Kärnkraft som tekniskt system och energikälla

Transkript

1 Kärnkraft som tekniskt system och energikälla Gästföreläsning om kärnkraft Innehåll: Bakgrund till kärnkraft och reaktorer. Fysikaliska processer bakom kärnklyvning. Effektiva ångprocesser. Kokarvattenreaktorn (BWR). Tryckkokarvattenreaktorn (PWR). Något om andra reaktortyper. Cecilia Gustavsson, Inst. för fysik och astronomi Forsmarks kärnkraftverk

2 Bakgrund till kärnkraft och reaktorer

3 Bakgrund till kärnkraft och reaktorer Viktiga händelser inom reaktorutvecklingen: 1896: Upptäckten av radioaktiviteten (Bequérel) 1905: Sambandet mellan energi och massa (Einstein) 1913: Bohrs atommodell (Bohr) 1932: Upptäckten av neutronen (Chadwick) 1938: Upptäckten av fissionen (Hahn, Meitner, Strassmann) 1942: Första reaktorn, Chicago (Fermi) 1951: Första testreaktorn som producerar el 1954: Första svenska reaktorn, R1 i Stockholm 1972: Första svenska kärnkraftverket, O1 i Oskarshamn 1986: Svenska 12 reaktorsprogrammet fullbordat

4 En reaktor är en stor vattenkokare! Värme blir (elektriskt) arbete! Ett kärnkraftverk är en stor värmemotor!

5 En reaktor är en stor vattenkokare! Värme blir (elektriskt arbete) arbete! Ett kärnkraftverk är en stor värmemotor! Kärnreaktioner tillför värme så att vattnet börjar koka

6 En reaktor är en stor vattenkokare! Värme blir (elektriskt arbete) arbete! Ett kärnkraftverk är en stor värmemotor! Kärnreaktioner tillför värme så att vattnet börjar koka Ångan driver en turbin som driver en generator => el!

7 En reaktor är en stor vattenkokare! Värme blir (elektriskt arbete) arbete! Ett kärnkraftverk är en stor värmemotor! Kärnreaktioner tillför värme så att vattnet börjar koka Ångan driver en turbin som driver en generator => el! Ångan kyls och kondenseras av vatten från flod, hav eller kyltorn.

8 Om man inte har sitt kraftverk nära kusten Cooling tower kyltorn röken är vattenånga!

9 Energifrigörelse Kemisk förbränning av kol: Relativt liten energifrigörelse. Förbränningen upprätthålls genom värme (lägg mer bränsle i elden). Fission kärnklyvning: Stor energifrigörelse. Kedjereaktion neutroner frigörs som kan orsaka nya klyvningar. Uppkomst av radioaktiva dotterprodukter. Reaktion: C + O CO 4eV Exempel på fission: U + n Ba + Kr + 2 n MeV Fissionsprocessen ger ca 50 miljoner gånger mer energi per reaktion än förbränningsprocessen! (Ty starkare krafter involverade.)

10 Fissionsprocessen En tung kärna ( 238 U) klyvs då den träffas av en termisk neutron. Dotterkärnorna väger mindre tillsammans än moderkärnan och denna masskillnad (= energiskillnad) frigörs som rörelseenergi (mest till dotterkärnorna). Nya neutroner frigörs i processen => kedjereaktion. Styrstavar fångar in (överflödiga) neutroner så att effekten kan styras.

11 Fissionsprocessen Bränslet hettas upp av fissionsprodukternas rörelse (inbromsning). ΔT bränsle BRÄNSLE KAPSLING ΔT spalt ΔT kapsling VATTEN Uranbränsle: UO 2 i kutsform. Kutsar staplade i bränslestav (kapslingsrör). Bränslepatron. ΔT vatten

12 Fissionsprocessen Fissionsprodukterna når några μm i bränslet, dvs kommer aldrig ut ur kapslingen. T i centrum av bränslestaven 1200 ⁰C T i vattnet 300 ⁰C ΔT bränsle BRÄNSLE KAPSLING Bra värmeledning önskvärt för att kyla bränslet (och få ut energin till vattnet och ångkretsen). ΔT spalt VATTEN Med tiden sväller kutsarna och får kontakt med kapslingen. Detta kan orsaka skador på kapslingen med följd att radioaktiva ämnen läcker ut i vattnet. Att orsaka bränsleskador är främsta syftet med härdövervakning. ΔT kapsling ΔT vatten UO 2 Helium och fissionsgaser Zr-Fe (zirkalloy)

13 Fissionsprocessen Tunga ämnen har proportionellt sett fler neutroner än lätta. När en tung kärna klyvs bildas därför neutronrika fissionsprodukter. Dotterkärnorna gör sig av med neutroner genom att sönderfalla framför allt via betasönderfall: n p + e + ν e

14 Kokarvattenreaktorn ångcykel Kondenskraftverk ger el Verkningsgrad ca % Mättad ånga Lågt ångtryck, hög fukthalt Mättad ånga 286 C 7 MPa Ca 200 C > 7 MPa 30 C 30 C 4 kpa (lågt tryck dvs stor volym!) Kondensorn, mättad gas > mättad vätska minskar volymen

15 Rankinecykeln ideala cykeln för ångprocesser 1 2: Isentrop kompression i pump 2 3: Isobar: tillförsel av värme i kokare 3 4: Isentrop expansion i turbin 4 1: Isobar: bortförsel av värme i kondensor

16 Effektiva ångprocesser Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen Verkningsgraden motsvarar inneslutna arean delat med arean under q in linjen. Generellt gäller att verkningsgraden ökar om temperaturskillnaden i cykeln ökar. 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low ) 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high ) 3. Öka koktrycket (ökar T high ) Verkningsgraden motsvarar inneslutna arean delat med arean under q in linjen.

17 Effektiva ångprocesser Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 1. Sänka kondensortrycket (sänker T low ) Vid lägre tryck är också mättnadstemperaturen (alltså där ångan kondenserar) lägre. Kondesortrycket i verkliga ångcykler är långt under atmosfärstryck. Kylflödets mättnadstemperatur sätter en gräns; man kan inte kyla till lägre temperatur än vad man har på kylflödet. Negativ bieffekt: lägre kvalitet på ångan i turbinens slutskede. (Vattendroppar kan skada turbinbladen)

18 Effektiva ångprocesser Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 2. Överhetta ångan till högre temperaturer (ökar T high ) Att överhetta ångan ger både bättre termisk effekt och minskad fuktighet (högre kvalitet) på ångan i turbinen. Materialet i turbininloppet sätter en gräns för hur hög temperatur som kan tillåtas. Om T 3 > ca 600 C kan allvarliga materialskador uppstå. Att överhetta ångan vore bäst och enklast om det fanns material som klarade påfrestningarna!

19 Effektiva ångprocesser Sätt att öka effektiviteten i Rankine cyklen 3. Öka koktrycket (ökar T high ) Om man ökar koktrycket kommer vattnet att koka vid en högre temperatur. För en given högsta temperatur i inloppet till turbinen ger en ökning av koktrycket en förskjutning till vänster i Ts diagrammet. En samtidig negativ bieffekt är lägre ånghalt i turbinen. Det kan kompenseras genom att återvärma ångan (reheating).

20 Effektiva ångprocesser Återvärmd Rankinecykel Återvärmning innebär att ångan expanderas i två steg och återvärms mellan, dvs man har två turbiner. 1. Turbin 1 (högtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett medelhögt tryck. 2. Ångan går tillbaka till kokaren och återvärms. 3. Turbin 2 (lågtrycksturbin): ångan expanderas isentropt till ett lågt tryck. Man kan upprepa dessa steg flera gånger för att höja cykelns verkningsgrad

21 Effektiva ångprocesser Återvärmd Rankinecykel Om man återvärmer flera gånger höjer man medeltemperaturen för återvärmningsprocessen. Men det blir det opraktiskt och vinsten i verkningsgrad är mindre för varje extra steg. Man vill heller inte ha överhettad ånga ut ur turbinen. 2 återvärmningssteg = max i praktiken!

22 Effektiva ångprocesser Fuktavskiljare och mellanöverhettare Kylflöde (havsvatten)

23 Effektiva ångprocesser När man har en riktig kokare kan man återvärma/överhetta ångan i själva kokaren, men i kärnkraftverk får man nöja sig med mättad ånga. Man kan inte ta tillbaka ångan in i reaktorhärden

24 Effektiva ångprocesser Regenerativ Rankinecykel Första delen av värmetillförselprocessen sker vid låga temperaturer eftersom vattnet som lämnar pumpen (matarvatten = feedwater) har ganska låg temperatur. Ett sätt att värma matarvattnet är att tillföra värme från ånga som ej expanderat helt i turbinen. Ett sådant system kallas regeneration. Det höjer verkningsgraden och används i stort sett i alla kondenskraftverk. Två sorters regeneration: 1. Öppen matarvattenvärmning innebär att ånga blandas med vattnet från pumpen. 2. Sluten matarvattenvärmning; där ångan ej blandas med vattnet utan värmer det via en värmeväxlare.

25 Effektiva ångprocesser Regenerativ Rankinecykel med öppen matarvattenvärmning Idealt har man en mättad vätska i punkt 4.

26 Effektiva ångprocesser Regenerativ Rankinecykel med sluten matarvattenvärmning När strömmarna inte blandas kan man ha olika tryck i ångan (från turbinen) och vätskan (från pumpen). Sluten matarvattenvärmning är det vanligaste i verkliga kraftverk. Ånga Kondenserad ånga. Ibland måste ångan tillbaka till kondensorn innan pump II.

27 Effektiva ångprocesser Kylflöde (havsvatten) Matarvattenförvärmare och pumpar

28 Matarvattenförvärmning Effektiva ångprocesser

29 Effektiva ångprocesser Matarvattenförvärmning Höjning av matarvattnets temperatur i 5 steg. Till värmningen används färskånga som tappas från högtrycksturbinen.

30 Kokarvattenreaktor (BWR) Kokande reaktorvatten ånga till turbin driver generator. En primärkrets. Tryck i reaktortanken ca 70 bar = 7 MPa.

31 Tryckvattenreaktor (PWR) Ingen kokning i reaktorn, ångproduktion i stora värmeväxlare; ånggeneratorer. Högt tryck i reaktortanken (ca 15 MPa) gör att vattnet inte kokar i tanken T 320 ⁰C. Huvudprocessen består av ett primärsystem (reaktorkylkretsen) och ett sekundärsystem (ångans och vattnets väg från ånggeneratorerna till turbin, kondensor och tillbaka till ånggeneratorerna).

32 Gaskyld reaktor (AGR) Gaskyld reaktor (advanced gas cooled reactor, AGR) Moderator: grafit Kylmedel : CO 2 upp till 650 ºC UO 2, anrikning ca 2,3 %. Eftersom grafit modererar bättre än vatten kan anrikningen hållas lägre. Bränslet är placerat i kanaler i grafiten. Kylmedlet hettar upp vatten i ånggeneratorerna och ångan driver turbinen. Verkningsgrad el/värme: 42%. Finns i Storbritannien

33 Bridreaktor Ingen moderator, snabba neutroner klyver 235 U bildar 239 Pu genom n-infångning i 238 U. Eftersom det bildas mer nya klyvbara kärnor än man förbrukar kallas typen bridreaktor (fr. breed = alstra). Fördubblar bränslemängden på år. Hög anrikning (15-20 %) krävs eftersom σ f för 235 U är lägre vid högre neutronenergier. Kylmedel: flytande natrium som via en mellankylkrets (också Na) skapar ånga i ånggeneratorn. Bränsle: MOX mixed oxide fuels, blandning av UO 2 och PuO 2. Kring härden placeras utarmat uran som omvandlas till Pu. Problem med bridreaktorn är Puhanteringen samt risken för Na- H 2 O-reaktioner.

34 Kanalkokarreaktor (RBMK) Sovjetisk reaktor som blivit mycket omdebatterad eftersom Tjernobyl 1-4 var av denna typ. Även Ignalina var av RBMK-typ. Moderator: grafit. Ingen reaktortank utan härden består av ett antal trycktuber med bränsle och kylvatten. Lätt att öka effekten genom att installera fler trycktuber. RBMK har positiv voidkoefficient vilket är negativt ur säkerhetssynpunkt.

35 EPR European pressurized water reactor generation III+ Generation III+ EPR bygger på gammal men förbättrad teknik. Ökad säkerhet genom bl.a. robustare konstruktion som står emot flygplanskrascher, jordbävning mm. Tjockare (dubbel) inneslutning. Säkerhetssystem med mycket extra kapacitet. Högre verkningsgrad (37%) => mindre bränsle och mindre avfall. Neutronreflektorer för bättre neutronflöde. Beräknad livstid 60 år. Finlands Olkiluoto 3 första EPRreaktorn som byggs.

36 4:e generationens reaktortyper Många industri- och utvecklingsländer ser idag kärnkraften som ett viktigt alternativ till fossila bränslen. Kärnkraften kan konkurrera med fossila bränslen både på kort sikt (med tanke på växthuseffekten) och på lång sikt (tillgång på bränsle). Samtidigt leder ett ökat energibehov globalt sett till att efterfrågan på energi och el fortsätter att öka. Dagens kommersiella kärnreaktorer börjar i många fall närma sig pensionsåldern och i och med att man börjat skissa på nya reaktorkoncept inom den s.k. 4:e generationens reaktortyper (ofta förkortat till GEN-IV) önskas: effektivare utnyttjande av bränslet (uranet) återanvändning av utbränt bränsle för att förkorta lagringstiden ökad säkerhet noggrann kärnämneskontroll (safe guard) för att minska risken för spridning av fissila ämnen (för militära ändamål) Idag finns två huvudspår inom GEN-IV-utvecklingen: Snabba reaktorer: natriumkylda (SFR), blykylda (LFR) och gaskylda (GFR) Termiska reaktorer: very high temperature (VHTR), Supercritical-water-cooled (SCWR) och saltsmältor (MSR).

37 4:e generationens reaktortyper

38 Natriumkyld snabbreaktor Natriumkyld snabbreaktor (sodium-cooled fast reactor, SFR) Snabbt neutronspektrum ingen moderator: klyver 235 U bildar 239 Pu genom n-infångning i 238 U. Sluten bränslecykel. Inga transuraner ska lämna kraftverket. Bränsle: metallform (Zr); blandat U och Pu MOX i båda fallen ska bränslehantering, återvinning och upparbetning ske i kraftverket. Kylmedel: flytande natrium: smälter vid 98º lågt infångningstvärsnitt för neutroner bra flödesegenskaper inga kemiska reaktivitetsproblem visavi konstruktionsmaterial reagerar häftigt med vatten ogenomskinligt; problem att inspektera Säkerhet: lång termisk svarstid stor marginal till kokning i kylmediet primärsystemet nära atmosfärstryck Exp. prototyp byggd i Storbritannien

39 Blykyld snabbreaktor Blykyld snabbreaktor (lead-cooled fast reactor, LFR) Liknar SFR, men kylmedel Pb (Pb/Bi) => högre temperatur möjlig (med avancerade material). Snabbt neutronspektrum ingen moderator: klyver 235 U bildar 239 Pu genom n-infångning i 238 U. Bränslecykel med full återvinning. Olika storlekar på reaktorer, möjligt med fabriksfärdigt bränslebatteri som byts sällan (15-20 år). Tänkbart för små nät, U-länder osv. Flytande Pb (Pb/Bi) hög temperatur på kylmediet => kan producera vätgas kylmedlet kan agera spallationsmål => kan användas för underkritiska system. hög smältpunkt (327º) => stelnar vid drifstopp/underhåll Bi producerar aktiv isotop 210 Po högt pumptryck behövs Exempel från Ryssland (ubåtar)

40 Gaskyld snabbreaktor Gaskyld snabbreaktor (gas-cooled fast reactor GFR) Ingen moderator, snabba neutroner klyver 235 U bildar 239 Pu genom n-infångning i 238 U. Sluten bränslecykel. Kylmedel: gas normalt He (även C0 2, vattenånga diskuteras): ingen tvåfas ingen korrosion litet tvärsnitt för n-infångning gasturbin => hög effektivitet höga temperaturer => kan producera vätgas gaser har dålig värmeledning utveckling av bränsle behövs Prototyp aldrig byggd!

41 Saltsmältereaktor Saltsmältereaktor (molten salt reactor, MSR) Den mest ambitiösa designen inom Gen-IV! Termiska neutroner Moderator: grafit Bränslet blandat med smält salt (i flytande form). Saltsmältan strömmar genom kanaler i grafiten. flytande salt har utmärkt värmedelningsförmåga saltet fungerar även som kylmedel. saltsmältan renas på fissionsprodukter i en processanläggning och samtidigt tillsätts nytt fissilt material => forskning! inga revisioner nödvändiga för bränslebyte Saltet blir korrosivt och radioaktivt => ställer stora krav på materialval. Säkerhet: konceptet anses säkert då hela härden kan pumpas bort från reaktorn (moderatorn) med bibehållen kylning. Exp. prototyp i USA (aircraft)

42 Högtemperaturreaktor Very high temperature reactor, (VHTR) Termiska neutroner Moderator: grafit Klassisk bränslecykel, dvs bränslet används en gång Kylmedel: He: höga temperaturer (vätgasproduktion) nackdelar med He (se GFR) Spännande bränsledesign, tex: prismatiska block (Japan) kulbädd (Kina) fissila materialet inbäddat i grafit Säkerhet: passivt säker Många exp. prototyper finns, denna reaktor spås bli först av Gen-IV.

43 Superkritisk reaktor Supercritical water-cooled reactor (SCWR) Termiska neutroner Eventuellt också för snabba spektrum Moderator: H 2 O Kylmedel: överkritiskt vatten: arbetar över den termohydraulsika kritiska punkten för vatten (22 MPa, 374º) högtryckssystem, ingen fasblandning ingen 2-fas men ändå ett primärsystem => enklare anläggning, dvs färre stora komponenter som ånggeneratorer mm (men vid högre tryck) överkritiskt vatten mer korrosivt än vanligt vatten => behov av materialforskning (ex. zirkalloy) Systemet är till för effektivare elproduktion i reaktorer liknande dagens LWR. Tekniken med överkritiskt vatten används i en del fossilkraftverk.

44 Tack för mig! Om ni har frågor, hör gärna av er på: