Fljótandi kjarnorka leggst við höfn

Nýir kjarnaofnar sem grundvallast á fljótandi salti eru svo litlir að þeim má koma fyrir á pramma. Þessi fljótandi kjarnorkuver geta lagst við bryggju í stórborgum heimsins og framleitt það rafmagn sem sólar- og vindorka getur ekki annað.

BIRT: 11/10/2022

LESTÍMI:

9 mínútur
Share on facebook

Þess vegna ættir þú að lesa greinina

  • Kjarnorka getur orðið mikilvæg viðbót við sólar- og vindorku í CO2 lausri rafmagnsframleiðslu.

 

  • Þessi nýja gerð af kjarnaofni er bæði öruggari og losar langtum minni geislavirkan úrgang.

Dag einn upp úr 2030 mjakast 285 metra langur prammi til hafnar í gömlu kolamóttökunni í stórborginni. Þar hafa fraktskip um áraraðir losað gríðarleg fjöll af kolum sem eru brennd í nærliggjandi orkuverum.

 

Hvern einasta dag vellur dökkgrár reykur upp úr háum skorsteininum og fyrir áratugum síðan olli hann miklum skaða á heilsufari borgarbúa, meðan súrt regn eitraði nærliggjandi svæði.

 

Sem betur fer er fyrir löngu síðan búið að hreinsa brennistein og köfnunarefni úr reyknum en hins vegar hefur CO2-losun borgarinnar vaxið umtalsvert eftir því sem íbúum þar fjölgar og rafmagnsnotkunin eykst.

 

Nú er þessu lokið. Pramminn inniheldur átta litla kjarnaofna sem munu tryggja rafmagn fyrir milljónaborg ásamt vindmyllugörðum við ströndina og sólarselluþiljum á þökunum.

Kjarnorka gæti gert rafmagnsnotkun stórborga CO2 hlutlausa

Rafmagnið í tenglunum verður þannig hlutlaust fyrir loftslagið þegar kjarnaverin í prammanum eru tengd við rafmagnsdreifinet frá aflögðum kolaorkuverum. Á næstu 12 árum munu þessir átta kjarnaofnar losa borgina við CO2-losun sem nemur 67,2 milljónum tonna og skila rafmagni til 1,6 milljóna heimila.

 

Með þessum hætti mun þetta fljótandi kjarnorkuver skipta sköpum og frá einum degi til annars gera rafmagnsnotkun borgarinnar lausa við CO2. Þetta mun gerast án þess að til þurfi gríðarlega flókinn og dýran búnað og án viðtekinna vandkvæða við að finna byggingarsvæði fyrir nýtt kjarnorkuver.

 

Danskt fyrirtæki berst fyrir kjarnorku

Fljótandi kjarnorkuver munu þannig spretta upp hvarvetna í heiminum – ef marka má danska fyrirtækið Seaborg Technologies. Fyrirtækið hefur ráðagerðir um að smíða þúsundir af slíkum litlum kjarnaofnum sem má koma fyrir í gámum og flytja á vörubílum eða með lestum og skipum.

 

Skipasmíðastöð í Suður Kóreu á að fylla á tanka kjarnaofnanna með úraneldsneyti og koma þeim fyrir í fljótandi pramma sem er búinn túrbínu og rafali til að framleiða rafmagn. Þessu næst munu dráttarbátar draga prammana til fjölmargra stórborga sem jafnan liggja við strendur eða bakka fljóta.

Prammarnir verða byggðir í mismunandi útgáfum með tveimur, fjórum, sex og átta kjarnaofnum til að anna megi eftirspurn í hvaða stærð af borg sem er.

Vissulega er mikill hagnaður hér í húfi fyrir Seaborg en markmið fyrirtækisins er að ná að minnka með skjótum hætti losun á gróðurhúsagastegundum með nýrri gerð af kjarnorku sem er bæði sveigjanlegri og öruggari en sú hefðbundna. Í fyrstu einbeitir fyrirtækið sér að kjarnorka þessi komi í staðinn fyrir kolaorkuver í Asíu.

 

Saltupplausn nýtir úran betur

Núverandi kjarnaofnar brenna föstu kjarnorkueldsneyti og nýta einungis um 6% af kljúfanlegu úran-235 í eldsneytisstöngunum. Eftir það innihalda stangirnar ekki lengur nægjanlegt magn af kljúfanlegu úrani til að frekari nýting borgi sig.

 

Auk þess myndast með tímanum sprungur í stöngunum vegna heiftarlegra árekstra við nifteindir sem skjótast út við kjarnaklofninginn og það takmarkar einnig líftíma þeirra.

 

Bæði þessi vandamál hverfa í litlum kjarnaofnum Seaborg þar sem eldsneytið samanstendur af fljótandi úrani sem er uppleyst í bráðnu flúorsalti. Saltblandan skaðast heldur ekki af nifteindageisluninni og ekki þarf því að fjarlægja úranið úr kjarnaofninum fyrr en nær allt kljúfanlegt efni hefur verið notað. Þess vegna er magn úrgangsins lítið og það er einnig algjörlega ónothæft í kjarnorkusprengjur.

Litlu kjarnaofnarnir keyra á úrani, blönduðu saman við flúorsalt. Í rekstri er saltið fljótandi og 700 gráðu heitt.

Kjarnaofnar með bráðnu salti voru þróaðir þegar upp úr 1960 en töpuðu þá í samkeppninni við léttvatnskjarnaofna sem auk þess að framleiða rafmagn gáfu af sér plúton fyrir ört vaxandi kjarnorkuvopnabúr stórveldanna í kalda stríðinu.

 

Kjarnaofninn skreppur saman

Kjarnaofnar Seaborg eru þó ekki bara einhver gömul hugmynd sem er dregin upp úr skúffunni. Í þeim er að finna markverða tækninýjung sem gerir kleift að smíða lítinn kjarnaofn.

 

Þegar úran-235 er klofið í eldsneytissaltinu sendast 2 – 3 nifteindir út sem geta hafið nýja kjarnaklofnun og haldið keðjuverkuninni gangandi. En nifteindirnar fara með slíkum ógnarhraða að þær skoppa gjarnan frá úrankjörnunum eins og högl sem lenda á stálkúlu.

 

Til þess að þær nái að þrengja sér inn í úrankjarnana þarf því að bremsa nifteindirnar af. Í kjarnaofnum með bráðnu salti hafa menn jafnan notað grafít sem svonefnt miðlunarefni – þ.e.a.s. bremsuborða. En nifteindirnar eiga að fljúga í gegnum tvo metra af grafíti áður en þær verða nægilega hægfara og því eru mörk fyrir því hve smáir kjarnaofnar geta verið.

 

Í Seaborgkjarnakljúfnum flýtur eldsneytissaltið í gegnum hringrás í kjarnaofninum og rörin eru umlukin ytra röri með öðru fljótandi salti, natríumhydroxíði sem bremsar af nifteindirnar.

Tvær gerðir af salti gera kjarnaofninn minni

Skilvirk nýting á úrani í eldsneytissaltinu felur í sér að eldsneytið tekur mun minna rými en í öðrum kjarnaofnum. Á sama tíma sér önnur gerð af salti um að keðjuverkun í kjarnaofninum geti einungis átt sér stað á afar litlu svæði.

1. Salt streymir um kjarnaofninn

Eldsneytissalt kjarnaofnsins (grænt) er umkringt miðlunarsalti (gult). Upphitaða saltinu er dælt í gegnum varmaskipta (t.h.) þar sem það skilar hitanum í vatn. Vatnsgufan knýr túrbínu og rafal sem framleiðir rafmagn.

2. Keðjuverkun hefst í eldsneytissaltinu

Kjarnaofninn framleiðir orku með því að kljúfa úran-235. Klofnunin í saltinu losar nifteindir sem skella á öðrum frumeindum. Þegar kjarninn í úran-235 frumeind fær auka nifteind verður það að úran-236 sem er afar óstöðugt.

3. Klofnun úrans lokar orku

Óstöðugur úran-236 kjarninn er klofinn í tvennt og kjarnorkan losnar. Við klofnunina losna einnig 2 – 3 nifteindir sem skjótast með ógnarhraða út í miðlunarsaltið. Nifteindirnar eru alltof hraðskreiðar til að kljúfa nýjar frumeindir.

3. Miðlunarsaltið undirbýr nýja klofnun

Í miðlunarsaltinu bremsast nifteindirnar niður svo að þær geti skapað nýja klofnun þegar þær komast aftur inn í eldsneytissaltið. Niðurbremsunin gerist á fáeinum sentimetrum. Í öðrum kjarnaofnum, þar sem grafít er notað sem hægir, þarf margra metra þykkt lag.

Bremsusaltið hefur nýlega verið prófað í nifteindahraðlinum Isis nálægt Oxford í Englandi og niðurstöðurnar sýndu að saltið bremsar niður nifteindirnar með skilvirkum hætti á fáeinum sentimetrum. Það er einmitt þess vegna sem kjarnaofnarnir geta verið svo litlir að koma megi þeim fyrir í gámi.

 

Veikleiki þessarar tækni felst í að bráðið salt er ákaflega tærandi og veldur því að málmurinn í kjarnatankinum og rörakerfum ryðgar. Því dugar venjulegt ryðfrítt stál ekki og þörf er á að þróa málmblöndur sem betur þola þetta ægilega álag yfir lengri tíma.

 

Auk þess hyggst Seaborg takast á við vandann með því að meðhöndla saltið efnafræðilega svo það verði minna tærandi. Samkvæmt fyrirtækinu munu kjarnaofnarnir þó hafa líftíma sem nemur 12 árum.

 

Kjarnaofnarnir eru afar öruggir

Hættan á slysum er ótrúlega lítil í kjarnaofnum með bráðnu salti. Saltið getur hvorki brunnið né sprungið og kjarnaofninn getur ekki bráðnað niður því eldsneytið er þegar bráðið við venjulega keyrslu.

 

Auk þess er afar skilvirkur öryggisbúnaður í honum. Í rörakerfinu undir kjarnorkutankinum er að finna botntappa úr frosnu salti sem er haldið köldu með frysti.

 

Ef straumur til kjarnorkuofnsins rofnar, t.d. við náttúruhamfarir verður 700 gráðu heitt saltið í kjarnaofninum til þess að botntappinn bráðnar en síðan rennur saltið niður í söfnunartank. Fyrir vikið dreifist fljótandi úraneldsneytið svo mikið að keðjuverkunin stöðvast af sjálfu sér.

Saltið veitir innbyggt öryggi

Kjarnaofnar með bráðnu salti eru afar öruggir. Eldsneytissaltið getur hvorki brunnið né sprungið og ef rafmagnslaust verður mun saltið sjálfkrafa renna niður í söfnunartank undir kjarnaofninum.

1. Kjarnaofninn getur ekki bráðnað

Niðurbráðnunin sem orsakaði kjarnorkuslysin í Tjernóbyl og Fukushima, getur ekki átt sér stað í kjarnaofni með bráðnu salti. Ástæðan er sú að eldsneytissaltið er þegar bráðnað í venjulegri keyrslu sem á sér stað við 700 gráður.

2. Botntappi tryggir gegn rafmagnsleysi

Hamfarirnar í Fukushima urðu vegna fellibyls og flóðbylgju sem rufu rafmagnið. Ef þetta á sér stað í kjarnaofni með bráðnu salti mun sérstakur botntappi úr storknuðu salti bráðna, þegar frystirinn sem umlykur hann fær ekki rafmagn.

3. Keðjuverkun stöðvast

Þegar botntappinn er bráðnaður rennur eldsneytissaltið út úr kjarnaofninum og niður í rúman söfnunartank. Í tankinum dreifast úranatómin svo mikið að ekki er mögulegt að halda keðjuverkuninni gangandi.

Saltið veitir innbyggt öryggi

Kjarnaofnar með bráðnu salti eru afar öruggir. Eldsneytissaltið getur hvorki brunnið né sprungið og ef rafmagnslaust verður mun saltið sjálfkrafa renna niður í söfnunartank undir kjarnaofninum.

1. Kjarnaofninn getur ekki bráðnað

Niðurbráðnunin sem orsakaði kjarnorkuslysin í Tjernóbyl og Fukushima, getur ekki átt sér stað í kjarnaofni með bráðnu salti. Ástæðan er sú að eldsneytissaltið er þegar bráðnað í venjulegri keyrslu sem á sér stað við 700 gráður.

2. Botntappi tryggir gegn rafmagnsleysi

Hamfarirnar í Fukushima urðu vegna fellibyls og flóðbylgju sem rufu rafmagnið. Ef þetta á sér stað í kjarnaofni með bráðnu salti mun sérstakur botntappi úr storknuðu salti bráðna, þegar frystirinn sem umlykur hann fær ekki rafmagn.

3. Keðjuverkun stöðvast

Þegar botntappinn er bráðnaður rennur eldsneytissaltið út úr kjarnaofninum og niður í rúman söfnunartank. Í tankinum dreifast úranatómin svo mikið að ekki er mögulegt að halda keðjuverkuninni gangandi.

Versta sviðsmyndin væri ef kjarnaofninn yrði sprengdur í stríði eða hryðjuverkaárás þar sem fljótandi eldsneytissaltið myndi þeytast upp í loft eða út í stöðuvötn. En jafnvel þá er saltið með innbyggt öryggi.

 

Um leið og saltið kólnar niður undir 490° storknar það og verður glerhart. Því er engin hætta á að geislavirk ský blási inn yfir borgir og mengi stór svæði.

 

„Mengunin gerist einungis í kringum kjarnaofnana og geislavirka steina má fjarlægja af sérfræðingum í réttum hlífðarbúnaði. Vitanlega er það dýrt en slík verkefni má leysa“ segir Troels Schönfeldt sem er forstjóri Seaborg og meðstofnandi fyrirtækisins.

 

Atómprammar duga í 24 ár

Fyrirhugað er að Seaborg verði tilbúin með fyrstu kjarnaofnana árið 2026 sem eiga að skila rafmagni inn á rafmagnsdreifikerfi og fyrirtækið hyggur á fjöldaframleiðslu upp úr 2030.

 

Í minnsta atómprammanum verður rými fyrir fjóra kjarnaofna í fjórum lestarrýmum miðskips. Hver kjarnaofn skilar 100 megavöttum sem geta annað rafmagnseftirspurn hjá 200.000 heimilum.

 

Við afhendingu eru tveir kjarnaofnar settir í gang og þegar það kemur að lokum líftíma þeirra er öðrum tveimur kjarnaofnum bætt í ónotað lestarrýmið.

Minnsti pramminn frá fyrirtækinu Seaborg er með tvo kjarnaofna (1) sem framleiða rafmagn í 12 ár. Eftir það eru nýir kjarnaofnar settir í lestina (2) þannig að líftími prammans er alls 24 ár.

Eftir 24 ár er pramminn fluttur burt og nýr tekur við. Gamli pramminn endar í úrvinnslustöð, þar sem meðhöndla má geislavirkan úrgang. En sem betur fer er ekki mikið af honum heldur.

 

Í keyrslu er kjarnaofninum pakkað vel inn í hlífar úr stáli og tanki með vatni sem halda geisluninni frá sjálfum kjarnaofninum. Þegar hann hefur gegnt hlutverki sínu er því aðeins um fáeina geislavirka íhluti að ræða.

Kjarnaofnarnir eru umluktir hlífum í þremur lögum sem halda aftur af nifteindum og jónandi geislum frá kjarnaklofnuninni. Tvö laganna samanstanda af vatni (1 og 2) en hið þriðja er úr stáli (3).

Kjarnaofnstankinum og rörakerfinu má pakka saman í rúmmál sem samsvarar tveimur tólf metra löngum gámum, meðan eldsneytissaltið getur verið í þriggja metra löngum gámi. Saltið inniheldur tvær gerðir af geislavirku efni sem má fjarlægja og skilja í sundur í öflugri skilvindu.

 

Önnur gerðin inniheldur afar geislavirk klofningsúrgangsefni sem þarf að varðveita í 300 ár. Til samanburðar þarf að varðveita sömu efni frá hefðbundnum kjarnaofnum í 100.000 ár. Hin gerðin er dálitlar leifar af kljúfanlegu efni sem má færa yfir í nýja eldsneytisblöndu í næsta teymi kjarnaofna þar sem það er brennt.

 

Kjarnaofnar geta keyrt á úrgangi

Tilfellið er nefnilega það að kjarnaofnar Seaborg geta virkað eins og ruslakvarnir fyrir geislavirkan úrgang. Í raun geta þeir þannig keyrt á notuðu kjarnorkueldsneyti frá hefðbundnum kjarnorkuverum þar sem einungis lítill hluti af kljúfanlegu úran-235 í eldsneytisstöngunum hefur verið notað.

Og af nógu er að taka. Á heimsvísu þarf að varðveita 400.000 tonn af notuðu kjarnorkueldsneyti, yfirleitt í stórum vatnsþróm þar sem vatnið kælir niður notaðar eldsneytisstangir og varnar geislun.

 

Þó fylgja miklar hömlur slíku kjarnorkueldsneyti, því það getur innihaldið plútón sem má nota til að smíða kjarnorkuvopn. Því hefur Seaborg í fyrstu valið að nýta lítt auðgað úran í litlu kjarnaofnunum.

Sól og vindur duga ekki. Litlu kjarnaofnarnir okkar geta lagt mikið af mörkum fyrir græna orkuskiptingu.

Troels Schönfeldt, forstjóri Seaborg.

Það sem skiptir þó mestu máli fyrir þróun Schönfeldt er að heimsbúar geti strax farið að draga úr CO2-losun og minnkað þannig magn gróðurhúsalofttegunda í lofthjúpnum til að hefta hnattræna hlýnun.

 

„Það er ekki nóg að nýta orkulindir eins og sól og vatn. Kjarnorka er þannig nauðsynlegur hluti lausnarinnar og litlu kjarnaofnarnir okkar geta lagt umtalsvert af mörkum fyrir grænu orkuskiptin,“ segir Troels Schönfeldt.

BIRT: 11/10/2022

HÖFUNDUR: ROLF HAUGAARD NIELSEN

HÖFUNDARÉTTUR MYNDA: Shutterstock,© Seaborg,© Depositphotos,© Ken Ikeda Madsen,

vinsælustu greinarnar

Lifandi vísindi

Lyf

Lifandi saga

Ertu áskrifandi að tímaritinu?

Áskrifendur að tímaritinu geta fengið frían aðgang að vefnum hér.

Innskráning

Ertu með áskrifandi að blaðinu?

Áskrifendur geta fengið áskrift af vefnum hér

FÁÐU AÐGANG AÐ VÍSINDI.IS

Viltu lesa greinina?

Fáðu aðgang að visindi.is

Ókeypis í 2 vikur!

Eftir það kostar eingöngu 1.390 kr. á mánuði og enginn uppsagnarfrestur.

Innifalið er aðgangur að öllum greinum á vefnum ásamt rafræna útgáfu af nýjustu tölublöðunum.

  • Fullur aðgangur að visindi.is
  • Frábærar myndir og myndbönd
  • Aðgengilegt í öllum snjalltækjum
  • Fullur aðgangur að gríðarlegu magni eldri greina
  • Nýjustu tölublöðin í rafrænu formi

Núverandi áskrifendur að tímaritinu fá að sjálfsögðu ókeypis aðgang að vefnum og þurfa bara að virkja aðgang sinn hér.

Ef þú ert þegar áskrifandi að visindi.is