Krama uranet till 99%

Vill utvinna ännu mer
Chalmers håller för närvarande på att försöka ta fram en egen upparbetningsprocess baserad på salpetersyra där man kan utvinna mer av det goda, nämligen americium och curium också. Skillnaden i den nya processen är att man vill undvika att det utvunna materialet ska kunna användas i vapen.

– I stället ser vi till att hålla ihop plutoniumet med curium, eftersom man inte skulle kunna kontrollera avfyringsögonblicket i en bomb gjord av dessa ämnen tillsammans, då curium spontant avger små skurar av neutroner.

Det nya bränslet, så kallat nitridbränsle, har utarbetats under 15 år under Janne Wallenius ledning. Det har extremt bra värmeledningsförmåga, vilket resulterar i låg temperatur i bränslet och stora marginaler till smältning.

Svårt att tillverka
– 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, säger han.

”Bra” i det här fallet betyder att bränslekutsarnas kvarstående volym inte ökar vid bestrålning. Normalt bildas det gasbubblor i mox-bränsle, men inte i det här bränslet.

– 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 plutonium, så vi simulerar det med metalliskt uran i stället, säger Janne Wallenius.

Uranet nitrideras genom att först utsättas för en ström av vätgas och kvävgas vid cirka 1 200 grader Celsius, varvid det mycket behändigt förvandlar sig självt till ett väldigt fint pulver.

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 uran-238 för att göra plutonium och kan hålla på tills allt uran-238 är slut. Dessutom transmuteras allt americium och curium. Ut ur snabbreaktorn kommer utarmat bränsle av samma typ som det 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) americium och curium, gaser, ädelmetaller och sällsynta jordartsmetaller, som nu fått betydligt kortare halveringstider. Plutoniumet kör man slut på helt och hållet. Volymen på slutförvaret kan minskas 3–6 gånger och 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 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.

Som en vitlökspress
Pulvret pressas till små cylinderformade bitar, så kallade kutsar, i vad som påminner om en vitlökspress. Då blir det inte särskilt tätt, utan kutsen måste värmebehandlas vid mycket hög temperatur, för att sintras, alltså 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 eller sps-sintring. En av de få maskiner som finns i Europa för att göra detta står här på KTH. Vi kan uppnå 98 procent täthet i kutsarna, och det är världsrekord.

Men plutoniumnitrid är instabilt vid höga temperaturer och faller sönder i plutonium och kvävgas. Det kan undvikas om man blandar ut plutoniumnitrid med zirkonioumnitrid.

– Vi har testat i 2 300 grader Celsius och plutoniumzirkoniumnitrid är mycket stabilare än plutoniumnitrid.