Fjärde generationens kärnkraft Janne Wallenius Professor i reaktorfysik KTH
Fjärde generationens kärnkraftssystem 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 < 1000 år! 5) Öka kapaciteten i svenska djupförvaret med en faktor 4-6
Vad behöver återvinnas? 100 10 1 Radiotoxic inventory [Sv/g] FP TRU Plutonium och americium dominerar farligheten i använt bränsle på lång sikt 0.1 0.01 0.001 10 1 100 10 1 0.1 0.01 Uranium in nature t[y] 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Radiotoxic inventory [Sv/g] 240 Pu 239 Pu 238 Pu 243 Am 242 Pu U nat 237 Np TRU 241 Am 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 t [y] Efter 300 000 år har dessa ämnen klingat av till samma nivå som uran har i naturen (inklusive urandöttrar som radium & radon) Plutonium återvinns redan idag på industriell skala i Frankrike. Med fjärde generationens reaktorsystem kan även americium återvinnas.
Slutna bränslecykler LWR-CORAIL Spent fuel 90% 50-94% I en sluten bränslecykel återvinns allt klyvbart material. Pu Fission products Klyvningsprodukter förglasas tillsammans med förluster av klyvbart material Reprocessing Am + Cm Spent fuel Repository Beroende på teknikval behövs en större eller mindre andel snabba reaktorer i kärnkraftsparken 10% 6-50% I Sverige räcker 2 Gen-IV reaktorer med nitridbränsle för att hantera allt avfall ADS
Fjärde generationens natriumreaktorer Transmutation av americium skall provas i ASTRID (600 MWe) Grönt ljus från franska parlamentet i juni 2013 Placering i Marcoule Byggstart 2017 Kriticitet 2023 (?) ASTRID Bränsefabrik för snabbreaktor-mox, byggstart 2017
Blykylda reaktorer 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. + Bly binder kemiskt till jod och cesium + Utgör ett utmärkt strålskydd ifall härdsmälta ändå skulle inträffa. + Rosatom hävdar att blyreaktorer blir billigare än Gen-III + år 2030!
Ryska blykylda reaktorer Ryssland har tagit beslut om att bygga två blykylda reaktorer: SVBR-100 SVBR: 100 MW elektrisk effekt med urandioxidbränsle. Baserad på sovjetisk ubåtreaktor. Prototyp skall tas i drift 2019 i Dimitrovgrad. Samfinansierad av Rosatom och privata investerare. BREST: 300 MW elektrisk effekt med (U,Pu)N-bränsle. Rent bly som kylmedel. Prototyp skall tas i drift 2020 utanför Tomsk. BREST-300 Finansierad med 10 miljarder kronor av Rosatom.
Blyreaktorprojekt i EU MYRRHA: Belgisk forsknings- och materialtestreaktor Planerad driftstart: 2024 MYRRHA ALFRED: Italien-designad reaktor för elproduktion Driftstart: Efter 2025 i Rumänien ELECTRA: Svensk försöksreaktor för utbildning Driftstart: 2023 i Oskarshamn (?) ALFRED
Vad är ELECTRA? Mycket liten reaktor: 0.5 MW effekt kyld med naturlig cirkulation av bly. Härdstorlek: 30 x 30 cm! Utprovning av blyteknik Forskning om reaktorsäkerhet Forskning om återvinning och tillverkning av bränsle Utbildning av operatörer och kärnteknikstudenter ELECTRA Föreslagen placering: Oskarshamn
Forskning om blyreaktorer i Sverige: GENIUS-projektet Vetenskapsrådet finansierade forskning om blyreaktorteknik 2009-2012 Al2O3 Ny tillverkningsteknik för bränsle med hög värmeledningsförmåga (KTH & DIAMORPH) 200 nm Nya korrosionståliga stål (KTH & Sandvik) Nytt labb för tillverkning av Pu-bränsle (Chalmers)
Kostnadsuppskattning för ELECTRA Reaktor: 300± 100 MSEK (baserad på kända kostnader för små forskningsreaktorer ) Återvinningsanläggning: 300±100 MSEK (kostnad för heta celler i USA) Bränsletillverkningsanläggning: 130 ± 20 MSEK (kostnad för liknande projekt i Schweiz). Forskning och utveckling: 400 MSEK (varav 100 MSEK för bestrålningstester) Totalt: 1 230 ± 200 MSEK Finansiering: Vetenskapsrådet, Mervärdesavtalet, Industrin (?)
Sammanfattning Fjärde generationens rektorer ökar bränsleresurser 100 ggr Lagringstiden för avfallet minskar till < 1000 år Frankrike planerar för ASTRID: 600 MWe natriumkyld reaktor Ryssland bygger två blykylda och två natriumkylda reaktorer EU-program utvecklar blykylda forsknings- och demonstrationsreaktorer KTH, Chalmers och Uppsala föreslår att bygga ELECTRA, en blykyld försöksreaktor med återvinningsanläggning i Oskarshamn
Inverkan på slutförvaret 10 1 Cs137 Heat load in spent UOX fuel @WêkgD Slutförvaret används enbart för klyvningsprodukter och förluster av aktinider (~ 1%) 0.1 Total TRU Kapslarna kan packas tätare, emedan värmeutvecklingen har reducerats 0.01 Pu240 Pu239 Cm244 Pu238 Am241 Efter tusen år kan intrång göras i förvaret utan att beräknad dos för geoteknisk arbetare överstiger 100 msv 10 100 1000 10 4 Time @yeard Med samma beräkningsmetod dröjer det 100 000 år innan dosen vid intrång når denna nivå.
Vad finns idag? Natriumkylning är en industriellt mogen teknik. BN-600 i Ryssland har producerat 560 MW elektricitet sedan 1981. BN-600 15 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 MOX-bränsle om året.
ELECTRA: härddesign och kontrolltrummor 397 bränslestavar, Dclad = 12.6 mm (Pu0.4,Zr0.6)N-bränsle. ~ 70 kg Pu Aktiv härdstorlek: ~ 30 x 30 cm Avstängning och reaktivitetskontroll med 12 roterande B4C-trummor Härdens livslängd: 14 år vid full effekt 10 B4C/stål-trummor Utbränning ~ 5% fission i plutonium Maxdos till kapsling: 40 dpa