Kundrapport - Förstudie Toriumreaktor (LFTR) Projektgrupp 3

Transkript

1 Projektledning 1 Nät-Elkraft Kundrapport - Förstudie Toriumreaktor (LFTR) Projektgrupp 3 21 maj 2015

2 Sammanfattning Toriumreaktorer har varit teoretiskt aktuella, som energikälla sedan forskningen på kärnkraften tog fart på 1950-talet. Hittills har den dock inte vunnit någon kommersiell mark. Men nu blåser nya miljömedvetna vindar och energibehovet har aldrig varit större. Forskning inom området pågår just nu på flera platser i världen huvudsakligen i China. Sverige som inte har resurser att mäta sig med en jätte som till exempel China har tillsynes små möjligheter att ensamt utveckla en egen toriumreaktor inom en överskådlig framtid, men kommer andra länder utveckla toriumreaktorer och sälja helhetslösningar, som görs idag med ordinära kärnkraftverk, kan Sverige säkert byta ut föråldrade kärnkraftverk inom en inte alltför avlägsen framtid till nya LFTR-kraftverk. Inledning Projektet avser att undersöka om det finns förutsättningar att anlägga kärnkraftverk, av fjärde generationen med toriumteknik, i Sverige. Detta med avsikt att kunna ersätta dagens urandrivna reaktorer med toriumteknik. Projektgrupp 3: Britta Jonasson, Johan Mattsson, Jonas Åkerdahl, Robin Nyberg och Råbbinn Johansson. Produktspecifikation Uppdragsbeskrivningen löd Förstudie Toriumreaktor (LFTR) där följande frågor presenterades: * Hur ser tillgången på torium ut? * Hur utvinner man Torium? / Finns det svårigheter med utvinningen? * Fördelar/nackdelar med toriumreaktor kontra konventionell kärnkraft och förnyelsebar energi? * Hur fungerar en toriumreaktor? * Hur svår är en toriumreaktor att realisera? * Hur stor effektkapacitet har en toriumreaktor? * Är det ekonomiskt möjligt att tillverka? Denna kundrapport består av besvarandet av ovan ställda frågor. Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 1 21 maj 2015

3 Hur ser tillgången på torium ut? Förekomsten av torium är ungefär tre gånger vanligare än uran. [1] Kända högvärdiga förekomster finns bland annat i Australien, Indien, Norge, USA och Kanada. [2] I de sydöstra delarna av Norge finns ungefär en tiondel av allt torium som man känner till i världen, enligt Pelle Zettersten. [3] Eftersom det inte finns samma ekonomiska intresse för toriumbrytning som för uranbrytning har det inte genomförts lika omfattande studier av den globala förekomsten av torium. De två större studier som har genomförts ger dessutom för vissa länder väldigt olika resultat. US Geological Survey, USGS, uppdaterar årligen sin bedömning av världens reserver som bygger på egna undersökningar och rapporterade mängder från nationella undersökningar. [4] Figur 1: Resultatet för 2010 visas i tabellen ovan Figur 2: En äldre studie som OECD/NEA presenterade 2008 ger en avvikande bild av hur toriumtillgångarna fördelar sig i världen. Tabellen ovan visar resultatet av OECD/NEA:s studie. [4] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 2 21 maj 2015

4 Hur utvinner man torium? / Finns det svårigheter med utvinning av torium? På en del platser, till exempel i Indien, finns metallen lätt tillgänglig i sanden på stränderna, medan den på andra håll, som i Norge, måste brytas i gruvor. [2] Nästan allt torium som framställs i dag kommer från sekundära förekomster, framför allt som biprodukt från brytning av den fosforbaserade mineralen monazit vid framställning av titan, tenn och sällsynta jordartsmetaller. De största toriumproducenterna är Australien, Brasilien och Sri Lanka. [4] Detta beror troligtvis på att torium inte används speciellt flitigt som kärnbränsle i dagens läge. Toriumbränslecykeln lider av att den inte är lika väl etablerad som uranbränslecykeln. Från uran finns lång erfarenhet och mycket kunskap. Det finns också en hel industri tillgänglig som utvecklats för uranbränslecykeln. Att idag starta en toriumbränslecykel skulle kräva stora investeringar för att bygga upp både kunskap och en parallell infrastruktur. [2] Fördelar/nackdelar med toriumreaktor kontra konventionell kärnkraft och förnyelsebar energi? Den avgörande fördelen med torium är att tillgången på bränslet är större än tillgången på uran. [5] I en toriumreaktor kan man, åtminstone teoretiskt, nå så kallad bridning. Briding innebär att lika mycket (eller mer) klyvbart material bildas som konsumeras. I så fall skulle man inte behöva speciella bridreaktorer för att utnyttja bränslet optimalt. Om uran-233 används som sädbränsle undviker man nästan helt att producera tunga långlivade radioaktiva ämnen såsom plutonium och americium. Det är huvudsakligen de här ämnena som gör använt uranbränsle radioaktivt i många tusen år efter att det tagits ur reaktorn. Dock producerar man istället en del andra långlivade ämnen som gör att även använt toriumbränsle måste förvaras säkert under lång tid. Om uran-235 eller plutonium används som sädbränsle får man trots allt en viss produktion av samma tunga ämnen som i uranbränslefallet. Både torium och dess oxid har höga smältpunkter. Toriumdioxid smälter vid 3350 C, vilket ska jämföras med urandioxid som smälter vid 2800 C. Vid en olycka är en högre smältpunkt en fördel. [2] En av de stora nackdelarna med kärnkraft är rädslan att länder som har tekniken kommer att utnyttja den för att skaffa sig kärnvapen. Detta är betydligt svårare att göra med det material som skapas i kärnreaktorer som drivs med torium jämfört med dem som drivs med uran. [5] Den viktigaste nackdelen med torium som bas för kärnbränsle är att torium i sig inte är klyvbart. Bara genom att bygga upp uran-233 kan toriumet göras användbart som bränsle. Detta kräver, åtminstone inledningsvis, ett sädbränsle som exempelvis uran-235 eller plutonium. Den höga smältpunkten hos framför allt toriumoxid ställer krav på höga temperaturer vid sintringssteget i bränsletillverkningen. Det går inte att direkt använda anläggningar som är anpassade för uranoxid för att tillverka toriumbaserade bränslen. Bränsle baserat på torium ger, likt uran, upphov till långlivade radioaktiva ämnen. Avfallet skulle alltså behöva samma typ slutförvar som det som planeras för uranbaserat bränsle. [2] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 3 21 maj 2015

5 Hur fungerar en toriumreaktor? Då det idag bedrivs ihärdig forskning på att verkställen en energiproducerande toriumreaktor är det svårt att tydligt klargöra exakt hur ett dylikt system fungerar. Här följer därför en överskådlig förklaring till hur en Liquid Fluoride Thorium Reactor förkortning LFTR (uttalas på engelska lifter) fungerar. Det är en form av kärkraftreaktor som använder torium, som tidigare nämnts; i sin tur omvandlas till Uran-233, vilket är ett kärnbränsle, som används i toriumreaktorer. I en LFTR kan man beroende på komposition använda sig av en blandning av torium och uran-233, eller andra isotoper av uran, som tillsammans med bärarsalter bildar en saltkristall vid rumstemperatur och normalt tryck, men omvandlas till en saltlösning vid drifttemperatur, som ligger på omkring 700 C och under normalt atmosfäriskt tryck till skillnad mot gamla LWR - Light Water Reaktor, vilket gör att man inte behöver innesluta reaktorn i tryckkammare och annan otymplig skyddsutrustning i LFTR anläggningar. Dessutom kan ingen härdsmälta uppstå då kärnbränslet redan under normal drift är i flytande form, vilket i sin tur ger en mycket högre energiöverföring. [4] Detta sammantaget gör att flera länder med Kina i spetsen nu lägger ner stora resurser på att få fram en fungerande fullskalig energiproducerande LFTR anläggning. [6] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 4 21 maj 2015

6 Figur 3: Visar omvandlingen från Th-232 till U-233. Greningskvoten för U-233 är ett termiskt genomsnitt av neutronenergier. Halveringstiden för Pa-233 på 27 dagar gör att man måste beakta den fördröjda omvandlingen. Reaktiviteten i en nyladdad härd med torium, som fertilt material kommer att öka relativt hastigt de första månaderna, vilket måste noteras. Reaktorns säkerhetsmarginaler måste klara av den ökade reaktiviteten. På samma sätt ökar U-233 i lagrat bränsle, vilket kan leda till kriticitetsolyckor om man inte förutsett och vidtagit tillräckliga marginaler. [4] Effektiviteten beskrivs av konverteringsfaktorn C som definierats till kvoten mellan mängden omvandlat, nytt, bränsle och mängden förbränt bränsle. Om C är större än 1 producerar reaktorn mer fissilt material än vad som förbränns. På motsvarande sätt innebär ett värde mindre än 1 att mängden fissilt material i reaktorn minskar. Konverteringsfaktorn är direkt beroende av antalet neutroner som finns tillgängliga för att omvandla fertilt till fissilt material och ges av skillnaden mellan antalet producerade neutroner och antalet som antingen går förlorade eller förbrukas i kedjereaktionen. [4] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 5 21 maj 2015

7 Figur 4: Visar en schematisk beskrivning av hur en MSR - Molten Salt Reactor, fungerar. En viktig detalj där en MSR avsevärt skiljer sig från en LWR är fryspluggen i botten på reaktorn. Det en saltlösning som aktivt kyls för att skapa en isplugg. Då ett eventuellt fel uppstår i anläggningen och eller all möjlighet att kontrollera reaktorn bryts kommer ispluggen att tina upp och det flytande reaktorinnehållet kommer rinna ner i de passivt kylda nödlägestankarna. Denna typ av inaktivt säkerhetsarrangemang är inte möjligt på en LWR där resultatet skulle bli härdsmälta, explosion och radioaktiv spridning vid samma scenario. [4] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 6 21 maj 2015

8 Figur 5: Bilden illustrerar en ett års cykel av bränslebehovet och kärnavfallet hos ett 1GW vanligt urandrivet LWR - Light Water Reactor kraftverk och ett toriumdrivet LFTR kraftverk. [6] Noterbart är här den stora skillnaden i kärnavfall, både till storlek och slutförvaringstid. Hur svår är en toriumreaktor att realisera? Man har sedan 1950 talet tänkt använda sig av torium, som ett alternativ till de idag vanliga urandrivna fissionsreaktorerna. Torium är egentligen ett bridmaterial, som kan omvandlas till ett fissilt material dvs U-233. I forskningsreaktorer runt om i världen har man utfört detta på flertalet olika sätt. Där man kommit fram till att en reaktor inklusive bränslecykelanläggningar för torium är lika lätt eller svårt att möjligöra, som motsvarande reaktor med uran eller plutonium. Vissa ytterligare steg i processen tillkommer medan andra kan uteslutas. [4] Hur stor effektkapacitet har en toriumreaktor? Då det ännu inte finns någon toriumreaktor i kommersiell drift, som levererar energi är det lite vanskligt att uttala sig om effektkapacitet, men man gör beräkningar på i storleksordningen gånger mer energi från lika stor mängd kärnbränsle. [7] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 7 21 maj 2015

9 Är det ekonomiskt möjligt att tillverka toriumreaktorer? Amerikanska regeringen lade 1973 ner den då 20 år gamla forskningen på toriumrelaterad kärnkraft vid Oak Ridge National Laboratory. Baserat på att uranreaktorerna var effektivare och biprodukterna kunde användas militärt i form av kärnvapen, vilket inte är möjligt vid toriumbaserade kraftverk. [9] China har optimistiska planer på att utveckla fungerande toriumreaktorer till år Målet är att ha en 2MW forsknings MSR klar 2015, ytterligare en 2017 och sedan en 10MW demonstrationsreaktor och tillslut en 100MW MSR. Startbudgeten låg på 350 miljoner dollar, (ungefär 2,9miljarder SEK ). 140PhD vetenskapsmän är redan heltidsanställda vid the Shanghai Institute of Applied Physics, en utökning till 700 anställda är planerad under kärnkraftingenjörer tar varje år examen i China. [8] Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 8 21 maj 2015

10 Referenser [1] Wikipedia, Troium, Använd 19 maj 2015 [2] D. Westlén och C.-E. Wikdahl, Torium - En möjlig råvara för framtida kärnbränsle, Bakgrund, Februari [3] P. Zettersten, Torium kan ersätta uran i kärnkraftverk", Sveriges Radio, 10 april Använd 19 maj [4] P. Andersson och F. Nielsen, Torium en studie ur ett kärntekniskt perspektiv, Strålsäkerhetsmyndigheten, Stockholm, [5] Svenskt näringsliv, Miljönytta, september Använd 20 maj [6] South China Morning Post, Chinese scientists urged to develop new thorium nuclear reactors by 2024, Använd 20 maj 2015 [7] The Generation IV International Forum, ESFR Case Study Report, /esfr case study report. Använd20maj2015. [8] The Telegraph, China blazes trail for clean nuclear power from thorium, p ritchard/ /china blazes trail for clean nuclear power from thorium.html.använd : 20maj2015 [9] Moir, Ralph W. and Teller, Edward. Thorium-fueled Reactor Using Molten Salt Technology, Journal of Nuclear Technology, Sept Vol 151. Förstudie Toriumreaktor (LFTR) 9 21 maj 2015