Natriumreaktorerna tar ett steg fram och två steg tillbaka

Natriumreaktorerna tar ett steg fram och två steg tillbaka

Industrialiseringen av natriumkylda snabbreaktorer har drabbats av två ordentliga bakslag då både den franska satsningen på prototypreaktorn Astrid avbryts och det ryska programmet senareläggs med nio år. Samtidigt är USA på väg att bygga en natriumkyld materialprovningsreaktor vilket är ett viktigt steg närmare en kommersialisering av snabbreaktorerna.

Redan tidigt när de första kärnreaktorerna utvecklades insåg man att det förr eller senare skulle bli nödvändigt att sluta bränslecykeln för att kärnkraften ska vara ett alternativ. Den en-gång-igenom-bränslecykel som bland annat Sverige tillämpar blir snart ohållbar om kärnkraften expanderas tillräckligt för att stå för en betydande del av världens energiproduktion. De brytvärda urantillgångarna blir snabbt otillräckliga om kärnkraften ersätter en stor del av den energi som idag kommer från fossila bränslen.

Uran i naturen består av två nuklider. Uran-235 är klyvbar i vanliga vattenkylda reaktorer. Men, den utgör bara 0,7 procent av uranet. Den stora delen, 99,3 procent, utgörs av uran-238 som inte klyvs direkt i lättvattenreaktorerna. Men, det plutonium som bildas när uran-238 träffas av neutroner i reaktorn är i sig ett utmärkt reaktorbränsle. Redan i dagens reaktorer sker en väsentlig andel av klyvningarna i plutonium, särskilt när bränslet suttit i reaktorn i några år.

Snabbreaktorer kan utformas så att mer klyvbart material bildas än vad som klyvs. När det åstadkoms säger man att man har uppnått bridning och att reaktorn är en bridreaktor.

Det framtida behovet av bridreaktorer har inneburit att många kärnkraftsländer har eller har haft forskning kring snabbreaktorer. Framförallt är det de natriumkylda reaktorerna som har varit särskilt intressanta. De flesta snabbreaktorprogram hittills har varit inriktade på att utveckla natriumreaktorer.

I väst pågick det amerikanska och det franska programmet längst. Frankrike kom så långt att man byggde och drev en fullskaleprototyp av en kommersiell bridreaktor, Superphénix, innan programmet lades ner. I USA lades Integral Fast Reactor-projektet ner när Clinton blev president 1991 och sedan 1994 - när Experimental Breeder Reactor II stängde - finns inga snabbreaktorer i landet.

Även Sverige hade ett snabbreaktorprogram. En nolleffektreaktor, FR-0, byggdes hos AB Atomenergi i Studsvik för att studera kedjereaktioner med snabba neutroner kunde studeras. FR-0 togs i drift 1964. När reaktorn stängdes 1971 var tanken fortfarande att den skulle ersättas av en natriumkyld forskningsreaktor.

Japan, Ryssland, Kina och Indien fortsatte utvecklingen av natriumreaktorerna. Det japanska programmet har haltat under hela 2000-talet då Monju, den japanska forskningsreaktorn haft en rad problem och nu slutligen har lagts ner. I Kina och Indien fortsätter utvecklingen.

BN-1200 försenas kraftigt

Det ryska programmet har länge sett ut att vara på väg att leverera kommersiella reaktorer. I Rosatoms investeringsplan från 2016 var två av elva planerade reaktorer av den nya snabbreaktormodellen BN-1200. En första BN-1200 var tänkt att stå färdig vid Beloyarsk 2027, men man har nu fattat beslut om att senarelägga reaktorn till 2036. Ryssland tillåter inte att kundernas elpriser ökar fortare än inflationen, vilket har gjort att Rosatom har behövt se över sin investeringsplan för att minska sina utgifter de kommande åren. För att klara av elförsörjningen när flera reaktorer blir försenade gör man istället investeringar för att förlänga driften av ett antal fossilbränsleeldade kraftverk som egentligen var tänkta att stängas.

Vid Beloyarsk i södra Ural finns idag två natriumkylda snabbreaktorer i kommersiell drift. BN-600 har levererat el till nätet sedan 1980 och BN-800 sedan i december 2015. De här två är idag de enda kommersiella snabbreaktorerna i drift i världen.

Astrid-projektet avslutas

Frankrike återupptog sitt snabbreaktorprogram i och med Astrid-projektet. Astrid tilldelades 2010 en budget om 652 miljoner euro och arbetet satte fart. Planerna innebar att den nya reaktorn skulle byggas vid Marcoule. I Marcoule finns också den natriumkylda reaktorn Phénix som kopplades till elnätet 1973 och stängdes 2010.

Frankrike har hela tiden behållit den storskaliga upparbetningskapacitet man utvecklat och byggt upp. Upparbetning av använt bränsle, där olika ämnen i det använda bränslet separeras från varandra, är en helt central del av ett snabbreaktorsystem då den krävs för att återvinna det klyvbara materialet som finns i bränslet så att det kan användas för att tillverka nytt bränsle.

I slutet av augusti meddelade franska Commissariat l’energie atomique et aux energies alternatives, CEA, att man lägger ner Astrid-projektet. Redan i november förra året fattades beslutet att skala ner Astrid från de planerade 600 MW elektrisk effekt till någonstans mellan 100 och 200 MW. CEA uttalade i samband med beslutet att avbryta projektet att man inte ser någon marknad för kommersiella snabbreaktorer förrän under den andra halvan av århundradet. CEA ska återkomma i slutet av året med en ny plan för utvecklingen av snabbreaktorer och för hur man ska genomföra regeringens långsiktiga energistrategi.

Förutom att det franska snabbreaktorprogrammet nu bromsas in kraftigt påverkas också det japanska. Sedan Monju stängdes har Japan samarbetat med Frankrike i Astrid-projektet för att driva sin egen utveckling framåt.

Versatile Test Reactor

Mer positiva tongångar hörs däremot från USA. I februari i år meddelade det amerikanska energidepartementet, Department of Energy, att man planerar att bygga en ny natriumkyld forskningsreaktor, Versatile Test Reactor (VTR). Tanken är att få tillgång till en mångsidig (versatile) intensiv neutronkälla som kan användas för att prova ut nya kärnbränslen och material. Vid Department of Energy är man måna om att USA ska återta en ledande roll inom kärntekniken och man ser VTR som helt nödvändig för att USA åter ska kunna ta upp utvecklingen av avancerade reaktorer.

I början av augusti togs det första steget i processen att få ett miljötillstånd på plats för reaktorn. Två alternativa platser är utpekade; antingen byggs reaktorn vid Idaho National Laboratory, eller vid Oak Ridge National Laboratory i Tennesse. Bränsletillverkningen kommer att förläggas antingen till Idaho National Laboratory, eller till Savannah River i på gränsen mellan South Carolina och Georgia på östkusten.

Utformningen av VTR utgår ifrån GE-Hitachi:s kommersiella reaktor Prism, som är väl utvecklad, men som aldrig har byggts. Reaktorn blir således av så kallad pool-typ där härden är nedsänkt i en bassäng fylld av flytande natrium. Den termiska effekten är tänkt att bli 300 MW. Filosofin är att använda beprövad teknik för att så snart det går få reaktorn i drift. Målet är att åstadkomma ett neutronflöde i experimentpositionerna som överstiger 4×1015 neutroner/cm2/s. Vid så höga neutronflöden är det möjligt att efter bara några års bestrålning undersöka hur olika material, eller till exempel sensorer, klarar av de neutronflöden de skulle utsättas för i kommersiella reaktorer under flera årtionden. På så sätt kan man få en bild av hur nyutvecklade material kommer att åldras om de byggs in i en reaktor.

USA har andra forskningsreaktorer, men ingen av dem kan åstadkomma så intensiva snabbneutronflöden som VTR kommer att kunna göra. Det är just att få tillgång till de här snabba neutronerna som motiverar utvecklingen av den nya reaktorn.

Projektet drog igång 2017 då de första medlen avsattes i den federala budgeten. Planeringen utgår ifrån att VTR ska färdig redan 2026. För att tidplanen ska hålla krävs att kongressen fattar investeringsbeslut under 2022.

USA byggde mycket tidigt metallkylda forskningsreaktorer. Den första, Clementine, var kvicksilverkyld, men huvudspåret även i den amerikanska utvecklingen var natriumkylning. Experimental Breeder Reactor II, EBR-II, stängde 1994 och sedan dess har inte USA haft tillgång till någon snabbreaktor. Integral Fast Reactor som utvecklades fram till 1991 hade både reaktorn och upparbetningen i samma byggnad och allt klyvbart material var därmed hela tiden inneslutet. Sedan Clinton stoppade programmet har inte mycket hänt, inte förrän nu.