10 Vind I strävan efter att öka andelen förnybar energi och därmed minska energianvändningens miljöpåverkan har intresset för vindkraft ökat kraftigt under de senaste tio åren. Flera länders regeringar har gått in med kraftiga styrmedel för att vindkraftsanläggningar ska komma till stånd. Detta har lett till att vindkraften ökat kraftigt i exempelvis Danmark och Tyskland. Fortfarande står dock vindkraften för en mycket liten del av Sveriges och världens elproduktion. I följande kapitel beskrivs vindkraft som energikälla.
10.1 Vad är vindkraft? 10.1 Vad är vindkraft? Vindkraft är en energikälla i kraftig expansion. Den sentida vindkraftsutvecklingen inleddes efter oljekrisen 1973 och har sedan dess gått snabbt framåt. Ett vindkraftverk omvandlar vindens energi till elektricitet. Hur mycket rörelseenergi som finns att utvinna bestäms av vindens hastighet och varaktighet. En fördubbling av vindhastigheten ökar vindens energiinnehåll åtta gånger. Tabellen visar hur stor teoretisk effekt en vindturbin maximalt kan uppnå vid olika vindhastigheter. Ett vindkraftverk (en vindturbin) arbetar i en fri strömning, vilket innebär till skillnad från ånga i ångturbiner och vatten i vattenturbiner att vinden inte kan styras och tvingas att passera genom vindturbinen. Teoretiskt går det i ett vindkraftverk att utvinna maximalt 59 procent av luftens rörelseenergi. Vindkraftverket i sig har en verkningsgrad på Vindhastighet (m/s) Utvinnbar effekt (watvm 2 svept yta) 3 9 6 75 9 250 12 600 15 1170 cirka 85 procent. Den höga verkningsgraden beror till stor del på att turbinbladen roterar snabbt (turbinbladens hastighet i spetsarna är 6-10 gånger vindhastigheten). Ett vindkraftverks konstruktion Vindkraftverkets fundament kan bestå aven betongplatta eller en bergförankring. Fäst i fundamentet är verkets torn, som vanligen är gjort av stålplåt. I tornet finns en stege eller hiss för skyddad uppstigning vid service. Rotorns två eller tre blad är gjorda av kompositmaterial som innehåller glasfiber eller kolfiber. Bladen har en matt färg för att solreflexer ej skall uppstå. I navet där bladen är fästa, överförs rotationsrörelsen via en axel in i maskinhuset till en kuggväxel. Här ökas varvtalet, 20-40 varv/minut, till ett varvtal anpassat till generatorn, till exempel 1500 varv/ minut. Maskinhuset innehåller också ett bromssystem samt ett girsystem, som riktar in turbinen mot vinden. Driften av vindkraftverket sköts automatiskt aven datorutrustning. Vindkraftverket producerar elenergi när det blåser mellan 4 och 25 m/s. Vid vindhastigheter på mer än 25 m/s tas aggregaten ur drift. Blåser det för litet, under 3-4 m/s, räcker vinden inte till för att driva kraftverket. Maximal effekt erhålls då det blåser mellan 12 och 14 m/s. Vid högre 108
10.1 Vad i vindhastigheter är det nödvändigt att "släppa förbi" vinden för att förhindra överbelastning av kraftverket. Alla vindkraftverk är utrustade med en effektbegränsare, som arbetar enligt en av två principer: bladvinkelreglering eller stallreglering. Bladvinkelreglering innebär att turbinbladen, eller de yttre delarna av dem, görs vridbara. Då bladen vrids blir vindens anblåsningsyta mindre och effekten regleras. Stallreglering (av eng stall) innebär att varvtalet vid ökande vindstyrka behålls vid ett konstant och jämförelsevis lågt värde. Därigenom kommer anblåsningsvinkeln att öka (bladprofilen anblåses alltmer underifrån) och vid en viss vinkel orkar inte luftströmmen följa bladens ovansida. En virvelbildning uppstår och effekten begränsas. Sedan början av 1980-talet har vindkraftverkens storlek ökat med en faktor över 200. Från en storlek på 20-60 kw och en rotordiameter på cirka 20 m har de kommersiella vindkraftverken nu en storlek på upp till 5--6 MW. Tabellen visar typiska data för vindkraftverk. Lokaliseringsmöjligheter för vindkraftverk Möjligheter att anlägga vindkraftverk påverkas aven rad faktorer. Så kallade skuggningeffekter innebär att vindkraftverken måste stå på ett visst avstånd från varandra för att vinden skall hinna "återhämta sig". Aggregattomten måste rymma en väg och ett parkeringsutrymme vid tornfoten. Vid mindre anläggningar förekommer det att åkermark brukas ända fram till tornfoten. Buller kan orsakas av luftens strömning kring turbinbladen och av mekaniskt buller från maskineriet. För ett 500 kw verk ligger källbullervärdet vanligen omkring 100 decibel, vilket innebär att ljudnivån 40 decibel uppnås på cirka 350 meters avstånd. En säkerhetsrisk kan vara risken för iskast eller haveri varvid delar av, eller hela, turbinblad kan falla ned. Nämnvärd isbildning har hittills inte konstaterats på större vindkraftaggregat i Sverige. Behovet av avstånd till bebyggelse av säkerhetsskäl faller inom de avstånd som är nödvändiga av bullerskäl, och påverkar därför inte lokaliseringsmöjligheterna. Telestörningar kan orsakas av reflexer mot vindkraftverkens torn och blad, speciellt om de innehåller rnetalldelar. Television, radiolänkar samt militär signalspaning kan påverkas. TV-störningar kan bland annat avhjälpas genorn att sätta upp slavsändare, eller förlägga kabel nät. Visuell påverkan från vindkraftverk uppmärksammas i takt med utbyggnaden av fler verk, särskilt i samband med havsbaserade vindkraftsparker. I havet och i låglänta trakter syns vindkraftverken vida omkring och kan då verka störande. Havsbaserad vindkrafts inverkan på fåglar och på livet i havet har också uppmärksammats. Än så länge finns lite forskning på området, men omfattande studier pågår i olika länder. Studier som genomförts visar att havets organismer snabbt vänjer sig vid det ljud och de vibrationer som vindkraftverk orsakar under vattenytan. Men fortfarande finns det kvar en del frågor att besvara, som exempelvis potentiella effekter av stress och flyktbeteende. Historik Människan har utnyttjat vinden som kraftkälla i årtusenden. Vid sidan av segel för framdrivning av fartyg utnyttjade folk i nuvarande Kina och Japan vinddrivna kvarnar redan för 4000 år sedan. Kunskapen spred sig från Asien till Europa på 1100-talet. Till Sverige kom väderkvarnarna ungefär år 1330. Användningen nådde i Sverige sin topp vid mitten av 1800-talet, då flera tusen väderkvarnar var igång. Så sent som år 1940 var ett par hundra väderkvarnar i drift i Skåne. Modern vindkraft började utvecklas på 1980-talet, i samband med den första oljekrisen. I Danmark började vindkraft utvecklas under 1980-talet och tjugo år senare fanns det flera hundra danska vindkraftverk i drift. Forskning bedrevs också i en rad andra länder. Källa: Energimyndigheten, Naturvårdsverket, ÅF, Vattenfall Utveckling, BTM Consult ApSf Typiska data för vindkraftverk Effekt 20 kw 400 kw Turbindiameter 10m 35 m Tornhöjd 15 m 35 m Årsproduktion 40 MWh 900 MWh Serietillverkning 1982 1990 1500 kw 5000 kw 66 m 120 m 60 m 100 m 3900 MWh 17500 MWh* 1998 2004 *Till havs Källa: Energimyndigheten
10.2 Vindkraft i världen 10.2 Vindkraft i världen Modern vindkraft började utvecklas på 1970-talet, i samband med den första oljekrisen. Många länder startade då program med statligt stöd till utveckling, investering och drift av vindkraft. Samtidigt började en privat sektor att långsamt växa fram. På 1980-talet uppträdde stora marknader i Danmark och Kalifornien och på 1990-talet har vindkraften utvecklats i ett flertal länder. Vindkraftutbyggnaden varierar stort mellan olika länder både i antal och som andel av ländernas elproduktion. Idag bedrivs utvecklingsarbetet främst på nationell nivå, men även internationellt samarbete förekommer. EU:s insatser för forskning och utveckling av vindkraft, inom ENERGIE- och ALTENER-programmen, har haft en strategisk betydelse. Internationellt samarbete sker också genom IEA (International Energy Agency). De största vindkraftsländerna är idag Tyskland, USA, Spanien, Indien, Italien och Danmark. Tabellen visar utvecklingen av vindkraft i världen år 2008. I slutet av 2008 hade världens vindkraftverk en sammanlagd effekt på cirka 120791 MW och EU stod för 54 procent av världens effekt med 64 948 MW. Utbyggnaden av vindkraften fortsätter och en stor del av utbyggnaden kommande decennier väntas ske till havs. Vindkraftverk till havs byggs på fundament som förankras i botten på 5 till 15 meters djup. Vindkraft, installerad effekt i världen 2007-2008 På senare tid har eventuella miljökonsekvenser av havsbaserad vindkraft uppmärksammats med krav på grundliga utredningar innan storskaliga etableringar genomförs. The European Wind Energy Association (EWEA) har som mål att i Europa år 2020 ha totalt 230 GW installerad vindkraftseffekt och 300 GW år 2030, där mellan 20 000 till 40 000 MW beräknas vara offshore år 2020. Exempel på utvecklingen i några olika länder Danmark är det land i Norden som vad gäller vindkraft har högst installerad effekt, 3 180 MW. År 2008 stod vindkraften för nästan 20 procent av all eltillförsel i Danmark. Tyskland införde 1989 ett statligt program för att bygga 100 MW vindkraft. 1991 utökades programmet till 250 MW eftersom intresset var stort. Tack vare generösa investeringsbidrag som kompletterades med produktionsstöd har utbyggnaden gått mycket snabbt. Tyskland passerade 1996 USA som världens ledande vindkraftsnation. År 2008 hade Tyskland en installerad effekt på 23903 MW, vilket motsvarar cirka 37 procent av den installerade effekten i EU. USA passerade åter Tyskland 2008 som världens ledande vindkraftsnation. Storbritannien är det europeiska land som bedöms ha den största potentialen för vindkraft. År 2008 var den totala installerade effekten 3 241 MW, vilket var en ökning med 35 procent jämfört med år 2007. Effekt, MW 2007 2008 Tyskland 22.247 23.903 Spanien 15.145 16.754 Danmark 3.125 3.l80 Italien 2.726 3.736 Nederländerna 2.406 3.241 Storbritannien 1.747 2.225 Sverige 788 l.021 EU Totalt 56.531 64.948 USA 16.824 25.l70 Kina 5.910 12.210 Indien 7.845 9.645 Världen Totalt 93.823 120.791 Källa: EWEA Wind map 2008, EWEA tables and statistics 2008 AckumIerad global vindkraftutveckling 2007 2008 Europa 61% Europa 55% Källa: EWEA Tables and Statistics 2008 110
10.2 Vindkl Vindkraft installerade effekt i EU-15 och världen 1990-2008 GW 120 % 80 90 60 60 40 30 20 O~~~~~~uLUL~~hlLhlLhlLhlL~~~~~~O 90 95 00-05 c=j EU 15 _ Världen - EU % av världen Källa: Wind map 2005-2008 samt World stat 2006 and 2008 I USA installerades under år 2008 totalt 8 358 MW, vilket medförde att deras totala installerade effekt uppgick till 25 170 MW. Under 2008 var USA den nation som installerade mest vindkraft. Kina är en vindkraftsnation på stark frammarsch. Efter USA var de den nation som installerade mest vindkraft år 2008, 6 300 MW. Under 2008 ökade Kinas installerade effekt med över 100 procentfrån 5 910 MW år 2007 till 12210 MW år 2008. Källor: IEA, Energimyndigheten, Vattenfall Utveckling, World Energy Council, BTM Consult ApS, Svensk Vindkraftförening, ÅF-Industriteknik AB, FFA, AWEA (American Wind Energy Association), EWEA Utveckling av vindkraftens andel av total el produktion i EU 1995-2020 TWh 4.000 % 16 14 3.000 12 10 2.000 8 6 1.000 4 2 1995 2000 2008 2020* o c=j Total EL TWh.. Vind EL TWh - %avel * Uppskattade data Källa: EWEA, Wind energy statistics Digrammet visar utvecklingen av andelen vindkraft av total elproduktion i EU de senaste 14 åren samt uppskattad projektering för år 2020.
10.3 Vindkraft i Sverige 10.3 Vindkraft i Sverige Sverige ligger i det blåsiga västvindsbältet och har därför bättre förutsättningar för vindkraft än de flesta andra länder i världen. Vindtillgången är i första hand förknippad med de lågtryck som passerar landet i nordostliga banor. Vinden bromsas nära marken, särskilt där det finns skog eller bebyggelse. Över en slätt är energitillgången tre gånger så stor på 100 m höjd som på 10 m. Havet bromsar vinden ännu mindre än slättland och därför är kusttrakterna blåsiga. Över hav är energitillgången ca 1,5 ggr så stor som över en slätt några kilometer innanför kusten. För att kunna utnyttja den ostörda havsvinden måste man gå ut 3-5 km från kusten. Under vinterhalvåret blåser det betydligt mer än under sommarhalvåret vilket medför att perioden oktober till januari ger dubbelt så mycket vindenergi som sommarmånaderna. Mellan olika år varierar energitillgången med 10 till 20 procent. Tillgången på vattenkraft och vindkraft kompletterar varandra. Ett år med svag vattentillgång är oftast ett bra vindår och tvärtom. Någon systematisk dygnsvariation förekommer inte på de höjder som är aktuella för stora vindkraftverk (50-100 m). För mindre anläggningar kan man vänta Sig att sjöbrisen ger en ökning av elproduktionen under sommardagar. I södra Sveriges kusttrakter har inget tydligt samband kunnat påvisas mellan elnätets belastningstoppar (som oftast infaller vid stark kyla) och låg vindhastighet. Det finns ett uttalat mål att Sverige ska ha 10 TWh vindkraft senast år 2015. Energimyndigheten förordar att utbyggnaden sker främst i södra Sverige och till havs. Eluttaget är störst i södra Sverige och en utbyggnad av vindkraft där motverkar problem med effektbalansen. Energimyndigheten fick i uppdrag att senast 1 december 2007 lämna ett förslag på ett nytt planeringsmål till 2020. Det nya målet som föreslogs var 30 TWh, varav 20 TWh vindkraft på land och 10 TWh lokaliserat till havs. Forskning och utveckling i Sverige Statligt finansierad vindkraftsutveckling startades 1975 inom ramen för det s.k. energiforskningsprogrammet. Ett resultat av detta var byggandet av de två stora vindkraftverken vid Magiarp och Näsudden 1982-83. Sommaren 1990 uppfördes ett av världens första havsbaserade vindkraftverk, Svante 1 250 meter utanför Nogersund i Blekinge, med en höjd på 35 meter och en effekt på 220 kw. Svante var i drift till november 2004 och monterades ner i juni 2007. Forskningen koncentrerades från början i huvudsak till tre ställen; Flygtekniska Försöksanstalten (FFA), Institutionen för elmaskinteknik vid CTH, Chalmers tekniska högskola, och Meteorologiska Institutionen vid Uppsala Universitet (MIUU). Tidigare har forskningen varit starkt koncentrerad till teknik, men forskning kring akustik, miljöfrågor och sociotekniska aspekter får allt större betydelse. År 1993 ingick institutionerna ovan i ett nytt självständigt konsortium, Vindkraftkonsortiet, med uppgift att i dialog med tillverkare och användare bedriva vindkraftteknisk forskning. Detta program ersattes av Vindkraftsprogrammet VKK- Vindkraft, Kunskap och Kompetens som drevs fram till år 2001. Vindkraftprogrammet VKK ersattes 2002 med Vindforsk. Den första etappen löpte mellan 2002-2004. Vindforsk II finansierade projekt åren 2006-2008. En tredje Vindforskperiod planeras pågå mellan 2009 och 2012. Vindforsk är ett samfinansierat forskningsprogram för grundläggande och tillämpad forskning inom vindkraft. De tre olika etapperna har haft olika inriktningar. Vindforsk III syftar till at ta fram generaliserbara resultat kring vindkraftens egenskaper och möjligheter, bevara och stärka kompetensen vid högskolor och universitet, samt stärka rekryteringsbasen till svensk vindkraftsindustri. Programme löper över 4 år med en total omslutning på 80 miljoner kronor. De bästa vindkraftsområdena på land oc i havsområden med mindre vattendjup än 30 m. Efter "Läge för vindkraft", SOU 1988:32. 112
10.3 Vind kr Vindkraftverk i Sverige, 1982-2008 2000-2003 1.200 1.000.. 800 600 Källa: EWEA Tab/es and Statistics 2008 Vindkraftverk i Sverige Det totala antalet vindkraftverk i Sverige uppgick vid årsskiftet 2008/2009 till drygt 1 130 stycken, vilka hade en sammanlagd installerad effekt på 1 048 MW. De producerade under år 2008 tillsammans cirka 2 TWh, vilket är en ökning med nästan 40 procent i jämförelse med år 2007. Vindkraftverkens storlek har ökat snabbt. De första serietillverkade vindkraftverken under 1980-talet hade en effekt på cirka 20 kw. I början av 1990-talet ökade verkens effekt till 200 kw med någon enstaka anläggning på över 225 kw. Ett typiskt vindkraftverk som byggs idag i Sverige har en effekt på mellan 800 och 2 500 kw. Det finns ett antal vindkraftverk i Sverige med en installerad effekt på 3 MW. I Europa finns det idag verk som är i drift med installerad effekt på 5-6 MW. Orsaken till att teknikutveckiingen leder till att vindkraftverken blir allt större och högre är att vinden är mer energirik på högre höjd. Med högre höjd och större rotordiameter genererar vindkraftverken mer elenergi på samma marka real. Ekonomi Den 1 maj 2003 infördes ett nytt stödsystem för förnybar energi, baserat på el certifikat för förnybar el. Systemet kompletterades under en övergångsperiod med ett riktat stöd till vindkraft i form aven bibehållen s.k. miljöbonus som fasades ut till och med år 2009. År 2009 var miljöbonusen 12 örejkwh för el från havsbaserad vindkraft medan den för landsbaserad vindkraft var utfasad efter 2008. Sedan 2003 finns även vindpilotstöd som är stöd till marknadsintroduktion för storskalig vindkraft. Stödet syftar till att minska kostnaderna för nyetableringar av vindkraft och främja ny teknik. Vindpilotstödet har funnits sedan 2003 och har förlängts till år 2012. De moderna vindkraftverken har låga driftskostnader. Vid optimala förutsättnigar kan vindkraftverken producera el under 98 procent av årets timmar. Källor: Energimyndigheten, Kraftföretagens Vindkraft AB, SOU 1998: 152, E/torsk Vindkraftens utveckling, 1982-2008 MW 1.000 GWh 2.000 800 1.600 600 1.200 400 800 200 400 OL--------- ~~~~-L~ -85-90 -95-00 D Installerad effekt (MW) - Elproduktion (GWh) Källa: E/torsk, Energimyndigheten -05 o
114
Il Kärnkraft Kärnkraften står för cirka 6 procent av världens totala energitiliförsel och det finns idag mer än 400 kärnkraftverk i världen. I många länder i väst byggdes kärnkraften ut främst under 1970- och 1980-talet, medan andra länder som Kina och Sydkorea bygger nya kärnkraftverk idag. I det här kapitlet beskriver vi hur ett kärnkraftverk fungerar och var världens urantillgångar finns. Vi beskriver också olika reaktortyper och hur kärnavfallet omhändertas.
11.1 Vad är kärnenergi? 11.1 Vad är kärnenergi? Med kärnenergi menas energi som frigörs när atomkärnor kolliderar med varandra eller med elementarpartiklar. Kärnenergi frigörs både när tunga atomkärnor klyvs (fission) och när lätta atomkärnor slås samman (fusion). Kärnklyvning - fission För att en kärnklyvning skall kunna ske krävs ett klyvbart material bestående av tunga atomer. Det krävs även att atomkärnan tillförs energi utifrån. Det klyvbara materialet i de svenska kärnkraftverken är uran. Andra klyvbara material är t ex plutonium och torium. Naturligt uran innehåller huvudsakligen två olika isotoper av uran, uran-235 och uran-238. Med isotop menas att samma grundämne kan ha olika antal neutroner, och därmed olika massa. Den energi som måste tillföras för att en atomkärna skall klyvas kommer från fria neutroner. Neutroner ingår i atomkärnor men förekommer också fritt i materia. När en neutron träffar en klyvbar atomkärna klyvs denna normalt i två ungefär lika stora delar, samtidigt som energi frigörs. Vid klyvningen frigörs ytterligare några neutroner som i sin tur kan klyva andra atomkärnor. På så sätt fortgår i kärnkraftreaktorer en kedjereaktion där den frigjorda energin kan utnyttjas för elproduktion. Kärnsammanslagning - fusion Den andra principen för utvinning av kärnenergi benämns fusion och innebär att två lätta atomkärnor slås ihop samtidigt som energi frigörs. Den fusionsreaktion som kräver lägst temperatur för att komma igång är den där två atomer tungt väte (deuterium och tritium) slås ihop och bildar en heliumatom och en neutron, samtidigt som energi i form av rörelseenergi och strålning frigörs. För att denna process ska kunna ske krävs extremt höga temperaturer - över 100 miljoner grader. Vid sådana temperaturer befinner sig materian i plasmafas. Det finns ingen fusionsreaktor idag som ger mer energi än som krävs för att sätta igång reaktionerna. Forskning pågår både i Sverige och internationellt -t ex inom Euroatom och på anläggningen JET (Joint European Torus). Fusion finns närmare beskrivet i kapitel 11. 7. Fission Fusion Deuterium --=-~ Neutron Energi Lättare atomkärnor, neutroner och energi Tritium helium, neutroner och energi 116
11.2 \ 11.2 Vad är uran? Grundämnet uran finns i nästan alla mineral, medelhalten i jordskorpan är nära 3 ppm. Det är 500 gånger vanligare än guld och lika vanligt som tenn. Malmen i de rikaste gruvorna innehåller cirka 2 % uran. Urangruvor finns i samtliga världsdelar. Hur mycket uran finns det? Storleken på vad som anses vara brytvärda tillgångar är beroende av utvecklingen av kostnaderna för utvinning och marknadspriset på uran. Världens kända ekonomiskt brytvärda tillgångar av uran år 2008 redovisas i tabellen. Var produceras uran? Under de senaste åren har uranproduktionen varit cirka 40 000 ton per år, en nivå som är lägre än förbrukningen på 65 000 ton per år. Skillnaden beror på lager från tidigare överproduktion och att en del höganrikat uran från det ryska och amerikanska kärnvapenprogrammet genom utblandning med naturligt uran överförts tilllåganrikat reaktorbränslemateriai. Under 2008 utvanns totalt 43853 ton uran. Kanada har störst uranproduktion i världen, följt av Kazakstan och Australien, vilket redovisas i tabellen. Under 1990-talet förändrades uranproduktionsindustrin genom uppköp, sammanslagningar och nedläggningar. Trenden gick mot allt färre företag som producerade allt mer. Som en följd av denna utveckling stod 6 företag för 62 procent av uranproduktionen från gruvor år 2008. De ovan nämnda brytvärda tillgångarna skulle med dagens uranförbrukning i konventionella reaktorer räcka i drygt 80 år. Orn priset på uran skulle fördubblas i förhållande till dagens nivå förväntas de brytvärda resurserna öka tiofaldigt. Den totala tillgången på uran i världen uppgår enligt IAEA-NEA:s bedömning till knappt 16 miljoner ton. Med dagens förbrukningstakt skulle uranet räcka i flera hundra år. Dessutom kan teknisk utveckling mot bättre kärnbränsle ge mer energi från en given mängd uran. Därtill finns stora uranmängder i havsvatten, uppskattningsvis cirka 4 miljarder ton. Teknik för att utvinna dessa har studerats. En tänkbar väg är att med hjälp av vågenergi låta havsvattnet strömma genom filter av titanoxid eller plast som kan fånga upp uranet. Kostnaderna för utvinning i stor skala är dock ej kända. Spotpriset på naturligt uran (U308) låg under år 2002 kring 214,9 kr (29 USD) per kg uran, vilket är en sänkning Världens kända urantillgångar Land Ton uran Andel i världen Australien 1243000 23 % Kazakstan 817000 15 % Ryssland 546000 10% Sydafrika 435000 8% Kanada 423000 8% USA 342000 6% Brasilien 278000 5% Namibia 275000 5% Niger 274000 5% Ukraina 200000 4% Uzbekistan 111 000 2% Övriga 525000 10 % Totalt i världen 5469000 100% Källa: World Nuc/ear Association, Supply of Uranium 2009 sedan år 2000, då priset låg kring 220 kr (22 USD). Sedan 2004 har dock priserna på uran ökat kraftigt. Spotpriset låg i genomsnitt under 2008/2009 kring 40-55 USD. Källor: World Nuclear Association, The Uranium Institute, Svensk Kämbränslehantering AB, KSU Analysgrupp. Uranproduktion i världen 2008 Land Kanada Kazakstan Australien Namibia Ryssland- Niger Uzbekistan USA Ukraina Kina- Sydafrika Tjeckien Övriga Totalt -Uppskattning från UIjWNA Källa: World Nuclear Association, Supply of Uranium 2009 Ton 9000 8521 8430 4366 3521 3032 2338 1430 800 769 655 263 728 43853
11.3 Användning av uran 11.3 Användning av uran Bilden är en schematisk illustration av kärnbränslets gång från tillverkning och användning till slutförvaring eller eventuell upparbetning för återvinning av uran och plutonium. Uranmalmen innehåller 1 % naturligt uran. Uranet utvinns från uranmalmen genom utlakning med antingen en stark syra eller alkalisk lösning. Ur lösningen fälls sedan uranet ut. Efter torkning och vanligtvis upphettning har man fått fram ett urankoncentrat. Naturligt uran innehåller 0,7 % av den klyvbara isotopen U-235. Denna halt är för låg för användning som bränsle i kommersiella kärnkraftsreaktorer, varför uranet måste anrikas så att halten blir drygt 3 % U-235. Från urankoncentratet framställs en gas, uranhexafluorid, som i en anrikningsanläggning bibringar den högre halten av U-235. I en bränslefabrik överförs sedan gasen till pulver av Kärnbränslecykeln reaktor urandioxid. Kärnbränslet framställs ofta i form av så kallade kutsar av urandioxid som placeras inuti ett slutet, stavformigi kapselrör. Ett antal, till exempel 64, bränslestavar, montera: ihop till en bränslepatron, som är den enhet som sätts in i kärnreaktorn. Ungefär 1/5 till 1/3 av bränslet tas varje år ut ur reaktorn och byts ut mot färskt bränsle. Det använda bränslet kan antingen delvis återanvändas efter upparbetnin eller behandlas som kärnavfall. Upparbetningsanläggningar finns i bland annat Storbritannien, Frankrike och Ryssland. I anläggningen skiljs kvarvarande uran från nybildat plutonium och från klyvningsprodukterna. Uranet kan på nytt sändas till en anrikningsanläggning, medan de avskilda produkterna utgör högaktivt avfall, se vidare kapitel 11.10. Användning i Sverige I Sverige förbrukas årligen cirka 2000 ton naturligt uran. Det köps från Kanada och Australien samt i viss mån från Niger och USA. Anrikningstjänsterna till det svenska reaktor-bränsle köps från Frankrike, Holland, Storbritannien och Tyskland. Källor: KSU Analysgrupp, Nationalencyklopedin, World Nuclear Association uranverk återvunnet uran I~J Källa: Nationalencyklopedin bränsletiiiverkning upparbetning slutförvaring (berg) Materialbalans i kärnbränslecykeln En typisk stor kärnkraftreaktor på 1000 MW använder uranet på ungefär följande sätt under ett genomsnittsår: Gruvbrytning 22400ton av uranmalm innehållande 1 % naturligt uran Uranframställning 280 ton koncentrat av uranoxid (innehåande 224 ton uran) Konversion 331 ton uranhexafluorid (innehålla n - de 224 ton naturligt uran) Anrikning 35 ton uranhexafluorid (innehållande 24 ton uran anrikat till 4 % U-235). Restfraktionen innehåller uran med halten ca 0,3 % U-235. Bränsletillverkning 27 ton urandioxid (innehållande 24 ton uran anrikat till 4 % U-235) Reaktordrift Använt bränsle 7000 miljoner kw h (7 TW h) elektricitet 27 ton innehållande 240 kg plutonium, 23 ton uran (0,8 % U-235) och 720 kg kfyvningsprodukter 118
11.4 Hur fungerar ett kä 11.4 Hur fungerar ett kärnkraftverk? Då en tung atomkärna, t ex uran, klyvs aven neutron frigörs energi i form av strålning och restprodukterna får rörelseenergi. För att kärnklyvningsprocessen skall fortgå med den hastighet man önskar, måste antalet fria neutroner kunna kontrolleras. Om alltför många fria neutroner fångas in avstannar kedjereaktionen. Om antalet fria neutroner å andra sidan hela tiden ökar kommer reaktionen accelerera. För att reglera kedjereaktionen används främst styrstavar som innehåller ett ämne, t ex bor, med förmåga att absorbera fria neutroner. Styrstavarna reglerar kedjereaktionerna genom att föras in olika långt in i härden. Restprodukterna bromsas ner av det omkringliggande mediet genom kollisioner med mediets partiklar. Det omkringliggande mediet kallas moderator och består av lätta atomer för att bäst uppta rörelseenergin. I de svenska reaktorerna används vanligt vatten som moderator. Andra ämnen som kan användas är vatten innehållande väte med två neutroner, sk tungt vatten, och grafit. Med grafit eller tungt vatten som moderator kan naturligt uran användas som bränsle. Kärnkraftsreaktorerna som använder vanligt vatten kallas termiska reaktorer. Detta beror på att neutronerna som skapats vid kärnklyvningen tappar energi i moderatorn och skapar nya kärnklyvningar med neutroner med lägre energi, så kallade termiska neutroner. I Sverige används två olika typer av termiska kärnreaktorer, kokvattenreaktorer och tryckvattenreaktorer. De är båda så kallade lättvattenreaktorer, d.v.s de använder vanligt "lätt" vatten innehållande väte med en neutron för att kyla reaktorhärden. För att beteckna de två typerna av reaktorer används vanligen de engelska förkortningarna BWR (Boiling Water Reactor) respektive PWR (Pressurized Water Reactor). Både BWR och PWR har uranbränslet placerat inne i en reaktortank. Huvuddelen av all kärnklyvning görs med uran-235 men endast 0,7 procent av atomkärnorna i naturligt uran är uran-235. Innan uranet kan användas i den typ av kärnkraftverk vi har i Sverige måste koncentrationen av uran-235 ökas till cirka 3 procent (processen kallas anrikning). Värmeenergin som frigörs ur bränslet tas i båda fallen ut genom kylning med vatten. Skillnaden är att vattnet i en BWR bringas till kokning redan i reaktortanken, medan PWR använder sig aven sk ånggenerator för att producera ånga. I en PWR hindras det heta vattnet i reaktortanken från att koka genom att det står under högt tryck. Det heta, trycksatta vattnet från reaktortanken avger sin värme till ytterligare ett vattensystem i ånggeneratorn. Där bildas ånga som leds till turbinen. Vattensystemet från reaktorn står därmed inte i direktkontakt med turbinen. De svenska PWR-anläggningarna har tre ånggeneratorer vardera. Reaktortank 20 ~:~ ~Ög Ånga...,..:t-----" '. ::'.:::.: 70 bar Turbin Reaktortank 12 m hög Kärnkraftverk med kokarvattenreaktor,bwr Kärrnkraftverk med tryckvattenreaktor, PWR
11.4 Hur fungerar ett kärnkraftverk? I båda typerna av kärnkraftverk leds den alstrade ångan till en turbin som därigenom fås att rotera. Turbinen driver en elgenerator, som i sin tur alstrar elenergi till elnätet. Efter turbinen har energiinnehållet i ångan minskat genom att den har fått lägre temperatur och tryck. Ångan går vidare till en kondensor. I denna kyls ångan med hjälp av havsvatten eller i kyltorn och ångan övergår till vatten, kondenserar. Havsvattnet leds i ett separat rörsystem och kommer aldrig i kontakt med ånga eller kondensat. Kondensatet pumpas sedan tillbaka till reaktortanken, där det åter förångas. De svenska kärnkraftverken är alla lokaliserade vid kusten. Ett skäl till detta är att det åtgår stora mängder kylvatten för att kondensera ångan efter turbinen. Ångcykeln i ett kondenskraftverk har en elverkningsgrad på cirka 30 procent. Detta innebär att för varje kilowattimme el som produceras, måste två kilowattimmar värme kylas bort. Utomlands ser man ofta stora kyltorn vid kärnkraftverk som ligger i inlandet. I dessa kyltorn kyls överskottsvärmen bort med luft. Det finns även andra typer av reaktorer än termiska. I snabba reaktorer används ett mer anrikat bränsle med 10-30 procent klyvbart material t ex uran 235 och plutonium-239. Den större andelen klyvbart material och därmed det större antalet fria neutroner gör att reaktionen kan fortgå utan moderator. Neutronerna har därför högre hastighet, så kallade snabba neutroner, än i termiska reaktorer. Om plutonium-239 används som klyvbart material alstras så många fria neutroner att en betydande infångning av neutroner i uran-238 kan tillåtas. På så sätt omvandlas uran-238 till plutonium-239 och reaktorn producerar själv mer klyvbart material än den förbrukar. Denna reaktor kallas bridreaktor (efter det engelska ordet breed - föröka) och beskrivs närmare under kapitel 11.8. 120
11. 5 Kärnkraft 11.5 Kärnkraften i världen I mars 2009 fanns det 436 kärnkraftsreaktorer i drift i världen och nära 30 höll på att uppföras. Reaktorerna är fördelade på 30 länder. Den sammanlagda effekten hos dessa reaktorer är cirka 372 000 MW. Världens totala kärnkraftsproduktion har ökat med nära 300 procent sedan 1980. Av de 30 länderna har USA flest reaktorer i drift. I tabellen visas kärnkraftsproduktionen i de tio största kärnkraft Iänderna under 2007. Trots att färre kärnkraftverk byggs nu i jämförelse med 1970- och 1980-talet så producerar dagens kärnkraftverk mer elektricitet. Detta beror till stor del på bättre prestanda hos de existerande anläggningarna. Under 2007 minskade produktionen med 50 TWh vilket till stor del berodde på att anläggningar i Tyskland, Storbritannien och Japan stängdes. Trots att nya reaktorer har tillkommit har antalet reaktorer i drift inte ökat nämnvärt sedan 1990-talet. Ett skäl till detta är att flera reaktorer i östra Europa stängts av säkerhetsskäl under de senaste åren. I hela världen finns sammanlagt ett sjuttiotal reaktorer som tagits ur drift på grund av att de uppnått en viss ålder eller på grund av dålig ekonomi. Under 2007 producerades totalt 2 608 TWh elektrisk energi i världens kärnkraftverk. Det innebär att kärnkraft står för nästan 16 procent av den totala elproduktionen i världen. I många industriländer utgör dock kärnkraft en betydligt större andel av elproduktionen, vilket visas i figuren på nästa sida. 116 av världens länder är andelen kärnkraftproducerad el 25 procent eller mer. Framtida utbyggnad Tack vare tekniska förbättringar, producerar världens befintliga kärnkraftsreaktorer mer och mer el. Under 1990-talet ökade produktionen från befintliga reaktorer motsvarande ett nytillskott på 28 reaktorer på vardera 1000 MW. För nya reaktorer är trenden mer osäker. Västeuropa och USA är de regioner med störst antal kärnkraftreaktorer i drift. I många länder i västvärlden har det funnits politiska och opinionsmässiga hinder för en ökad användning av kärnkraft. Höga kostnader för nya kärnkraftverk jämfört med fossileldad kraftproduktion har också bromsat kärnkraftutbyggnaden i bland annat USA. Idag har situationen delvis förändrats. I USA fanns 2008 planer på att bygga 12 nya reaktorer och även i Ryssland planeras en utbyggnad med nästan 20 reaktorer där byggnationen för sju stycken redan pågår. I Finland pågår byggnaden aven femte reaktor som ska tas i bruk 2012. Länder med störst kärnkraftsproduktion i världen Antal reaktorer Sammanlagd Produktion Land i drift effekt MW ca l 2007 TWh USA 104 99000 807 Frankrike 59 63400 420 Japan 55 46200 267 Ryssland 31 21 700 148 Tyskland 17 20300 133 Sydkorea 20 17700 137 Kanada 18 12700 88 Ukraina 15 13200 87 Storbritanien 19 Il 000 58 Sverige 10 9400 6 l) De reaktorer som är i drift Källa: www.iaea.org, KSU Analysgrupp
11.5 Kärnkraften i världen Den största utbyggnaden förväntas i Asien, där Kina för närvarande planerar drygt 25 nya reaktorer och Indien omkring 10 stycken. I Afrika väntas Sydafrika bygga 24 nya kärnkraftverk. Källor: International Atomic Energy Agency, Nuclear News, NucNet, Barsebäck, BP Statistical Review of World Energy, Kärnkraftsäkerhet och Utbildning. Kärnkraftens andel av total elproduktionen i ett urval av länder 2007 Frankrike Litauen Slovakien Belgien Ukraina Sverige Armenien Slovenien Schweiz Ungern Syd-Korea Bulgarien Tjeckien Finland Tyskland Japan USA Spanien Ryssland UK Kanada Rumänien Argentina Sydafrika Mexiko Nederländerna Brasilien Indien Pakistan Kina f : Il 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% I Källa: Energy, Electricity and Nuclear Power Estimates for the Period up to 2030, 2008 Edition, IAEA 122
1l.6 Kärnkraft 11.6 Kärnkraften i Sverige Den första kärnkraftreaktor som togs i drift i Sverige var ett kraftvärmeverk. Det var den s.k. Ågestareaktorn som var i drift mellan 1964 och 1974, och som under denna tid svarade för värrneförsörjningen av Farsta i Stockholm. Värmeeffekten var 68 MW och eleffekten var 12 MW. Reaktorn använde naturligt uran som bränsle och tungt vatten, d.v.s. vatten innehållande väte med två neutroner, sorn moderator. (Se kapitel 11.4). Sverige har idag tio kärnkraftreaktorer i drift som alla är rena elproduktionsanläggningar. Den värmeenergi som inte kan omvandlas till el kyls bort med havsvatten. Under 2008 producerades 61,3 TWh elenergi, motsvarande 42 procent av den totala elproduktionen på 146 TWh. Tillgängligheten, d.v.s. den tid reaktorerna kunde producera utan driftsstörningar, var i medeltal 82 procent. Enligt ett villkorat riksdagsbeslut skulle Barsebäck 2 tas ur drift senast vid halvårsskiftet 2001. För att hinna säkra effektbehovet i Sydsverige försköts stängningen och Barsebäck 2 stängdes ner den 31 maj 2005. För närvarande är Barsebäck i servicedrift och kommer att vara det fram till dess att anläggningen kan rivas. Enligt plan kommer rivningen tidigast att starta runt år 2020. Den svenska kärnkraften kan vid full produktionsförmåga leverera cirka 72 TWh el per år, men den realistiska produktionsförmågan anses ligga på 64 TWh per år. I detta tar man hänsyn till möjliga större driftsavbrott. Sedan 1990-talet har produktionen varierat mellan 55 TWh (år 2000) till 71 TWh (år 1996). Avgörande för produktionen är elpriset och produktionen avel från andra produktionsanläggningar. Till exempel kan den låga produktionen 2000 förklaras med att elpriset var så lågt att kärnkraften inte var konkurrenskraftig under delar av året. Det berodde i sin tur på god tillgång på billig vattenkraftsproducerad el. Alla svenska reaktorer är försedda med ett flertal av varandra oberoende säkerhetssystem för att i första hand förebygga olyckor och i andra hand lindra konsekvenserna aven eventuell olycka med svåra härdskador. Exempel på säkerhetsutrustning är system för tryckavlastning, nedkylning, olika inneslutningar och filtreringsutrustning för utsläppen. De tio reaktorerna är fördelade på tre kärnkraftverk enligt tabellen på nästa sida. Dessutom finns två avställda reaktorer på kärnkraftverket i Barsebäck. Sveriges fyra kärnkraftverk ligger alla vid kusten i södra Sverige. De svenska kärnkraftverkens lokalisering Forsmark
11.6 Kärnkraften i Sverige Produktionsdata för kärnkraftsreaktorer i Sverige ---- Reaktorer Netloeffekt ----- ---- Kommersiell Typ 1 Nettoproduktion (lwh) (MW) drift 1990 2000 2008 -- --- Oskarshamn 1 473 1972 BWR 2,5 3,1 3,5 Oskarshamn 2 590 1975 BWR 4 3,9 4,5 Oskarshamn 3 1152 1985 BWR 7,6 7,2 7,1 Forsmark 1 972 1980 BWR 6,2 5,7 7 Forsmark 2 916 1981 BWR 6,4 5,4 6,9 Forsmark 3 1170 1985 BWR 7,9 7,9 7,1 Ringhals 1 859 1976 BWR 4,5 3,2 4,5 Ringhals 2 886 1975 PWR 5,2 5,1 5,7 Ringhals 3 985 1981 PWR 5,9 6,2 7,6 Ringhals 4 935 1983 PWR 6,5 4,1 7,3 ----- Totalt 8938 56,7 51,8 61,2 ----- - Avställda reaktorer Barsebäck 1 600 1975 BWR 4,3 O O Barsebäck 2 600 1977 BWR 4,2 2,9 1,9 1) BWR = kokvattenreaktor, PWR = tryckvattenreaktor 2) Barsebäck 2 togs ur drift 31 maj 2005. Källa: Elåret 2008, Svensk Energi 124
11.7 Fusion Energi kan frigöras genom att två lättare atomkärnor slås ihop till en tyngre. Detta kallas fusion. Fusion pågår ständigt i solen och i andra stjärnor. Den solenergi vi tar emot på jorden härrör från fusion. Det pågår en intensiv forskning om fusion världen över. Om man kan konstruera tekniskt och ekonomiskt fungerande fusionsreaktorer innebär detta att vi kan utnyttja praktiskt taget outsinliga energikällor. De ämnen som är användbara för fusion är väteisotoperna deuterium, tungt väte (ingår i stället för vanligt väte i tungt vatten), samt tritium, supertungt väte. Fusion kan ske mellan deuterium och tritium eller mellan två deuteriumkärnor (vilket är svårare). Tritium framställs på konstgjord väg ur litium. Jordens litiumresurser skulle täcka världens energibehov i flera hundra år, medan det deuterium som finns i världshaven skulle räcka i en miljard år. Fusion har fördelar från säkerhets- och miljösynpunkt när det gäller både olyckor och avfall. Vid en reaktorolycka är en okontrollerad reaktion av den typ som uppstod i Tjernobyl omöjlig. Radioaktiviteten kring processen kan också hållas på en låg nivå. Varm fusion Atomkärnor är positivt laddade och stöter därför bort varandra. Ett sätt att övervinna denna elektriska repulsion är att ge kärnorna mycket höga hastigheter. Detta kan uppnås genom att hetta upp bränslet till cirka 100 miljoner grader. Vid så höga temperaturer är elektronerna inte bundna vid atomkärnorna. Materien har formen aven blandning av elektriskt laddade elektroner och atomkärnor. Detta tillstånd kallas plasma och betecknas ibland som materiens fjärde fas. De tre andra faserna är fast, flytande och gasformigt tillstånd. Plasma kan upphettas med olika metoder, t ex genom: att leda en ström genom plasmats inneboende motstånd. att beskjuta plasmat med atomer som överlämnar sin rörelseenergi till plasmats partiklar. att utsätta plasmat för elektromagnetiska vågor. Ett annat villkor är att tillräckligt många partiklar finns på plats tillräckligt länge för att hinna undergå fusionsreaktioner. Det ger ett krav på produkten av partikeltäthet och inneslutningstid. Eftersom plasmat är så hett, kan det inte inneslutas med väggar av något material. Däremot är plasmat elektriskt ledande vilket gör att magnetisk inneslutning är en möjlighet. Principen bygger på att elektriskt laddade partiklar påverkas aven kraft då de befinner sig i ett magnetfält. Partiklarna kommer att följa de magnetiska fältlinjerna. Med hjälp av ett magnetfält kan en s k magnetfältsflaska skapas. Man har i stora experiment, med så kallade tokamaker, ringformade magnetfältsbehållare, lyckats innesluta plasma med en temperatur på 200 miljoner grader. I en magnetflaska innesluts plasmat i form aven fritt svävande ring innanför en krets av slutna magnetspolar. Se bilden. En annan metod att innesluta plasma, med kortare inneslutningstid men högre täthet, är tröghetsinneslutning vilken framförallt USA har forskat kring. Kraftiga pulsar av laserljus eller partikelstrålning avfyras mot små bränslekorn aven frusen deuterium-tritium blandning. Resultatet blir mikroexplosioner av vätebomb typ ur vilka energi kan utvinnas. I korncentrum har 30 miljoner grader uppnåtts vilket är nära den temperatur som behövs för att fusionsenergin som bildas skall bli högre än förlusterna. Dessutom är tätheten i korncentrum 600 gånger den täthet som råder i flytande tillstånd. För tändning krävs en täthet av l 000 gånger. Temperaturen är en viktig faktor för att fusionsprocessen ska fungera, men även en mängd andra villkor måste vara uppfyllda samtidigt, bl a beträffande magnetfältets egenskaper och reaktorstorleken. Även om tillräckliga temperaturer har uppnåtts, så räcker inte enbart detta för att åstadkomma en kontinuerlig fusionsprocess. Kall fusion Forskare rapporterade 1989 att de lyckats skapa kall fusion vid rumstemperatur genom elektrolytisk delning av tungt vatten. Efter omfattande kontroller och studier är dock den övervägande delen av världens kärnfysiker av åsikten att uppgifterna var felaktiga och att fusion inte kan åstadkommas med den aktuella metoden. Kall fusion med myonkatalys är en annan teknik som föreslogs redan i slutet på 1940-talet. Principen bygger på att elementarpartikeln myon, som är 200 gånger tyngre än en elektron, tar elektronens plats i deuterium- och tritiumatomerna. Härvid minskas atomernas radie 200
11.7 Fusion gånger och kärnorna kan komma mycket närmare varandra innan de stöter bort varandra pga att de har lika laddning. Detta ökar kraftigt sannolikheten för fusion. Bland problemen märks myonernas korta livslängd och att produktion av myoner är energikrävande. Praktisk utvinning av energi är ännu inte möjlig den vägen. När kommer fusionens genombrott? Forskningen kring fusionsenergin måste anses befinna sig på grundforskningsstadiet ännu. Man har ännu inte lyckats skapa en fusionsprocess som ger mer energi än vad som tillförs. Under senare år har emellertid stora framsteg gjorts. För några år sedan var förhållandet mellan producerad mängd fusionsenergi och mängden energiförluster i processen ett till en miljon. Idag närmar det sig ett jämviktsförhållande där den producerade energimängden är lika stor som förlusterna. Om det i framtiden visar sig möjligt att utnyttja fusionsenergi för elproduktion i kommersiell skala kan stora fördelar uppnås. Avfallet kan omhändertas på ett enklare sätt än avfallet från nuvarande reaktortyper. Bränslemängderna som åtgår blir mycket små. Ur en liter havsvatten kan energi motsvarande 300 liter bensin utvinnas. Om och när fusionstekniken står inför ett kommersiellt genombrott är idag svårt att säga. Den svenska forskningen om fusion bedrivs bl a vid Studsvik, Uppsala och Lunds universitet, KTH och Chalmers. Sverige deltar i Euratom sedan 1976 och deltar i JETprojektet (Joint European Torus). JET är världens hittills största och mest framgångsrika fusionsprojekt som i EU:s regi sedan 1978 bedrivs vid Culham utanför Oxford i England. Nästa generations fusionsanläggning kallas International Thermonuclear Experimental Reactor (lter). Den har som mål att kunna producera tio gånger mer energi än som tillförs och ha en reaktorvolym som är tio gånger större än den befintliga JET och kunna leverera 1000 MW. Vägen till att ITER är färdig är än så länge lång. Att välja placeringen för ITER var en lång process som avslutades 2005. Platsen som valdes var Cadarache i södra Frankrike. Efter att platsen var utvald väntas cirka tio år av design och konstruktion innan reaktorn kan vara i drift. Forskningen kring ITER förväntas leda till skapandet aven reaktor, som inte bara är tekniskt möjlig utan också ekonomiskt konkurrenskraftig. De mest optimistiska förutsägelserna tror på en kommersiellt gångbar reaktor vid mitten av detta århundrade. magnetfält Så här kan ITER-reaktorn komma att se ut. Källa: www.iter.org Principskiss över varmfusion med magnetinneslutning. Ett magnetfält bildas med hjälp aven elektrisk ström i primärlindningen. 126
1l.8B 11.8 Bridreaktorn Bridreaktorn (eng. Fast breeder Reactor - FBR) är en kärnreaktor i vilken fler klyvbara atomkärnor nybildas per tidsenhet än vad som förbrukas genom klyvning. Bridreaktorn är en så kallad snabb reaktor vilket innebär att den saknar material som modererar (bromsar hastigheten hos) de snabba neutroner som bildas vid klyvning av tunga atomkärnor. Bränslet i en bridreaktor är en blandning av uran-238 eller naturligt uran och plutonium (ca 15 procent). Vid klyvningen av plutoniumkärnorna uppstår förutom värmeenergi också snabba (dvs högenergetiska) neutroner som kan absorberas av uran-238, varvid nytt plutonium bildas. Detta plutonium är i sin tur klyvbart och deltar i reaktorns energiproduktion. Det använda bränslet kan upparbetas, varvid det nybildade plutoniet avskiljs och används i nytillverkat bränsle. Naturligt uran består av två isotoper, uran-235 (0,7 procent) och uran-238 (se kapitel 11.1). I lättvattenreaktorer kan endast uran-235 användas i klyvningsprocessen. Därför utnyttjas i sådana reaktorer bara någon procent av det naturliga uranet. I bridreaktorerna kan emellertid nästa 100 procent av det naturliga uranet komma till användning för energiproduktion. Bridreaktorn kan inte kylas med vatten eftersom det skulle innebära att neutronerna modereras. I stället används flytande natrium som kylmedel. Värmen överförs genom en mellankylkrets och värmeväxlare till vattenånga, som driver en ångturbin med elgenerator (i princip på samma sätt som i en tryckvattenreaktor, PWR). Reaktorhärden i ett kraftverk med en elproduktion på 1000 MW skulle förutom uran innehålla ca 4000 kg plutonium varav 800 kg förbrukas per år genom kärnklyvning samtidigt som ca 1000 kg nybildas genom omvandling av uran-238. Stora satsningar har gjorts på utveckling av bridreaktor i de stora kärnkraftiänderna USA, Storbritannien, Frankrike och Ryssland sedan början av 1950-talet. Det som lockade var att jordens uranmalmer skulle räcka för energiproduktion under överskådlig tid, dels genom 50 till 100 gånger bättre utnyttjning av uranet dels genom att även mycket låghaltiga uranmalmer skulle kunna användas med lönsamhet. Numera går allt utvecklingsarbete av bridreaktorn på sparlåga och en nysatsning torde inte bli aktuell inom de närmaste decennierna. Skälen är dels att lättvattenreaktorerna visat sig vara mycket konkurrenskraftiga, dels stora material- och kyl problem i reaktorerna på grund av användningen av smält natrium. Den stora kraftproducerande (250 MW) experimentreaktor Super Phenix i Frankrike har på grund av materialproblem inte varit i drift sedan 1997. Källa: faea, KSU Anafysgrupp Principskiss för natriumkyld bridreaktor Mellankrets med natrium Vattenånga Natrium Turbin Generator Mellanvärmeväxlare. '" ~,., ~ <., ". Änggenerator Kondensor Havsvatten Primär natriumkrets
11. 9 Framtidens kärnkraft 11.9 Framtidens kärnkraft Under årens lopp har många mer eller mindre realiserbara kärnkraftskoncept lanserats. Ett axplock av dessa presenteras här. ABB utvecklade ett koncept under namnet PIUS där säkerhetssystemet är helt passivt och bygger på naturlagar istället för pumpar och ventiler. Reaktorn stänger av sig själv vid allvarliga störningar och klarar sedan kylningen av bränslets resteffekt i minst en vecka. Projektet är dock i dagens läge nedlagt, trots ett internationellt stort intresse. General Electric har utvecklat en kokarvattenreaktor (BWRl utan forcerat kylflöde till härden kallad Simplified Boiler Water Reactor (SBWRl. Genom att basera avkylningen av härden på självcirkulerande kylvatten är därmed kylvattenpumpar inte längre nödvändiga. Ett annat oprövat men innovativt reaktorkoncept är Radowsky Thorium Reactor som lanserades 1997. Detta koncept omvandlar torium-232 till uran-233 samt använder anrikat uran eller plutonium som bränsle. Det finns flera fördelar med detta koncept. Dels används torium, som det finns fyra gånger så mycket av som uran och dels bildas en liten andel potentiellt vapen- Principskiss för hur PIUS fungerar ~,,I> ~... " J> ;,,,. t.. Densitetslås Bassäng med mycket borhaltigt vatten Betong Stålarmerad betong Stigrör Ånggenerator material. Konceptet undersöks i dagsläget i ett samarbete mellan Ryssland, USA och Israel. Den teknik som ansetts mest lovande är High Temperature Gas cooled Reactor (HTGRl som använder grafit som moderator och helium som kylmedel. Reaktorhärden består av tennisbollsstora kulor, bestående av uran och grafit, som ligger på en bädd på botten av reaktortanken. HTGR har förutom goda säkerhetsegenskaper den stora fördelen med hög kylmedelstemperatur (950 grader el vilket ger att elproduktionen sker i gasturbin med direktcykel. Det förenklar konstruktionen och höjer verkningsgraden. Sydafrika planerar att bygga små kärnkraftverk av HTGR-typ med en effekt på omkring 140-150 MW för att försörja byar och städer. Ytterligare en kärnkraftsteknik som är under utveckling är transmutation. Tekniken innebär att långlivade radioaktiva, t ex kärnavfall, ämnen omvandlas till kortlivade eller stabila. För att genomföra en sådan omvandling krävs det att de långlivade ämnena i bränslet kan skiljas från de kortlivade och stabila. I praktiken innebär detta att bränslet först upparbetas och sedan genomgår en avancerad separationsprocess. Detta kombineras med elproduktion i en kärnkraftsprocess. Det handlar alltså om att minska avfallsproblemet samtidigt som man tillgodogör sig elproduktion. Transmutation som metod är idag förknippad med stora tekniska och ekonomiska osäkerheter och enligt SKI:s bedömning krävs decennier av teknisk utveckling för att överbrygga dessa problem. Forskningsinsatserna inriktar sig idag på en rad olika varianter av transmutationstekniken. Källa: Kärnkraft Säkerhet och utbildning, IAEA, EU, SKB ".. Pump Härd Densitetslås 128