Välkomna till Kärnkraft teknik och system 10 hp Henrik Sjöstrand (kursansvarig) Henrik.sjostrand@physics.uu.se, 471 3329, hus 1 vån 3 längst söderut. Erik Brager (inlämningsuppgifter och projektet) erik.branger@physics.uu.se 1
Kärnkraftspaketet Kunskaps- och färdighetsmässigt så fokusera paketet mot fysik, modellering och simulering. Många av kurserna har stark koppling till branschen. Modern fysik 5 hp Kärnkraft - teknik och system 10 hp Framtida nukleära energisystem - analyser och simuleringar 5 hp (Period 43) Empirisk modellering 10 hp (51) Tillämpad reaktorfysik 5 hp (Period 43) Säkerhetsanalyser inom energisektorn, 5 hp (Period 52)
Vill lära sig mer om kärnkraft. Vilka är ni och- varför läser ni kursen? Intressatn teknik och spännane sektor. Framtida teknik. Spännade med fusion. Gen IV. Jobba utomlands 3
Jobb Vill utforska kärnkraften mer Lokal förankring, spännade! Fysiken. Lite farliga. Co2 fri. Vill ah ett helhetsperspektiv. Lär KÄNNA FIENDEN. Allmänbildning Kärnkraft är tufft! Bra kurs Bygger på Kvantfysik Spännande med kärnkraft God arbetsmarknad Stor del av elförsörjning i Sverige Teknikintresse Varför läste studenterna kursen tidigare år? Vill ha fakta inte bara åsikter Intressant Energifysik Kul ämne Viktigt del av Sveriges energisystem Släktband Ligger i tiden Jobb Avgöra om man är för eller emot. Man lär sig mycket Jobbat på Forsmark nyfiken Möjlighet att komma utomlands, t.ex Indien. Argumentera emot/för kärnkraften Vill ha ett systemperspektiv 4
Varför jag älskar kärnkraft! 5
Specifika kursmotiv KKToS Viktig nationell och internationell energikälla Tekniskt (och sociotekniskt) avancerat system Ger möjlighet att träna många olika ingenjörsfärdigheter Rekryteringsbehov Kärnkraftverken, konsultbolag, SSM, SKB, Westinghouse pensionsavgångar, uppgradering av befintliga reaktorer + nybyggnation? Kompetenshöjning Trygga en säker framtida energiförsörjning med minimal miljöpåverkan Möjliggöra en seriös granskning Energimyndigheten, SSM, opinionsbildare 6
Specifika kursmål Efter genomgången kurs ska ni kunna: genomföra beräkningar och skissa på tekniska lösningar inom kärnteknikområdet samt förklara områdets tekniska och naturvetenskapliga principer integrera kunskap från olika delar av kärnteknikområdet för att lösa för området relevanta problem och sedan muntligt och skriftligt redovisa dessa lösningar kritiskt jämföra olika reaktortyper ur hållbarhets- och säkerhetsperspektiv med numeriska verktyg simulera reaktorfysikaliska förlopp och schematiskt designa ett kärnkraftverk samt motivera de antaganden och val som gjorts granska och opponera på en teknisk rapport behärska svensk kärnteknikterminologi 7
Ca 21 föreläsningar inklusive räkneövningar Introduktion / repetition - 1 Reaktorfysik 6 Kärnkraftverket - 2 Termodynamik och bränsle - 3 Reaktordynamik - 3 Reaktorsäkerhet - 1 Strålnings biologiska effekter 1 Kärnämneskontroll - 1 Kärnenergiekonomi - 1 Framtida reaktorkoncept 2 Kursinnehåll Studiebesök SKB, CLAB och Äspö En simuleringsuppgift och en designuppgift som görs hemma (Gästföreläsning(ar)) Fördjupningsprojekt 8
Studiebesök (28-29/11.) Småredovisningar (kryssfrågor 15 av 25) 2st simuleringsuppgifter (betyg 3-5) 20 % En i grupp En individuellt Examination Skriftlig och muntlig projektredovisning (betyg 3-5) 30% Muntlig tentamen (betyg 3-5) 50% Testar på kryssfrågorna, simuleringsuppgifterna, studiebesöket och projekten En del anteckningar får användas 9
Kryssfrågor Muntlig tentamen 2 inlämningsuppgifter Muntlig och skriftlig redovisning Fördjupad kunskap om kärnkraftteknik ur ett systemperspektiv Förklara och räkna på de tekniska och fysikaliska principerna för KKToS skissa på tekniska lösningar inom kärnteknikområdet, simulera reaktorfysikaliska förlopp och designa och jämföra olika reaktorer Tillgodogöra sig studiebesöken Välja projekt Föreläsningar, räkneövningar och litteratur 10
Kursvärdering VT09, VT10, HT10, HT11,HT13,HT14, HT15 Omdöme Bra kurs (4.8) (4.2)(4.5)(4.7)(4.8)(4,8) Tidigare år (före HT13) har kursen ansetts ha hög arbetsbelastning, men förra året poängterades vikten av att börja i tid med kursen Kursen har bidragit till att utveckla min förmåga att kommunicera skriftligt och muntligt (bara ok) Kursvärderingar HT 09-15 finns på studentportalen Viss kritik mot administrationen 2014-2015 Åtgärder Kursupplägg behålls. Börja läsa /jobba med uppgifterna i tid. Vi presenterar uppgifterna tidigare. En mer strukturerad feedback inom det skriftliga Jag har valt att följa undervisningen i så hög grad som möjligt då det underlättades av de kryssfrågor som skulle göras. Detta gjorde det lättare att hänga med i kursens innehåll. Det kommer att bli bättre i år 11
Kurslitteratur Peppa verkligen studenterna att läsa litteraturen redan från början, den är riktigt bra och förklarar nästan allt. Reaktorfysik fördjupad kurs- Kraftindustrins grundutbildningspaket (KSU) Lättillgängligt material 150 s - Studentportalen Kapitel 2.1-2.4 repetition av kärnfysik Introduction to Nuclear Reactors (Chalmers + KSU) Mycket samma som föregående. Kapitel 1 och 12 unika Mer fysik Engelska 150 s Studentportalen. Reaktorfysik H1 Termohydraulik H1 Mer avancerade varianter av föregående + mer material. Hör av er om ni vill kpa det. Kanske finns det litteratur som är mer fördjupande att lägga till i kursen? 12
Diagnostiskt prov KKToS 1. Hur stor andel av Sveriges el kommer från kärnkraft? 2. Bränsle i ett kärnkraftverk (sammansättning)? 3. Vad för moderator används i svenska kärnkraftverk? 4. Varför är de fördröjda neutronerna viktiga? 5. Vad är bindningsenergi (kärnfysik)? 6. Varför är negativ bränsletemperaturkoefficient viktig? 7. Vad är ett nukleärt tvärsnitt? 13
Kärnkraft i Sverige och världen Ca 35-52 % av Sveriges elektricitet 14
Svenska kärntekniska anläggningar 15
Kärnkraft i Sverige och världen ca.11 % av världens elektricitet 16
Ca 400 reaktorer 17
Fission Fission 235 U+n 2 fissionsprodukter + 2 3 neutroner Energi frigörs (200 MeV): E= mc 2 Fissionsprodukterna är radioaktiva Neutronerna kan skapa nya klyvningar kedjereaktion: kritiskt system I naturligt uran endast 0.7% 235 U, resten 238 U KSU, utbildningsmaterial 238 KSU U ej fissilt uranet måste anrikas 18
Energi frigörs E= mc 2 Masskillnad utnyttjas Dotterkärnorna väger mindre tillsammans än moderkärnan! Massa per nukleon 19
Kärnreaktioner Fission (klyvning) 235 U+n 2 fragment + 2-3 neutroner Neutronerna kan orsaka ny klyvning Fissionsprodukterna är radioaktiva Energi frigörs (200MeV) 20
Kedjereaktion n orsakar fission fission ger 2-3 n antalet neutroner ökar processen skenar? Nej! Alla neutroner orsakar inte klyvning 21
Bränslet: 4-6 % 235 U 94-96 % 238 U Läckage ur reaktorn Infångning i kylmediet Infångning i absorbatorer Infångning i bränslet: n+ 238 U 239 U 239 Np + e - 239 Pu+2e - Kärnreaktioner Vart tar neutronerna vägen? 22
Sannolikhet för en reaktion (tvärsnitt) Hög neutronenergi (1 MeV) Liten sannolikhet att klyva 235 U Kan klyva 238 U Medelhög neutronenergi (10 ev 1keV) Liten sannolikhet att klyva 235 U Mest sannolikt: fångas i 238 U Låg neutronenergi (0.025 ev) Stor sannolikhet att klyva 235 U Fissionsneutroner (de som bildas direkt i klyvningen): hög neutronenergi (2 MeV) Måste bromsas ned! 23
Neutronerna föds med hög energi Fission av 235 U effektivast vid låga energier moderering (nedbromsning) genom elastiskt spridning termiska neutroner KSU, utbildningsmaterial 0,1-10 MeV Tvärsnitt: sannolikhet för en reaktion Tvärsnitt (barn) 10 4 10 2 10 0 10-2 10-4 Moderation 235 U fission 238 U infångning Fissionsspektra 10-2 10 0 10 2 10 4 10 6 10 8 Energi (ev) Fissions neutroner >1 ev Kraftig infångning i 238 U resonanser H 2 0 lämpligt moderator Snabb inbromsning av neutronerna Även ett bra kylmedium Lättvattenreaktorer (LWR) KSU, utbildningsmaterial 24
Moderator Vi vill öka sannolikheten för fission Vi behöver långsammare neutroner Neutronernas energi kan minskas genom att studsa på stillastående kärnor (ämnet kallas moderator) Önskvärda egenskaper Stor sannolikhet för studs Neutronen ska förlora mycket energi per studs Neutronen ska inte absorberas Olika typer Vatten (billigt, kyler) Grafit (tål höga temperaturer) Tungt vatten (fångar inte så många neutroner) 25
Vi förlorar neutroner (genom läckage, absorption i 238 U, moderatorn, fissionsprodukterna och absorbatorer) Det finns gott om uran, men naturligt uran endast 0.7 % 235 U och 99.3 % 238 U går inte att köra en lättvattenreaktor Uranet måste anrikas Gasdiffusion Centrifugering Endast ett fåtal anläggningar i världen (ingen i Sverige) Bränsleproduktion i Västerås (ej anrikning) Urandioxid (UO 2 ) framställs i små kutsar Sätts ihop i stora bränsleknippen Bränslet 26
Infångningstvärsnitt (b) Densitetsåterkoppling 10 4 10 2 10 0 10-2 Sammanfattning: 235 U och 239 Pu kan fissioneras och mycket energi frigörs. Det verkar gå att upprätthålla och kontrollera en kedjereaktion. Men vad ska det vara bra för? 238 U Bränsletemperatursåterkoppling Säkerhet 10-4 10-8 10-6 10-4 10-2 10 0 Energi (MeV) Något gör att kedjereaktionerna ökar högre effekt högre temp. /kokning i vattnet lägre densitet sämre moderering ökad infångning i 238 U sänkt effekt negativ återkoppling Stabiliserar reaktorn ingen skenade kedjereaktion KSU Högre effekt högre temperatur i bränslet termisk rörelse i 238 U: dopplereffekt resonanserna breddas ökad infångning effekt minskning negativ återkoppling 27
Fissionens bidrag till mänskligheten 28
Kärnkraftsproblem Säkerhet Avfall Kärnvapenspridning Ekonomi SKB, 2011 29
Risker Härdsmälta Three Mile Island och Fukushima Använt kärnbränsle avger alltid värme Måste alltid kylas Skenande effekt Tjernobyl Plötsliga förändringar i reaktorns reaktivitet Minskad neutronabsorbtion Ökad moderering 30
Högaktivt Det använda kärnbränslet Fissionsprodukterna Transuraner (aktinider) n+ 238 U 239 U 239 Pu+2e - Mellanlagras i bassänger utanför Oskarshamn (Clab) Slutförvaras 500m ner i berget (Forsmark) Avfall Medel och Lågaktivt Neutroner inducerar radioaktivitet i material Saker som kommit i kontakt med radioaktivt material (skyddshanskar) SFR- Slutförvar för radioaktivt avfall (Forsmark) Studiebesök 31
32
Reaktorsystemet- i Sverige har vi lättvattenreaktorer Kokarvattenreaktorer (BWR) 7 st (Forsmark, Ringhals Oskarshamn) ABB atom Tryckvattenreaktorer (PWR) 3st (Ringhals), vanligaste typen i världen. 33
I praktiken alltid elproduktion och kondenskraft Tekniska grunderna i princip lika för kärnkraft, kolkraft och oljekraft Tekniska komponenterna Värmekälla Ångdom Turbin Generator Kondensor men varför får ingenjören som byggt det här kärnkraftverket sparken? Kärnkraft vanligt och ovanligt 34
Skillnader mot övriga ångkraftverk Kondenskraft Bränslet inne i vattnet Extremt farliga biprodukter. Höga säkerhetskrav Enorm energidensitet. Långt mellan bränslebytena Låga bränslekostnader - Små variationer i produktionskostanden Ämnen som bildas under drift påverkar reaktorn Konstant drift optimum Värme bildas efter stopp Konstant behov av kylning Kraftproduktion Strategisk betydelse hos tekniken och kärnämnena Internationell kontroll (IAEA) Risk för stora olyckor Omfattande nationell kontroll av drift (SSM) Nationell politisk kontroll vid etablering Hantering av ämnena farliga under lång tid Inspektioner, avfallshantering Konsekvens: Tekniken är storskalig 35
Kryssfråga Radium-226 är en vanlig isotop på jorden. Givet att jorden är fem miljarder år gammal och radium har en halveringstid på 1600 år hur kommer det sig att det finns något radium kvar? Hur sönderfaller radium? Vad är kritisk energi (kärnreaktion)? Hur mycket energi behöver en neutron ha för att klyva 239 Pu? Illustrera med ett räkneexempel. (PH 6.1). Varför är 239 Pu intressant ur ett reaktorsammanhang. (2/9) 36