Danska Copenhagen Atomics har inlett ett samarbete med schweiziska Paul Scherrer Institute (PSI) och tagit ytterligare ett steg mot en kommersiell serieproducerad toriumreaktor. Tekniken har potential att klara hela världens energiproduktion i all framtid helt utan fossila bränslen. Men vägen dit är lång och tills dess kan det kanske vara dags att först ta en titt på var kärnkraften började, var den står och vart den är på väg.

På 1950-talet och tjugo år framåt var det ingen ände på tilltron till kärnkraft. ”Alla” visste att atomkraften var framtidens energikälla och det spekulerades vilt i atomdrivna bilar och atomdrivna flygplan. 1959 sjösattes det första kommersiella atomdrivna fartyget (NS Savannah).

Tungvattenreaktorer
Från femtiotalet och framåt byggdes en rad kärnkraftsreaktorer av olika slag i världen. I Sverige byggdes först två forskningsreaktorer, R1 i Stockholm (under KTH)och R2 i Studsvik. Vid Studsvik byggdes också flera mindre forskningsreaktorer.

Den första mera kommersiella reaktorn, R3, byggdes i Ågesta, 3,5 km från Farsta C. Den levererade under ett antal år bland annat fjärrvärme till Farsta. Därefter byggdes R4-reaktorn i Marviken, men den startades aldrig.

De här reaktorerna var alla av tungvattentyp. Den stora fördelen med den typen av reaktor är att bränslet (uran) inte behöver vara upparbetat. Man kan använda naturligt uran, som brukar ha innehålla ungefär 99,3 procent U-238 och 0,7 procent U-235. Det är också möjligt att använda reaktorer av den här typen för att skapa plutonium (Pu239) av vapenkvalitet från naturligt uran, något som var intressant för Sveriges planer på egna kärnvapen.

Upparbetning av uran till en högre andel U-235 är en avancerad, dyr, men framför allt politiskt mycket känslig process. U-235 som är upparbetat till ca 90 procent fungerar bra till atombomber även om Pu-239 är bättre.

I och för sig räcker det med en upparbetning till 3-5 procent för enklare reaktorer. Men den som har en upparbetningsanläggning som klarar det steget kan också gå vidare till högre andel U-235. Upparbetningen blir enklare och går snabbare i takt med att andelen U-235 ökar.

Lättvatten
I slutet av sextiotalet stod det klart att svenska försvaret inte tänkte bygga egna kärnvapen. I samband med det fick vi ett avtal med USA som säkrade tillgången på upparbetat uran med en tillräckligt hög andel U-235 för lättvattenreaktorer. Det fanns inte längre någon större anledning att använda den mera komplicerade tungvattentekniken.

Den första kommersiella reaktorn ”på riktigt” (Oskarshamn 1) blev därför en svenskkonstruerad lättvattensreaktor från Asea Atom. Asea Atom byggde totalt elva reaktorer (kokarreaktorer), varav nio i Sverige. Tre reaktorer av tryckvattentyp, Ringhals 2, 3 och 4, byggdes i Sverige av Westinghouse.

I större delen av världen gick man över till lättvattenreaktorer. I Kanada fortsatte man däremot med egna tungvattenreaktorer (CANDU).

Kolet och aktivisterna vann
Alla siffror pekade uppåt för kärnkraften men under senare delen av sjuttiotalet märktes ett växande kärnkraftsmotstånd i en del kretsar. Debatten handlade om olycksrisker, radioaktivitet och avfall. I och med olyckan vid Three Mile Island 1979 (Harrisburg) ”exploderade” motståndet, framför allt i vänsterkretsar. Förvånansvärt snabbt tappade kärnkraftsindustrin i Västvärlden allt momentum. I USA och Västeuropa byggdes ytterst få reaktorer efter åttiotalet.

Hur kunde det då gå så illa? Olyckan i Harrisburg resulterade ju varken i döda eller skadade.

Problemet var väl närmast att kärnkraften redan hade svårt att konkurrera ekonomiskt med kolkraften, speciellt i länder med egna kolreserver. På lång sikt var i och för sig kärnkraften överlägsen men grundinvesteringarna och därmed de ekonomiska riskerna var höga. Så länge kärnkraften hade ”bra PR” var det inget större problem men när antikärnkraftsrörelsen fick fart framstod det som säkrare för energiföretag att satsa på kol.

Att det här innebar snabbt ökande koldioxidutsläpp och mycket stora svavelutsläpp var inget som på den tiden oroade kärnkraftsmotståndarna. De övertygade sig själva om att kärnkraften var värre än allt annat och fakta spelade inte någon roll i sammanhanget. På trettio år byggdes inga nya kärnkraftverk i Västeuropa och USA.

Kolet tappade sin charm
Så här kunde det mycket väl ha fortsatt. Det finns lättillgängliga lager av kol som räcker i många hundra år. Upptäckten av stora naturgasfyndigheter runtom i världen gjorde också att ”gasrika” länder växlade över till att producera el i gaskraftverk.

Både kolkraftverk och gaskraftverk ger en alldeles utmärkt baskraft och en nästan lika stabil elförsörjning som kärnkraft. Moderna kolkraftverk med bra rökgasrening släpper dessutom inte ut mycket mer än koldioxid och vattenånga. Samma sak gäller gaskraftverk, fast då behövs inte ens någon rökgasrening.

Men i slutet av nittiotalet började rädslan för radioaktivitet kombineras med en rädsla för koldioxid. De gröna partier som vuxit fram ur kärnkraftsmotståndet började så sakta inse att den kolkraft som de hjälpt till att bygga stod för en förbluffande stor del av koldioxidutsläppen.

Det självklara hade förstås varit att återigen satsa stort på kärnkraft men det var politiskt omöjligt. Kärnkraften var definitionsmässigt ”stora satan” för alla gröna partier och det gällde därför att hitta en annan väg.

Vind och sol
”Lösningen” blev vind och sol. Alla gröna och ”halvgröna” partier övertygade sig själva om att vind och sol skulle kunna ersätta fossila bränslen. Media hängde på till hundra procent – ”sol och vind” låter ju så bra.

Problemet är bara att vindenergi och solenergi faktiskt inte kan ersätta varken kolkraft, gaskraft eller kärnkraft ”rakt av”. Elproduktionen varierar dramatiskt och skapar snabbt stora problem i elnätet. Redan idag har länder som Tyskland med god marginal passerat gränsen för vad som är möjligt innan nätet blir instabilt. Till och med i Sverige, som tidigare hade världens stabilaste elnät, har man lyckats förstöra elförsörjningen genom att byta en trots allt ganska liten del av baskraften mot vindkraft.

Nya sjuttiotalsreaktorer
Och här står vi då med vackra politiska löften om en billig, stabil och fossilfri energiproduktion som skall lösa världens klimatproblem. Men vind och sol står för mindre än sex procent av den totala energiproduktionen och det är alltmer uppenbart att den andelen knappast kommer att öka särskilt mycket. Världens energibehov ökar snabbt och som det ser ut idag riskerar andelen fossila bränslen (idag ca 77 procent) snarare att öka än att minska.

I det läget är det mer än dags att gå tillbaka och fundera på vilka alternativ som faktiskt existerar och vilka alternativ som över huvud taget har möjlighet att lösa de problem som vi vill lösa.

Traditionella kärnkraftverk av den typ vi byggde på sextio-, sjuttio- och åttiotalet har visat sig fungera förvånansvärt bra och dessutom vara extremt långlivade. Från början gissade man på ca 40 års livslängd för en lättvattenreaktor men i verkligheten handlar det snarare om hundra år med rimligt underhåll. De nedstängningar vi sett i bland annat Tyskland och Sverige har gjorts helt och hållet av politiska skäl.

Idag inser allt fler politiker att kärnkraften är nödvändig för att inte elförsörjningen skall ”klappa ihop”. Samtidigt är det ”politiskt jobbigt” att bygga nya anläggningar av samma typ som de man nyss har lagt ner. Ändå är det precis vad som händer. Vare sig man väljer att bygga reaktorer från Westinghouse, EDF eller Kepco är det lätt modifierade sjuttiotalsreaktorer man får. Att de numera tar mycket längre tid att bygga beror framför allt på kraftigt ökad reglering och försvunnen byggkompetens.

Det verkar naturligtvis lite fånigt (och vansinnigt dyrt) att stänga fungerande reaktorer och ersätta dem med nya som är i princip identiska. Ändå är det precis det som ser ut att hända i Sverige (och i andra länder). För att lösa energiförsörjningen på rimlig tid måste vi bygga beprövade konstruktioner och de som finns tillgängliga är som sagt uppgraderade sjuttiotalskonstruktioner. De är i och för sig alldeles utmärkta, precis som de reaktorer som lades ner.

Ett intressant förslag är att bygga ett par kopior av Oskarshamn 3 för att på det sättet slippa mycket av pappersarbetet (konstruktionen är redan godkänd). Problemet är bara att vi i Sverige inte längre har den byggkompetens som vi hade på sjuttio- och åttiotalet.

Helt klart är att de sex reaktorer som lades ner i Sverige innebar en kapitalförstöring av närmast otroligt slag. Det handlar förmodligen om mer än tusen miljarder kronor om vi räknar in höjda elpriser, missade industriutbyggnader och nya elnät som annars inte skulle ha behövts. Men vi har åtminstone sex reaktorer kvar.

Tyskland lade ner mer än tjugo stora och välfungerande reaktorer helt i onödan (plus ett tiotal mindre). Kostnaden uppskattas till flera tusen miljarder kronor.

Modulärt och beprövat
Ett alternativ till de stora sjuttiotalsreaktorerna är MSR, modulära skalbara reaktorer. Här är tanken att kunna serieproducera mindre reaktorer i fabrik för att uppnå skalfördelar i produktionen. Reaktorerna kan vara av samma typ som sjuttiotalsreaktorerna (ASEA Atom ritade på sjuttiotalet Secure, en reaktor av den här typen). Förutom möjligheten till serieproduktion är den huvudsakliga fördelen en förbättrad passiv säkerhet. Men dagens stora reaktorer är redan så säkra att det inte gör någon större skillnad.

Snabba reaktorer
En av begränsningarna med traditionella reaktorer är att de i princip bara kan ”elda” uran av isotopen U235. Det är lite tråkigt eftersom ca 99,4 procent av den uranmalm som bryts är isotopen U238. Tidigare sågs det här som ett stort problem eftersom man trodde att uran var mycket mera sällsynt än vad som senare visade sig vara fallet.

Redan på sjuttiotalet satsade man därför på att utveckla reaktorer som kunde ”elda” U-238. Det går inte att göra direkt, men genom att skapa ett överskott av neutroner av ”rätt hastighet” kan man få uranatomer av typen U-238 att omvandlas till plutonium (Pu-239) som fungerar utmärkt som bränsle i reaktorn. Omvandlingen går via U-239 och Np-239.

En sådan ”breederreaktor” kan i princip få ut mer än hundra gånger så mycket energi ur en given mängd uranmalm. Den största och mest avancerade reaktorn av den här typen var franska Superphénix som anslöts till elnätet 1986 och producerade drygt 1,2 GW elektricitet fram till 1996 då den stängdes (primärt av politiska skäl).

Här talar vi i och för sig om känd teknik men det hindrar inte att den är väldigt mycket jobbigare än traditionell reaktorteknik. Bland annat ställer den ökade neutronstrålningen betydligt större krav på de material som används i reaktorn. Så länge kärnkraften bara används för en del av världens elproduktion räcker det därför ganska bra med konventionell teknik. Tillgängligt bränsle räcker i åtminstone några hundra år.

Situationen blir helt annorlunda om man vill skifta hela världens energiproduktion till kärnkraft och köra på det sättet i tusentals år. Då är breedertekniken en förutsättning.

Torium
Vill man gå ytterligare ett steg på vägen mot den oändliga energikällan framstår toriumreaktorer som en närmast perfekt lösning. Torium är lika energirikt som uran, finns i mycket stora mängder, är lätt att bryta och är ofarligt i sin grundform. En kula torium av en golfbolls storlek kan ge tillräckligt mycket energi för att täcka en människas totala energibehov en hel livstid. Det gäller i och för sig för uran också (med breederteknik), men torium är mycket vanligare förekommande. Norge har till exempel massor (för att inte tala om Indien).

Precis som med U-238 kan inte torium (Th-232) användas ”rakt av” som bränsle i en reaktor. Men med neutronbestrålning går det att omvandla materialet till den utmärkta uranisotopen U233. Också här finns två mellansteg – Th-233 och Pa-233. Pa-233 omvandlas ”av sig själv” till U-233 efter 27 dagar.

Det här låter alldeles fantastiskt men tekniken är långt ifrån trivial. I Indien har man till exempel hållit på i flera årtionden utan att komma i mål.

Ett grundproblem är omvandlingen av torium till användbart uran. Det här måste göras i en separat process. Man kan inte bara ”kasta in” torium och tro att det hela skall gå av sig själv.

Precis som med traditionella breeders baserade på uran går det inte heller att bygga reaktorerna som lättvattenreaktorer. Oftast används tungt vatten. Det krävs också högre temperatur och därmed betydligt mer avancerade kylmedel som natrium, smält bly eller smält salt. Den kraftiga neutronstrålningen ökar dessutom materialkraven och förkortar livslängden.

Ytterligare ett ”problem” är att det uran (U-233) som produceras är lite för rent. Det behöver inte upparbetas för att kunna användas i atombomber. För att ”sparka igång” processen behövs dessutom relativt höganrikat bränsle (uran eller plutonium).

Men om man kan lösa de här problemen och några till är de potentiella vinsterna jättestora. Bränslet är billigt och avfallsmängderna små och relativt kortlivade. Den höga arbetstemperaturen innebär också att elproduktionen blir effektivare och att man lätt kan tillverka vätgas. Med tillräckligt många reaktorer kan man naturligtvis också tillverka syntetiska bränslen och givetvis fjärrvärme.

Copenhagen Atomics
Copenhagen Atomics grundades för tio år sedan. De är inte ensamma om att utveckla toriumreaktorer men de är kanske intressantast. Företaget har utvecklat en liten reaktorkärna (Onion Core) som skall få plats i en container och de blandar bränsle och torium i var sin slinga med fluorbaserat smält salt. Reaktorn startas med plutonium (från kärnkraftsavfall eller kärnvapenavfall). Efter att breederprocessen startat går systemet över till att elda den uran (U-233) som bildas i ”toriumslingan”.

Reaktorerna är små och levererar vardera 100 MW termisk effekt vid 560 °C. Det motsvarar ungefär 50 MW vid elproduktion men vid många av de tänkta tillämpningarna är man ute efter värmen för olika industriella processer. En stor installation kan mycket väl bestå av tjugo eller fler reaktorer, något som ger extremt bra redundans.

Tidigare har Copenhagen Atomics gjort sig kända för lite överdrivet positiva tidsplaner men efter samarbetet med det väletablerade och mycket konservativa Paul Scherrer Institute (PSI) har planerna blivit betydligt rimligare. Det kommer att dröja flera år innan man börjar att testa med radioaktivt bränsle och ytterligare ett antal år innan en fullskalig produkt finns på plats.

Men när och om man lyckas få igång en serieproduktion av reaktorn lovar företaget mycket låga energipriser och snabba leveranser. Det här är målet för alla tillverkare av små modulära reaktorer. Att ”spotta ut” en reaktor i veckan eller till och med en om dagen behöver inte vara signifikant svårare än att tillverka bussar, bilar eller flygplan.

Fullt möjligt
Copenhagen Atomics är som sagt inte ensamma om att utveckla intressanta reaktorer av en helt ny generation. Svenska Blykalla har hållit på betydligt längre med sina små blykylda reaktorer och det finns många fler som vill ha en bit av kakan.

Och vi talar verkligen om en riktigt stor och smaskig kaka. Världens totala energiförbrukning låg förra året på 183 230 TWh. Omräknat i stabil effekt innebär det ungefär 21 TW.

För att klara hela det effektbehovet med moderna stora kärnkraftsreaktorer (1,5 GW) krävs 14 000 reaktorer eller snarare 15 500 om vi räknar med 90 procent tillgänglighet. Med Copenhagen Atomics små reaktorer talar vi snarare om 250 000 reaktorer om vi räknar med att hälften producerar el och hälften värme. Det låter kanske inte rimligt.

Fast ur en annan synvinkel låter det betydligt rimligare. Trots allt finns det 1,4 miljarder bilar i världen och enbart Toyota tillverkade förra året 11,5 miljoner bilar.

Om vi till att börja med nöjer oss med att ersätta den fossilbaserade elproduktionen handlar det ”bara” om ca 1 400 stora reaktorer eller 40 000 små reaktorer. Det är tillräckligt för att sysselsätta ett fåtal stora serietillverkare några år.

Faktum är att vi behöver en väldigt stor marknad för att göra det ekonomiskt rimligt att starta stora fabriker för serieproduktion av reaktorer. Marknaden får heller inte ”tvärdö” på samma sätt som hände förra gången. Det rimliga är räkna på livslängd och ersättningsmarknad för att nå en vettig årsproduktion.

De stora traditionella reaktorerna har egentligen en alldeles för lång livslängd. Om de håller i hundra år blir det bara 14 reaktorer om året för att ersätta fossilel och 150 reaktorer per år för att ersätta all energiproduktion. Då kan produktionen köras kontinuerligt under ”obegränsad tid”.

Små breederreaktorer slits betydligt hårdare och kan nog bara beräknas hålla i 25 år. Det innebär en produktionstakt på 1 600 reaktorer per år för att ersätta fossilel och 10 000 per år för att på 25 år ersätta all energi. Den produktionstakten fortsätter sedan under obegränsad tid. Det är faktiskt inte så dumt.

Nu kommer vi väl inte att få se en total övergång till kärnkraft, men det är intressant att det faktiskt vore fullt möjligt och att det skulle kunna lösa världens energiförsörjning för överskådlig tid. Som en bieffekt skulle världens koldioxidutsläpp i det närmaste raderas ut.

Fusion är svårare
Om vi i stället tittar på fusion ser vi betydligt större hinder. Det talas mycket om tekniska genombrott men fusion är otroligt mycket svårare och dyrare än fission.

Det här märks inte minst inom EUs fusionsprojekt, Iter. Projektet startade 1985 och anläggningen började byggas 2006. Tanken var att reaktorn skulle kunna testas 2025 men tidplanen ligger nu på 2035 och mera realistiskt 2039.

Tyvärr är det väl fortfarande så att fusion ”på riktigt” alltid ligger minst trettio år bort. Ekonomiskt vettig fusion ligger förmodligen ännu mycket längre bort om den någonsin blir verklighet.

Vi måste börja bygga
Dagens kärnkraftsdebatt är ärligt talat ganska fjantig. Många debattörer tycks tro att kärnkraften är meningslös eftersom det tar för lång tid att bygga ut den. Det är lite som att hävda att man inte bör bygga vägar och järnvägar eftersom det tar för lång tid. Med det tankesättet är oxkärror det enda rimliga transportmedlet.

Men i Sverige vet vi att kärnkraften både fungerar väldigt bra och är möjlig att bygga. Det bevisade vi i praktiken för mer än femtio år sedan. Redan då planerade vi dessutom en dubbelt så stor utbyggnad som den som sedan blev av. Begränsningen hade inget med teknik och ekonomi att göra utan var helt politiskt motiverad. Samma politik som senare lyckades stänga hälften av reaktorerna efter mindre än halva sin livslängd.

Första steget i en återgång till rimlig energipolitik är förstås att rätta till de värsta dumheterna och bygga ny kärnkraft för att ersätta den som lagts ner. Det handlar om minst ett par reaktorer vid Ringhals och en eller två vardera i Oskarshamn och Barsebäck. Då har vi kommit tillbaka till startpunkten.

De här reaktorerna måste rimligen vara av konventionell typ. Det går snabbast och blir billigast. Eftersom vi inte längre har egen kompetens på området måste vi köpa nyckelfärdiga konstruktioner.

Om vi därefter vill se någon form av grön omställning ”på riktigt” är det bara att fortsätta bygga elproduktion. Förmodligen krävs då ytterligare några stora konventionella reaktorer men i takt med att svensk kärnkraftskompetens ökar blir det också möjligt att ta nästa steg. Då kan det vara dags för små modulära reaktorer av breedertyp. Vid det laget har rimligen svenska högskolan pumpat ut ett par generationer nya kärnkraftsforskare och -tekniker.

Att det vid det här laget har gått tjugo år eller mer spelar förstås ingen roll. Att bygga infrastruktur tar den tid det tar. Det enda vi kan vara säkra på är att de projekt som inte startas heller aldrig blir klara.

Filed under: Göte Fagerfjäll