tycka att det är väldigt lite och inte så problematiskt, men det är just vad det är. Hälften av farligheten är Pu och den andra halvan är Am.
Ska man återvinna Am behövs nya återvinningsmetoder, som nu finns tillgängliga. Men natriumkylda reaktorer är ostabila och olämpliga för Am-återvinning. Dessutom är det otrevligt med flytande Na för om man får en läcka får man en natriumbrand, vilket händer regelbundet.
Eftersom Na inte är så bra har vi och våra kolleger i Ryssland, Italien, Tyskland och Belgien beslutat oss för att utveckla blykylda reaktorer istället, både för att göra kärnkraften uthållig och för att kunna återvinna Am. Bly reagerar som bekant inte våldsamt med vatten. Bly kokar vid betydligt högre temperatur (1749°C) än natrium (883°C) så risken för voiding, bubblor i kylmediet, minskar.
Svårt med bly
– Bly är både korrosivt och erosivt. Själva korrosionsfrågan håller dock på att lösas för bränsletubernas del. Tyska forskare har börjat belägga rostfritt stål med ett skikt av aluminium och det är väldigt korrosionståligt. För pumpar är det en annan sak. Pumpbladen vispar fort men blyet rör sig långsamt och skillnaden kan vara upp till 10 m/s. Vi har inte hittat något bra material ännu, så i den första reaktorn tänker vi förlita oss på självcirkulation. Bly cirkulerar ovanligt bra av sig själv eftersom en procents expansion blir en väldig förändring i densitet, betydligt mycket bättre än Na.
– Skulle man inte kunna driva fram bly med trefasström, ungefär som MAGLEV-tåg, framkastar undertecknad i en förhoppning om att tillföra utvecklingen ett nytt koncept.
– Jo, det kan man göra. En sådan elektromagnetisk pump används redan i vårt blycirkulationslabb (se nedan). De duger utmärkt för forskningsanläggningar, men är inte så eleffektiva. Skulle man köra en kommersiell anläggning med elektromagnetiska pumpar skulle nästan all producerad ström gå åt till pumparna.
Electra-reaktorn

En principskiss av den snabba, blykylda reaktorn Electra. Härden är inte särskilt stor, 30 x 30 centimeter, men den kommer att avge en halv megawatt. Bly är bra på att självcirkulera. Notera att kylslingorna bara kyler blyet 100°C. Man har inga styrstavar utan använder sig av runda ”bromstrummor” som till häften består av borkarbid som är bra på att sluka neutroner. När man vrider trummorna så att BN-sektorn vänder mot härden, avstannar reaktionen och när BN bara är 20 centimeter längre bort, går reaktionen för fullt. Reaktorn ska inte behöva laddas om på 30-40 år.
Janne vill bygga reaktorn Electra i Sverige, vid i lagret för utbränt kärnbränsle, CLAB, i Oskarshamn, upparbeta och använda och upparbeta om och om igen på samma plats, i 5000 år om man så önskar.
– Vi föreslår att anläggningen byggs i Oskarshamn eftersom allt det andra redan finns där. De båda bränslecyklerna kommer att pågå helt och hållet inom denna anläggning, där säkerheten redan är tillfredsställande.
Electra ska ge en halv megawatt.
– En halv megawatt i en liten grej på 30 x 30 centimeter, blir inte det väldigt varmt?
– Det kommer att bli varmt. Bränslet kommer att bli 1000 grader och kylmediet kommer att växla mellan 400 och 500 grader, helt vanliga temperaturer. Men energitätheten kommer bara att bli en fjärdedel mot gammadags reaktorer.
Vi föreslår att Electra-anläggningen blir totalt 600 kvadratmeter, för vi vill ha någonstans att tillverka bränslet också. Det gör man lämpligen på samma plats, innanför samma staket. Vi vill bygga en liten anläggning för bränsleåtervinning och en för tillverkning. Avsikten är dock inte att producera el med anläggningen utan bara att visa på principen.
Men vi är inte ensamma. I Belgien har regeringen finansierat ett program kallat Myrrha för att bygga en reaktor kyld med bly-vismut. I Frankrike är de så inkörda på natrium att de tänker fortsätta med det. De kommer att bygga Astrid-reaktorn, som ska stå klar om tio år. Mina kolleger här på KTH kommer att delta i det projektet för att bland annat studera härdsmältefenomen.
Upparbetning behövs
– Kan det gamla bränslet användas som det är?
– Nej, tyvärr kan man inte ta utbränt MOX-bränsle (lättvattenreaktorbränsle) direkt och stoppa i snabbreaktorn, utan det måste upparbetas först. Man måste lösa upp använt uranoxidbränsle i salpetersyra och använda PUREX-processen och separera ut uran och plutonium med tributylfosfat som lösta nitrater. Sedan omvandlas nitraterna till oxider. Oxiderna kan sedan användas som MOX-bränsle i snabbreaktorer, eller som vi planerar, konverteras till nitrider.

Bränslecykeln visar hur bränslet vandrar från vanliga generation-2-reaktorer eller från slutförvaret, upparbetas och blir till bränsle för den snabba generation-4-reaktorn och kan återvinnas om och om igen. Nyckeln är att man återanvänder stabilt 238U för att göra Pu och kan hålla på tills allt 238U är slut. Dessutom transmuteras allt Am och Cm. Ut ur snabbreaktorn kommer utarmat bränsle av samma typ man stoppade in, såsom blandade oxider (MOX, mixed oxides), blandade nitrider (MIN, mixed nitrides) eller blandade metaller (MM, mixed metals).
Vid varje cykel avskiljer man fissonsprodukterna (FP) som är rester av transmuterat (sönderslaget) Am och Cm, gaser, ädelmetaller och sällsynta jordartsmetaller, som nu fått betydligt kortare halveringstider. Pu kör man slut på helt och hållet. Mängden högaktivt avfall som återstår, volymen på slutförvaret reduceras 3-6 gånger, medan mängden högaktivt avfall minskas till en hundradel! Fjärde generationens kärnkraftssystem ökar de befintliga bränsleresurserna 100 gånger och reducerar lagringstiden med 100 gånger vilket sammantaget kan ses som att man minskar mängden högaktivt avfall 100 gånger. Och dessutom, genom att metallernas plutonium, americium och curium tas bort ur avfallet blir det kallare, varvid det kan packas tätare i slutförvaret utan att vattnet kokar bort ur leran mellan kapslarna.
Chalmers håller för närvarande på att försöka ta fram en egen upparbetningsprocess baserad på salpetersyra där man kan utvinna mer av det goda, nämligen Am och Cm också. Skillnaden i den nya processen är att man vill undvika att det utvunna materialet ska kunna användas i vapen. Istället ser vi till att hålla ihop Pu med Cm, eftersom man inte skulle kunna kontrollera avfyringsögonblicket i en bomb gjord av dessa ämnen tillsammans, då Cm spontant avger små skurar av neutroner.
Nitridbränslet föds i 2000 grader
Det nya bränslet, sk nitridbränlse, har utarbetats under Jannes ledning i Europa under 15 år. Det har extremt bra värmeledningsförmåga, vilket resulterar i låg temperatur i bränslet och stora marginaler till smältning.
– Det har varit svårt att tillverka, men numera har vi metoder som fungerar. Vi har provkört det i en reaktor och det fungerar ovanligt bra under bestrålning. ”Bra” i det här fallet betyder att bränslekutsarnas kvarstående volym inte ökar vid bestrålning. Normalt bildas det gasbubblor i MOX-bränsle, men inte i vårt bränsle.
Uranbränslelabbet startades år 2009. Det var ingen som trodde att vi skulle lyckas med det, men det har vi gjort. Det är min kollega Mikael Jolkkonen som har byggt labbet med egna händer. Där tillverkar vi urannitrider och uran-zirkoniumnitrider med riktigt bra resultat med en metod vi utvecklat själva. Tyvärr får vi inte arbeta med Pu, så vi simulerar Pu med metalliskt U istället. Uranet nitrideras genom att först utsättas för en ström av vätgas och kvävgas vid cirka 1200°C varvid det mycket behändigt förvandlar sig självt till ett väldigt fint pulver. Pulvret pressas till kutsar, i vad man nästan skulle kunna kalla en vitlökspress. Då blir det inte särskilt tätt, utan kutsen måste värmebehandlas vid mycket hög temperatur, för att sintras (nästan-smältas) till ett tätt material. Det görs redan nu i den konventionella bränsletillverkningen, i Västerås till exempel. Men det fungerar inte särskilt bra för nitridbränsle, utan vi håller på med en ny metod som går ut på att man kör en mycket hög ström igenom kutsen samtidigt som man pressar den. Vi kallar det för Starkströmsassisterad varmpressning (mysigt uttryck!), eller SPS-sintring. En av de få maskiner som finns i Europa för att göra det, står här på KTH. Vi kan uppnå 98 % täthet i kutsarna och det är världsrekord.
Men PuN är instabilt vid höga temperaturer och faller sönder i Pu och kvävgas. Det kan undvikas om man blandar ut PuN med ZrN. Vi har testat i 2300°C och plutoniumzirkoniumnitrid är mycket stabilare än PuN.
Uranbränslelabbet

The Bränsle Boys från laboratoriet för tillverkning av uranbränslen, från vänster Mikael Jolkkonen, Kyle Johnson och Perti Malkki.
KTHs laboratorium för tillverkning av uranbränslen har varit i drift sedan 2009, så vi tog och hälsade på. Här arbetar tre doktorander och examensarbetare för fullt med att iordningställa en högtemperaturugn för sintring av nitridbränsle, men när undertecknad kommer in och vill fingra på uranet, öppnar man bredvilligt kassaskåpet.

Denna till synes beskedliga aluminiumburk är en sk syntesugn där man hettar upp metalliskt uran till 1200°C i närvaro av vät- och kvävgas och får uransesquinitrid (U2N3) vilket man i närvaro av argon sedan reducerar till uranmononitrid (UN) i pulverform.

UN är ett pulver, som pressas till hårda kutsar i en press, i en handskbox som denna.

Alla uranprodukter förvaras i små plastburkar med serienummer.

Här står Kyle Johnson och mekar med högtemperaturugnen där man sintrar UN-kutsen i 2000°C under 4 timmar.

En annan metod är SPS-sintring (Spark Plasma Sintering) där man värmer upp UN under tryck med en ström på 5000 ampere.

Oavsett sintringsmetod får man ut kutsar av sk nitridbränsle. Det är inte heller farligt att ta på. Kusten precisionsslipas till avsedd diameter med en noggrannhet på 10 my.
Blycirkulation är knepigt
– Vi har också ett blycirkulationslaboratorium. Det invigdes 2004 av våra kolleger inom kärnkraftssäkerhet och är en unik anläggning i Europa för just forskning om självcirkulation. Dessutom har vi ett korrosionslabb där man provar blyets korrosiva egenskaper på exempelvis bränsletuber. Man har en behållare med bly som man lägger olika stålbitar i och där får det stå ett år. Det kan tyckas vara lite långrandig forskning, men det visar sig att vissa ståltyper blir ”uppätna” efter ett par tusen timmar i 550 grader, medan andra stål håller 10.000 timmar. De bränsletuber vi föreslår för nitridbränslet (och här tar Janne fram ett sexmillimeters rostfritt stålrör och böjer lite) består av titanstabiliserat stål som utvecklats av Sandvik för användning i natriumreaktorer. Det är mekaniskt starkt i höga temperaturer, men det innehåller nickel och Ni är lösligt i bly, så det här röret kommer att korrodera vid våra drifttemperaturer. Det löser sig som socker löser sig i vatten. Därför måste vi skydda det med ett ytskikt och vi tror att det bästa skyddet är aluminiumoxid. Det är våra tyska kolleger som kommit på hur man ska belägga röret med aluminium och när man utsätter det för bly bildas en hinna av aluminiumoxid, mera känt som rubin, som förhindrar vidare attacker.
Grön kärnkraft?
– Generation 4 verkar vara ren återvinning. Kan man tala om ”grön” kärnkraft?
– Ja, det tycker jag att man kan göra. Om principen för det gröna samhället är att vi ska återvinna avfall så är det ju definitionsmässigt grön kärnkraft.
Nå, allt är inte solsken. Kostnaden för det svenska djupförvaret är idag cirka 10 % av produktionskostnaden för den svenska kärnkraftselen. Driftsmässigt kommer snabbreaktorsystemet att bli 20 % dyrare än det gamla systemet. Å andra sidan är bränslet gratis. Det kan vara värt att ta den högre kostnaden för att slippa bryta mera uran. Målet för forskningen är naturligtvis att minska kostnaderna, men vi kan ju inte lova något.
– Om det funkar. Men det får vi väl hoppas, avslutar Janne Wallenius.
Läs mer
Blykalla: https://www.blykalla.com/technology
Blykalla vädrar morgonluft: https://www.energinyheter.se/20221027/27649/blykalla-vadrar-morgonluft
Saker faller på plats för Blykalla: https://www.energinyheter.se/20240409/31141/saker-faller-pa-plats-blykalla