Reaktor: Halden-reaktoren er midtpunktet i inernasjonal forskning på reaktorsikkerhet og brenselsøkonomi. (Bilde: IFE)

PLUTONIUM

Plutonium- og uranbrensel kan alene gi en gevinst på 100 milliarder kWh

  • Kraft

Se for deg en knyttnevestor, sølvskimrende pulver­haug på en glatt flate.

Hvis du fikk veie pulveret, ville vekten stanse på fem kilo. Du står overfor Pu-239, en isotop som vi vanligvis kaller plutonium.

Dette er den spaltbare komponenten i kjernefysiske sprengladninger. Et stridshode rommer typisk fem kilo av tungmetallet, og plutoniumladningen i rakettspissen er i fast form.

For å kunne utnytte plutonium som kjernebrensel må tungmetallet først oksideres i en kjemisk prosess. Resultatet – i pulverform – blir blandet med uranpulver, finfordelt og presset til pellets. Disse sintres for økt tetthet og stabilitet og plasseres i rør av zirkonium med indre diameter åtte millimeter.

Dette er prosessen som skal redusere kjerne­fysiske våpenarsenaler i stor skala.

Slik omskaper atommaktene store mengder plutonium som er blitt militært overflødig – og setter stridsmidlene inn i fredelig produksjon av kjerne­kraft.

Les også: – Norsk vannkraft bør erstatte svensk kjernekraft

Norsk ekspertise

Ved Institutt for energiteknikk (Ife) i Halden har forskerne utviklet måleinstrumenter og måleteknikk som viser hva som skjer i brensel under bestråling. Måledataene er etterspurt internasjonalt til sikkerhetsanalyser. Det gjelder også såkalt MOX-brensel der plutonium er blandet med uran. Blandingsforholdet er normalt 90 prosent uran og 10 prosent plutonium.

– Så langt har vi testet resultatet av innblanding med det plutonium som alltid oppstår som et «biprodukt» når en kjernereaktor er i drift. Vi har med andre ord ikke hatt anledning til å teste blandingsbrensel med våpenplutonium, sier dr. Wolfgang Wiesenack, forskningssjef ved Ifes anlegg i Halden (OECD Halden Reactor Project, HRP).

Ifes instrumenter og målemetoder egner seg også for å undersøke blandingsbrenselet MOX (Mixed Oxide Fuel).

– Å bruke et sånt brensel uten risiko i kommersielle kjernekraftverk krever inngående kunnskap om brenselets egenskaper i forkant. Her kan Ife faktisk tilby sikkerhet, basert på erfaring og kunnskap, sier Wiesenack til Teknisk Ukeblad.

Nedrustningen etter den kalde krigen går langsomt videre, basert på omfattende forhandlingsrunder mellom atommaktene, først og fremst USA og Russland. Det er viktig for disse statene å være sikre på at motparten destruerer atomvåpnene på en måte som gjør ny bruk umulig. Det gjøres best ved å gjenbruke og dermed forbruke plutoniumet til fredelige formål.

Les også: Skal lagre store mengder energi i betong

Strenge krav: Vidar Pettersen ved Ife i Halden måler diameteren på et kapslingsrør. Til denne testen er det kalibreringstrinn på 50 mikrometer (50 tusendels millimeter). Slike krav stilles til følsomhet og sikkerhet i drift av kjernereaktorer. ⇥ Foto: Einar Kr. Holtet

Fredsinnsats i praksis

Hvis bare en tredel av verdens kjernereaktorer kunne forsynes med MOX som inneholdt 30 prosent våpenplutonium, ville 15 tonn kunne fjernes fra atomstridshodene på årsbasis. Man ville oppnå å ødelegge 3000 atomstridshoder hvert år.

Verdens energiforsyning ville få en gevinst på 110 milliarder kilowattimer ved hjelp av MOX-brensel alene. USA og Russland har til nå inngått avtale om å ødelegge 34 tonn plutonium hver.

– Dette er en prosess hvor megatonn omgjøres til megawatt. Men MOX-brensel må oppfylle de samme kravene til sikkerhet og pålitelighet som vanlig brensel. Dette må påvises med bestrålingseksperimenter og måledata, sier Wolfgang Wiesenack.

Han understreker at forskning og utvikling tar tid.

– Slik må det være. Vår virksomhet skal være betryggende. Ved Ife har vi utviklet våre kalibrerings- og testteknikker for brensel gjennom nærmere 50 år. Vi kan påberope oss at vi kan dette til fingerspissene – og en rekke land som deltar i reaktorprosjektet utnytter dette, sier forskningssjefen.

Resultatene fra Ife brukes av sikkerhetsmyndigheter og industri, for å utvikle og verifisere beregningsverktøy. Dette er helt nødvendige verktøy for sikkerhetsgodkjennelse av brensel i kjernekraftproduksjonen. US Nuclear Regulatory Commission (USNRC) bruker data fra Ifes eksperimenter i fellesprogrammet HRP – for å verifisere sitt eget beregningsverktøy for hvordan brensel oppfører seg i en reaktor.

Les også:  – Brenselceller i hus kan redde norsk gasseksport

Unge forskereFølsomt: Instrumentene som testes i Ifes kalibrerings­verksted er følsomme, med en nøyaktighet på 1 mikrometer (1 tusendels milli­meter).  Det er Steinar Solstad (t.v.) og Vidar Pettersen som her tester prototypen til en ny diametermåler i Halden. ⇥Foto: Einar Kr. Holtet IFE

Unge forskere

I laboratoriet for instrumentutvikling monteres brenselseksperimenter for nye forsøk. I kalibreringsverkstedet utvikler unge forskere instrumenter for måling av temperatur og trykk på brenselstaver – med kalibreringstrinn på 50 mikrometer (femti tusendels millimeter).

– Instrumentene utsettes for enorme påkjenninger. De må tåle trykk og temperaturer på linje med hva selve reaktorkjernen aksepterer, sier Wiesenack.

– Sveiseteknologien må ha høy kvalitet. Kommer det fuktighet inn i instrumentene, ødelegges måleegenskapene. I 2014 skal Ife prøve ut nye typer kapsling for brenselstavene.

I dag brukes zirkonium. For å gjøre brenselstavene mer robuste mot overoppheting ved tap av kjølevann, vil kapslinger av silisiumkarbid (SiC) bli utprøvet i fellesprosjektet HRP.

– Problemet med zirkoniumlegeringene er at de reagerer med vanndamp når temperaturen blir høy. Det er en selvakselererende prosess som kan føre til nedsmelting.

Også reaktorbrenslet er gjenstand for tester i samme retning. Etter Fukushima-katastrofen øker interessen for å utvikle brensel som er mer motstandsdyktig mot «loss of coolant accidents» hvor kjølesystemene svikter.

Les også:

Bare rotoren i det nye aggregatet veier 450 tonn

– Kommersialisering av kald fusjon er nært forestående

Radioaktivt utslipp i USA