Fjärde generationens reaktorer i Sverige och Europa

Transkript

1 Fjärde generationens reaktorer i Sverige och Europa Janne Wallenius Professor Reactor Physics, KTH

2 Översikt Vad är Generation IV? Forskning om fjärde generationens reaktorer i Europa GENIUS-projektet European Sustainable Nuclear Industrial Initiative (ESNII) Generation IV i Ryssland ELECTRA

3 Mål för fjärde generationens reaktorer Fjärde generationens reaktorer Öka bränsleresurser (tillverka fissilt material från 238 U eller 232 Th) Minska mängden långlivat högaktivt avfall (återanvända plutonium, americium och curium). Möjliggöra högre drifttemperaturer För att förbättra omvandlingsfaktorn till elektricitet och/eller tillåta användning av värme för industriella ändamål Ekonomin är direkt avhängig av livstiden för strukturmaterial

4 Bärkraftig kärnkraft 4 η:neutron yield/absorption Bridningskriteriet kräver: η > Snabbspektrum med U-Pu cykel U 239 Pu η ( 239 Pu) ~ Vältermaliserat spektrum med Th-U cykel: E n [ev] η ( 233 U) < 2.26

5 Termiskt system: Högtemperaturreaktorn (HTR). Arevas ANTARES Drift av HTR med toriumbränsle har utförts i industriell skala (THTR, Tyskland) Upparbetning av kulbränsle är komplicerat och kostsamt (uppeldning av aktiverad grafit) Väteproduktion kräver T 900 C, idag saknas tillämpliga material för långtidsdrift. Kompositmaterial (SiC-SiC) tänkbar lösning Arevas ANTARES-design för industriell tillverkning av C, utan upparbetning.

6 Snabbt vs termiskt spektrum 100 Radiotoxic inventory [Sv/g] 100 Radiotoxic inventory [Sv/g] Fissionprobability TRU FP Uranium in nature t[y] Pu Pu 238 Pu Am 242 Pu U nat 237 Np TRU 241 Am t [y] 238 Pu 239 Pu 240 Pu 241 Pu 242 Pu 241 Am 243 Am 244 Cm För att reducera inventariet av långlivat högaktivt avfall krävs återanvändning av Pu, Am & Cm! 245 Cm 246 Cm 247 Cm I termiskt spektrum är klyvningssannolikheten för fertila isotoper ~ noll! Produktion av neutronkällan Cf-252 är 1000 ggr högre i termiskt spektrum än i snabbspektrum!

7 Strategi för återanvändning LWR 65% Förluster vid upparbetning: 0.1% Spent fuel Utbränning: 20% Totalförlust: 0.5% Fission products Inventariereduktion ~ 200 Reprocessing Repository Reduktion av toxicitet: TRU U Spent fuel Pu+Am återanvändning: <10 Pu+Am+Cm återanvändning: ~ 300! 35% Lagringstid: < 1000 years! Fast Reactor

8 Natriumkyld snabbreaktor

9 Natriumkylda reaktorn + Baserad på industriellt prövad kylmedelsteknik + Demonstrationsanläggning kan stå färdig till God bridningsförmåga Kostnader för att förhindra reaktion mellan vatten och natrium Säkerhetsfrågor i samband med kokning av natrium Phénix Marcoule France

10 Blykylda snabbreaktorn

11 Blykylda reaktorer + Ingen kraftig växelverkan med vatten värmeväxlaren kan placeras i primärkretsen! + Hög koktemperatur låg sannolikhet för voidbildning K745 Sovjetisk ubåt + Hög andel självcirkulation- passiv värmebortföring Kylmedelsteknik endast provad i militära reaktorer Kostnad för syrekontroll och ytbeläggningar Erosion av pumpmaterial

12 ASTRID: Advanced Sodium Test Reactor for Industrial Demonstration Huvudspåret i det franska Generation IV-programmet Prototyp med MWe effekt. Kostnad: 2 4 M. EU-projekt ESFR (European Sodium Fast Reactor) MOX-bränsle & experimentella patroner med Am-laddat MOX-bränsle Avgörande val i designprocessen: ODS-stål för kapslingsmaterial? Bly eller gas för mellankretsen? Placering bredvid Phenix. 2012: Beslut om att bygga

13 Lead Cooled Advanced Experimental Reactor: LEADER EU-projekt med start 1:a april EU-finansiering: 3 M Design av 100 MWe Experimental Technology Demonstration Plant Viktiga materialfrågor Validering av ytlegeringsteknik för att kontrollera korrosion (FeCrAlY) Pumpmaterial: MAXTAL? KTH deltar i säkerhetsanalys KTH leder utbildningsverksamheten

14 GENIUS Generation IV-forskning i universitets-sverige (KTH, Chalmers & UU) 36 MSEK från VR för för 12 doktorander och 16 forskare Tre arbetspaket: Bränsleutveckling: Tillverkning, provning och modellering av (U,Pu)N & (Pu,Zr)N-bränslen Materialforskning: Modellering och undersökning av strålskador. Experimentella undersökningar av korrosion i blysmältor. Säkerhet: Växelverkan mellan bränsle och bly, kärndata,termohydraulik i bly, transientanalyss, detektorutveckling & icke-spridning.

15 SWANFUEL: Swedish Advanced Nuclear Fuel Laboratory Handskboxar, ugn och kvarn installerade på KTH 2009 Nitridpulver tillverkade från uranoch zirkoniummetaller ZrN-pulver 5 ggr renare än kommersiellt pulver! UN och ZrN-kutsar pressade Sintring med högströmsassisterad isostatisk pressning. Plutoniumbränslelabb under uppbyggnad på Chalmers

16 TALL-slinga TALL: Bly-vismutkrets uppförd på KTH 2004 Använd för provning av självcirkulation Unik anläggning i Europa Experimentella data används idag för kodvalidering Aktiv användning inom en rad EUprojekt

17 European Sustainable Nuclear Industrial Initiative (ESNII) Initiativ baserat på slutsatser från plattformsarbete i SNE-TP Forskning, utveckling och demonstration av bärkraftig kärnkraft Natriumkyld reaktor med MWe effekt, driftstart 2022 Blykyld reaktor med 100 MWe effekt, driftstart 2025 Gaskyld reaktor med 60 MWt effekt, driftstart 2025 Bly-vismutkyld materialtestreaktor med 100 MWt effekt, driftstart Baserad på Belgiska MYRRHA-projektet. Total kostnad, inklusive bränsletillverkning och forskningsinfrastruktur: ~10 G.

18 Generation IV i Ryssland Natriumkylda BN-800 under uppförande, driftklar 2014 Materialtestreaktor MBIR-100 ersätter BOR-60 SVBR-100 (100 MWe blyvismutkyld reaktor) utvecklas av konsortium mellan Rosatom och privat industri Genombrott i korrosionsfrågan: Kiselanrikat stål provat med fullgott resultat under timmar vid 600 C! Byggstart 2016!

19 ELECTRA: European Lead Cooled Training Reactor Snabbreaktorprogrammet saknar utbildningsreaktor Liten härd omöjlig att designa med uran-bränsle (< 20% anrikning) 2 MW härd med (Pu,Zr)N bränsle kan kylas med 100% naturlig cirkulation av bly. Härdhöjd ~ 16 cm. Studenter kan köra sådan reaktor Linjäreffekt och dosrat tillräcklig hög för viss materialprovning Design utförs av doktorander i LEADER-projektet Placering i Sverige?

20 Sammanfattning Fjärde generationens reaktorer kommer att kunna producera elektricitet i Europa under 20-talet Natriumkyld reaktor (ASTRID) i Frankrke Blyvismut-kyld materialtestreaktor i Belgien (MYRRHA) Blykyld prototyp under utveckling i LEADER-projektet Fjärde generationens upparbetning (?) Svensk forskning utförs i GENIUS-projektet på KTH, Chalmers och UU