Chalmers University of Technology Fjärde generationens kärnkraftsystem: Kort beskrivning av tekniken med fördelar och nackdelar Energi => Kärnkraft => Avfall Christian Ekberg
Kärnkraftsdebattens fokus Chalmers University of Technology
Nuclear Chemistry Chalmers University of Technology Dosberäkningar Ekvivalentdos, H (Sv) Används för att uttrycka den biologiska effekten av absorberad dos. H T i w R D T,R (enskilt organ) Med w R som vikningsfaktor för olika strålslag enligt tabellen nedan. Strålslag w R LET in water (ev/nm) Fotoner (röntgen och γ) 1 0.2 35 elektroner med E β > 5keV 1 0.2-1.1 långsamma neutroner (E n < 10keV) 5 20 protoner med E p > 2 MeV 5 snabba neutroner (2 MeV < En < 20 MeV) 10 intermediära neutroner (0.1 2 MeV) 20 50 α-partiklar och högenergijoner 20 130
Nuclear Chemistry Chalmers University of Technology Dosberäkningar Effektiv ekvivalentdos, H E (Sv) Används för att uttrycka den totala effekten av absorberad dos. H E i w T H T (summera över alla organ) Med w T som vikningsfaktor för olika organ (celltyper) enligt tabellen nedan. Strålslag w R könsorgan (äggstockar, testiklar) 0.2 lungor, benmärg, magsäck, ändtarm 0.12 sköldkörtel, bröst, lever, matstrupe, blåsa, resten 0.05 hud, benytor 0.01 Σw T = 1 H E = Σw T Σw R D T,R
Nuclear Chemistry Chalmers University of Technology Effekt av momentandos på människa Dos (Sv) Överlevnad Symptom 0.001 100 % Tillåten dos för allmänheten 0.05 100 % Tillåten dos för personal i radiologiskt arbete 0.1 100 % Tillåtet katastofvärde för personal 0.25 100 % Bakgrund i Ramsar, Iran (berggrund etc.) 0.25-1 100 % Inga yttre symptom. Påverkan på benmärgen gör att antalet röda blodkroppar minskar. 1-2 ca 100 % Påverkan på mag/tarmkanalen ger aptitlöshet och illamående 2 3 75 % / 3v Påverkan på mag/tarmkanalen. Första symptom efter ca 3 timmar: illamående, kräkningar trötthet. Därefter symptomfri i 3v varefter feber, håravfall, blodiga diarrér och infektioner tillstöter. Vid överlevnad: förbättring eller fullständig återhämtning efter 6 20 veckor. 3-6 0 50 % / 3v Ungefär som 2-3 Sv 6-20 0 % / 1-2v Påverkan på centrala nervsystemet och mag/tarmkanalen. Symptom enligt oven men dessutom vätskeförlust på grund av förstört tarmepitel.
Nuclear Chemistry Chalmers University of Technology Somatiska verkningar på människa Dos (Gy) Effekt 0.25 Antalet lymfocyter i blodet minskar 0.5 Nybildning av blodkroppar påverkas 1 Tillfällig sterilitet (man) 3-4 Håravfall 5 Permanent sterilitet (man) 6 Hudrodnad 10 Cellbildning i tarmepitel slutar 10 Sårbildning
Nuclear Chemistry Chalmers University of Technology Naturliga stålnivåer, ekostrålning Strålningskälla Årlig effektiv ekvivalentdos, msv Kosmisk strålning 0.3-0.5 Mark, bostäder 0.5-2 Människokroppen 0.2 Luftaktivitet (Rn) 0.2-5 Medicinska källor 0.4-1 Kärnkraft, nedfall 0.03 Alla källor (Sverige) 2-5
Chalmers University of Technology Atomkraft? Kärnkraft? Varför överhuvudtaget överväga användningen av kärnenergi? I förbränning av uran utnyttjas krafter som är flera miljoner gånger större än alla andra krafter vi kan få energi ur. För en given mängd producerad energi leder det till att: relativt liten mängd bränsle behövs. relativt liten mängd avfall produceras, vilket dessutom är lokaliserat. Exempelvis:
Chalmers University of Technology Atomkraft Ved: 5 kwh/kg. Olja: 10 kwh/kg. Kärnkraft Dagens kommersiella uranbränsle: 1000 000 kwh/kg. Energin i en bränslekuts motsvarar 800 liter olja. Det finns ca 15 miljoner bränslekutsar i en reaktor.
Motiv Chalmers University of Technology Närmare 1 miljard människor saknar dricksvatten idag. Livsmedelproduktionen knäar. Oöverskådliga konsekvenser av fossilanvändningen etc. Generation IV innebär möjligheter för: Färskvatten ur havsvatten Väte för transportsektorn Koldioxidtransformering Uppbyggnad av global välfärd Säkerhetsläget i världen förstärks kraftfullt
Chalmers University of Technology För- och nackdelar med teknologi en filosofisk reflexion
Fördel Exempel -Eld Teknisk lösning Chalmers University of Technology Nackdel Motmedel Redundans
Fördel Chalmers University of Technology Exempel -Medicin Teknisk lösning Nackdel Biologiska massförstörelsevapen Motmedel! Redundans
Chalmers University of Technology Exempel Energiförsörjning Fördel En teknisk lösning Principiell nackdel Kärnvapnen blir vi knappast av med men Gen IV systemen kommer inte vara sannolika Motmedel Kärnämnes- beståndsdelar i kärnvapenprogram. Mycket redundans kontroll
Några noteringar Chalmers University of Technology All teknikanvändning medför för- och nackdelar. Liksom vid all teknikanvändning finns inget vaccin mot olyckor konsekvenslindrande åtgärder därför viktiga. Kärnkraftsprincipen är utmärkt och har unika egenskaper. Dagens kärnkraftteknologi har dock mindre utmärkta och unika egenskaper. Kärnkraftsystem av Generation IV-typ adresserar upplevda och faktiska problem med dagens teknik. Erbjuder möjlighet att energiförsörja vår jord under lång tid med minimering av miljöpåverkan och maximering av säkerhet. Slutförvar nödvändigt men kravbilden ser annorlunda ut.
Chalmers University of Technology Snabb neutron Vatten Långsam neutron Fissionsprodukter Snabba neutroner U 235 U 238 Pu 239
Kärnkraft Chalmers University of Technology
Kärnkraft Chalmers University of Technology
Fjärde generationens kärnkraft Janne Wallenius, Christian Ekberg & Ane Håkansson
Varför? Med fjärde generationens kärnkraftssystem blir det möjligt att 1) Genom återvinning använda uranet 100 gånger mer effektivt 2) Driva kärnkraft i dagens omfattning i 5000 år utan att bryta nytt uran 3) Minska mängden högaktivt långlivat avfall till en hundradel 4) Förkorta förvaringstiden för resterande avfall till en hundradel 5) Öka kapaciteten i svenska djupförvaret med en faktor 6
Hur? För att åstadkomma detta behövs Reaktorer med snabba neutroner (vatten är uteslutet som kylmedel) + Återvinningsanläggningar för plutonium, americium & curium + Bränslefabriker som kan hantera plutonium, americium & curium + Kärnämneskontroll = Fjärde generationens kärnkraftssystem
Andra, tredje och fjärde generationen Gen-II & III Gen-IV Lättvattenreaktorer (Gen-II & III) Kylmedel Vatten Na, Pb, He Bränsle Oxider av (U,Pu) Olika (U,Pu,Am,Cm) Använt bränsle Bränsletub Zirkonium Stål Återvinning Endast Pu U, Pu, Am & Cm Avfallslagring > 100 000 år < 1 000 år Bränsleresurs ~100 år > 5000 år Återvinning Avfall Använt bränsle Slutförvar Fjärde generationens snabbreaktorer
Vilka varianter kan tänkas? Kylmedel: Natrium, bly och helium Återvinningsteknik: Vattenlösning, saltlösning, lösning i metallsmältor Bränsletyper: Oxider, metaller och nitrider
Vad finns idag? Natriumkylning är en industriellt mogen teknik. BN-600 i Ryssland har producerat 560 MW elektricitet sedan 1981. BN-600 Tio sovjetiska militära reaktorer har använt bly/vismutkylmedel La Hague K-705 Vattenbaserad återvinning av plutonium är industriellt mogen. I La Hague återvinns plutonium från Frankrike, Schweiz och Nederländerna. Tillverkning av plutoniumbränsle i oxidform (MOX) är en industriellt mogen teknik. I Marcoule tillverkas 195 ton MOXbränsle om året.
Vad byggs idag? CEFR Rokkasho Kinesisk natriumkyld reaktor kopplades till nätet i juli 2011 Indisk natriumkyld reaktor med 500 MW eleffekt tas i drift 2012 Återvinningsanläggning i Japan planerad att tas i drift 2012. PFBR Rysk natriumkyld reaktor med 800 MW eleffekt tas i drift 2014
Vad planeras? Inom 10-15 år planeras följande reaktorer tas i drift i Europa: SVBR SVBR: Rysk bly/vismutkyld reaktor med 100 MW eleffekt BREST: Rysk blykyld reaktor med 300 MW eleffekt MYRRHA: Belgisk bly/vismutkyld reaktor för materialforskning ASTRID: Fransk natriumkyld reaktor med 600 MW eleffekt MYRRHA ALFRED: Europeisk blykyld reaktor med 130 MW eleffekt ALLEGRO: Europeisk gaskyld reaktor med 60 MW värmeeffekt
Varför kyla med bly? Snabbreaktortekniken kan bli säkrare och billigare med blykylmedel: + Reagerar inte våldsamt med vatten (i motsats till natrium) + Kokar vid mycket högre temperaturer än natrium och vatten + Har god självcirkulation - behöver ej reservkraft för att kyla bort restvärme. Sannolikhet för härdsmälta mycket låg. + Utgör ett utmärkt strålskydd ifall härdsmälta ändå skulle inträffa.
Forskning om reaktorer i EU och Sverige För natriumreaktorer är säkerhet den stora akilleshällen (natriumbränder & natriumkokning) Stort franskt utvecklingsprogram (600 M ). EU-projektet ESFR (12 M ). VR utlyser 4.8 M för svenskt deltagande i ASTRID. För blyreaktorer är material det stora problemet (korrosion av stål och erosion av pumpar). Belgiskt utvecklingsprogram (60 M ). EUprojekten LEADER, CDT & SEARCH (18 M totalt) VR finansierar GENIUS-konsortiet med 36 MSEK för studier av material, bränsle och säkerhet i blykylda reaktorer
Vad behöver återvinnas? 100 10 1 0.1 0.01 Radiotoxic inventory [Sv/g] 240 Pu 239 Pu 238 Pu 243 Am 242 Pu U nat TRU 241 Am Plutonium och americium dominerar farligheten i använt bränsle på lång sikt Efter 300 000 år har dessa ämnen klingat av till samma nivå som uran har i naturen (inklusive urandöttrar som radium, radon & polonium) 237 Np 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 t [y] Vid transmutation av americium bildas radiotoxiskt & långlivat curium, som också bör återvinnas.
Återvinning idag Dagens teknik: PUREX (patenterad 1947, industriell sedan 1972) 30% av världens använda kärnbränsle har upparbetats Salpetersyra Använt bränsle Kapsling & fissionsgaser Tributylfosfat & fotogen Upplöst bränsle Klyvningsprodukter + Am + Cm Reduktion av plutonium Uran & plutonium Förglasat avfall Uranoxid Plutoniumoxid
Återvinning för Generation IV Americium & curium behöver separeras från klyvningsprodukter Relativt svårt eftersom de kemiskt liknar så kallade lantanider DIAMEX-processen provad på pilotskala i EUs sjätte ramprogram DIAMEX Klyvningsprodukter + Am + Cm Klyvningsprodukter SANEX Lantanider + Am+Cm Am + Cm Lantanider Förglasat avfall
Återvinning utan vapenplutonium Salpetersyra GANEX Använt bränsle Upplöst bränsle PUREX-processen ger upphov till rent plutonium. Reaktorplutonium kan (trots vad som ibland hävdas) användas för funktionsdugliga kärnvapen. Pu + Am +Cm U FP Nya processer är under utveckling i EUprojekten ACSEPT (26 M ) och ASGARD (11 M ) som ej separerar Am & Cm från plutonium. En miljondel Cm-244 garanterar förtida avfyrning av ett kärnvapen.
Återvinning i Sverige nu och i framtiden I Sverige finns redan idag ett av världens få universitetslabb som kan jobba med återvunnet kärnbränsle i signifikanta mängder. De stora nationerna har byggt fast sig i PUREXkonceptet. Med en flexibel liten pilot/ forskningsanläggning med kapacitet på 1-5 ton använt bränsle per år kan man leda utvecklingen och alltid välja bästa teknik. Detta ger små/ kompakta anläggningar med hög säkerhet och ingen risk för kedjereaktioner.
Kärnämneskontroll Kärnämneskontroll är en väsentlig del av alla kärnkraftsystem: Införande av egenskaper hos kärntekniska system som försvårar 1) Försnillande eller oredovisad tillverkning av kärnmaterial 2) Teknikmissbruk i syfte att införskaffa kärnvapen. Analysen fokuserar på (multipla) barriärer som förhindrar avledning av kärnämne.
Barriärer Barriärer mot avledning av kärnämne Tekniska barriärer Institutionella barriärer Isotopsammansättning, radiotoxicitet, massa, kemisk och fysisk form av kärnämne, tillgänglighet, upptäcktsrisk, tidsaspekt, skicklighet och kunskap som krävs för avledning. Internationella avtal, överenskommelser, nationell policy och lagstiftning, inspektioner och exportkontroll.
Forskning om kärnämneskontroll i Sverige Målsättning är att hitta tekniker och metodologi för att med hjälp av mönsterigenkänning, detektorteknologi & återvinningsmetoder optimera Tekniska svårigheter att avleda kärnämnen Tid och kostnader för avledning Sammansättning av kärnbränsle Detektionssannolikhet Resurser för övervakning av klyvbart material
Kärnämneskontroll idag och i morgon I dagens så kallade öppna bränslecykel skyddas använt bränsle av högaktiva fissionsprodukter => ökad spridningsrisk med tiden (plutoniumbrytning) => låg resurseffektivitet (långtidsövervakning av klyvbart material). I fjärde generationens kärnkraftssystem innebär valet av återvinningsteknik att spridningsrisken kan göras (A) relativt hög - klyvbart material uppträder i fri form (B) relativt låg - det klyvbara materialet hanteras inte i fria strömmar.
Forskning om bränsle, bly och material Nitridbränslen har hög värmeledningsförmåga, vilket ökar marginalen till härdsmälta. I Sverige finns unik kompetens och erfarenhet från utveckling av nitridbränslen. Labb för tillverkning av uranbränslen i drift sedan 2009, labb för plutoniumbränslen tas i drift 2012. Vi har unik anläggning för studier av naturlig cirkulation i bly. Svensk materialindustri (Sandvik) tog under tidigt 70-tal fram referensstålet för natriumreaktorer, och utvecklar idag korrosionståliga aluminiumlegerade stål för blyreaktorer.
ELECTRA European Lead Cooled Training Reactor Kompakt blykyld reaktor med 0.5 MW effekt 100% självcirkulation (inga pumpar) Plutonium-zirkonium-nitridbränsle med hög värmeledningsförmåga. Inget bränslebyte. (Pu,Zr)N Pre-konceptuell design antagen för publicering i tidskriften Nuclear Technology
ELECTRA ur svenskt perspektiv En unik pilotanläggning för fjärde generationens kärnkraftssystem med reaktor + återvinning + bränsletillverkning Ger Sverige en möjlighet att leda forskning om blyreaktorer och slutna bränslecykler i Europa. Plutoniumbränslet utmaning ur kärnämneskontrollaspekt. Placering jämte CLAB i Oskarshamn förmodligen enda alternativ. Oskarshamns kommunstyrelse informerad och positivt inställd! Möjliga Pu-källor: OKGs separerade plutonium, nu i Sellafield, eller återvinning av sista Barsebäckladdningen på plats i Oskarshamn (!)
ELECTRA ur internationellt perspektiv Globalt intresse för ELECTRA som utbildningsanläggning. Belgien vill inte gärna se en konkurrent inom materialtestområdet. Intresse kan finnas för att använda ELECTRA för forskning om reaktorsäkerhet (naturlig cirkulation, reaktordynamik). Bränslecykelanläggningar kan användas för att tillverka avancerade bränslen för bestrålning i MYRRHA och ASTRID. Tydligt intresse från norska och finska forskare att delta i projektet.
ELECTRA: kostnad & finansiering Reaktor med 0.5 MW effekt ~ 300 MSEK Återvinningsanläggning med kapacitet 3-5 ton/år ~ 100 MSEK Bränsletillverkning med kapacitet 1 bränslestav/dag ~ 100 MSEK Forskning & utveckling 2012-2022 ~ 300 MSEK Oförutsedda utgifter (25%) ~ 200 MSEK Finansiering: Regering, kärnkraftsindustri, Oskarshamns kommun (mervärdesavtal), EU, internationella användare & studenter.
ELECTRA: tidsplan Begränsande faktor för start av reaktor är licensiering av bränslet. Kräver cirka 10 års arbete med bestrålningstester Driftstart för reaktor möjlig c:a 2022 2012 2016 2019 2022 Design av reaktor, design & licensiering av bränslecykelanläggningar Test av elektrisk uppvärmd version Licensiering av reaktor Bygge av reaktor Bygge och drift av återvinningsanläggning Bygge och drift av bränslefabrik Bestrålningstester av bränsle & stål (enstaka stavar) Större bestrålning av bränsle
Sammanfattning Fjärde generationens kärnkraftssystem ökar bränsleresurser 100 ggr, minskar mängden högaktivt avfall 100 ggr samt reducerar lagringstiden med 100 ggr Kräver nya snabbreaktorer, återvinningsanläggningar och bränslefabriker med oantastlig kärnämneskontroll. ELECTRA: en pilotanläggning med blykyld reaktor, återvinning & bränsletillverkning kan uppföras i Oskarshamn och användas för världsledande forskning och utbildning. Kostnad ~ 1000 MSEK.