Kärnkraft –problem och lösningar för den globala energiförsörjningen Kort beskrivning av kärnkraftens historia, nuläget och framtiden

Kort historik 1932: Neutronen upptäcks av Chadwick. 1939: Fissionen upptäcks av O. Hahn, F. Strassmann och L. Meitner. 1942: “The Italian sailor has landed on the new continent”. 1945: Japan 6:e och 9:e augusti. 1945-1953: “Policy of denial”. 1951: Första testreaktorn som producerar el.

Kort historik 1953: 8:e december, Eisenhower “Atom for Peace” förslaget. : R1 går igång i Stockholm (KTH). 1955: Arco (Idaho) får elektricitet från BORAX III. 1957: International Atom Energy Agency, IAEA bildas. 1960-talet kännetecknas av massiv utbyggnad av civil kärnkraft i världen. I Sverige tas riksdagsbeslut om att stoppa utbyggnaden av de stora norrlandsälvarna; satsning på kärnkraft istället.

Kort historik 1970-talets skugga är oljekrisen. Kärnkraftutbyggnaden i Sverige sätter fart. 1972: Oskarshamn 1 börjar producera elektricitet. 1975, 1977: Barsebäck 1 resp. 2 startas. Danskt önskemål om placeringen!! 1980: Kärnkraftomröstningen. 1985: Forsmark 3 blir det senast byggda kraftverket. Sverige har 10 reaktorer i drift som svarar för halva landets elproduktion.

Kort historik 1986: Tjernobylolyckan. 1998: Barsebäck 1 stängs p g a danska påtryckningar och svensk inrikespolitik. 2001: Barsebäck 2 stängs av samma skäl som ovan. 1983-2008: Intensivt forsknings- och utvecklingsarbete. Klimatdebatten har satt kärnkraften i fokus. Nybyggnationer i världen och svenskt närområde (Finland).

Kort historik En intressant film är: ”A is for atom” (1953). Kan laddas ned från: http://www.open-video.org En annan kul film men som kan vara svårare att få tag i är Walt Disney’s: ”Vår vän atomen” (1958).

Varifrån kommer energin? Grundämne Antalet protoner. Väte har en proton, uran har 92 protoner. Isotop Antalet neutroner. 235U har 235-92=143 neutroner Protoner Elektronmoln Atomkärna Neutroner

Varifrån kommer energin? Protoner och neutroner i atomkärnor kallas nukleoner och är bundna till varandra i atomkärnan (bindningsenergi). fria partiklar bundna partiklar energi p n

Varifrån kommer energin? Fusion Fission Uran Järn Helium

Kärnenergi -fissionsprocessen Fissionsfragment t ex 137Cs

Varifrån kommer energin? Om en tung atomkärna splittras (fissionerar) i två fissionsfragment och 2-3 fissionsneutroner så frigörs alltså bindningsenergin som hållit ihop fissionsfragmenten. Varje fission frigör en energimängd som motsvarar att lyfta ett frimärke 0.1 mm!!! Man får dock inte glömma Avogadros tal: 6.023·1023 => enorma energimängder frigörs. Vad händer om fissionsneutronerna i sin tur startar nya fissioner?

Kärnenergi -fissionsprocessen

Kärnenergi -fissionsprocessen

Kärnenergi -fissionsprocessen Någon form av begränsning av den ohejdade kedjereaktionen krävs för att vi ska kunna utnyttja den utvecklade energin => konceptet kärnreaktor. Varför överhuvudtaget överväga användningen av kärnreaktorer?

”Atomkraft”? ”Kärnkraft”? Alla konventionella produktionsslag innebär utnyttjande av processer på atomär nivå. “Förbränning” av uran utnyttjas atomkärnornas energinivåer => 1-10 miljoner gånger större än atomernas. 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:

”Atomkraft” ”Kärnkraft” Ved: 5 kWh/kg. Kommersiellt uranbränsle: Olja: 10 kWh/kg. Kommersiellt uranbränsle: 100 000 kWh/kg. Energin i en urankuts motsvarar 800 liter olja. Det finns ca 15 miljoner urankutsar i en reaktor. ”Kärnkraft”

Kort om dagsläget Totalt: 438

Kort om dagsläget

Kort om dagsläget Kärnkraften Världens produktion av elektricitet ca 17%. I Sverige ca 50%. Total ackumulerad drifttid ca 12 000 år. I Sverige kraftproduktion sedan 1972.

Kärnreaktorn

Kärnreaktorn De snabba fissionsneutronerna måste bromsas i ett material för att kunna åstadkomma nya reaktioner. Detta kallas moderering: Snabb fissionsneutron Långsam neutron Atomkärnor i det modererande materialet

Kärnreaktorn Neutronernas energier tenderar att bli densamma som den termiska energin i det modererande materialet: neutronerna kallas termiska och de flesta reaktortyper kallas termiska reaktorer i motsats till snabba reaktorer. Beroende på moderatormaterial delas reaktorerna in i grupperna: Lättvattenreaktorer (light water reactor, LWR). Den vanligaste reaktortypen i världen. Kolmodererade reaktorer (reaktor 4 i Tjernobyl var en sådan). Tungvattenreaktorer. Finns bland annat i Kanada.

Kärnreaktorn Vatten som moderator har en stor fördel: Negativ temperaturkoefficient: Högre reaktoreffekt => lägre densitet => minskad reaktoreffekt. Ett starkt (och inbyggt) bidrag till hög säkerhetsnivå. Kol som moderator har två stora nackdelar: Positiv temperaturkoefficient: Högre reaktoreffekt => ökad reaktoreffekt. Kol brinner.

Kärnreaktorn Två typer av LWR finns: Kokvattenreaktorn (boiling water reactor, BWR) Tryckvattenreaktorn (pressurised water reactor, PWR). Reaktorernas effekt bestäms av reaktiviteten. Denna styrs genom att det termiska neutronflödet kan varieras. Två sätt att göra det på: Variera moderatormediets densitet. Införa material som absorberar termiska neutroner.

Kärnreaktorn Kokvattenreaktorn (BWR) Kännetecken: endast en krets. Reaktiviteten styrs med en kombination av styrstavar och matarvattenpumpar. Snabbstoppas med styrstavar.

Kärnreaktorn Tryckvattenreaktorn (PWR). Kännetecken: en primärkrets och en sekundärkrets. Reaktiviteten styrs med en inblandning av bor i moderatorvattnet. Snabbstoppas med styrstavar.

Kärnreaktorn I Sverige finns: 3 PWR (Ringhals 2, 3 och 4). 7 BWR (Forsmark 1, 2 och 3, Oskarshamn 1, 2 och 3 samt Ringhals 1). De två reaktorerna i Barsebäck var av BWR-typ.

Bränslet Bränslet i en LWR anrikas till ca 5% 235U och är i form av urandioxid. Bränslet sintras till kutsar: Ca 1 cm Kutsarna staplas i zircaloy-rör => bränslestavar. Bränslestavarna buntas ihop till bränsleelement

Bränslet Bränslets konstruktion ger upphov till skyddsbarriärer: Det keramiska materialet i kutsarna extremt svårlösligt. Bränslekapslingen (zircaloy-rören). Utöver dessa barriärer finns också: Reaktorinneslutningen. Reaktorbyggnaden.

Bränslet BWR-bränsle Ca 100 stavar PWR-bränsle Ca 300 stavar Ca 4 m

Reaktordriften Varje år byts ca 25% av reaktorbränslet ut och ersätts med färskt bränsle. Varje bränsle används under 4 – 5 år och bränns ut till ungefär 40 GWd/tU (BWR) och 60 GWd/tU (PWR).

Reaktordriften Uranbrytning Bränsletillverkning Produktion Inkapsling & slutförvar CLAB

”Safety” – ”Security” ”Safety”  Säkerhet i reaktordrift och hanteringen av bränsle. ”Security”  Ordningar som säkerställer att obehöriga inte får tillträde till anläggningar eller tillgång till klyvbart material. Safeguards eller kärnämneskontroll.

Nationella myndigheter Kärnämneskontroll Vem kontrollerar? FN IAEA Euratom EU-kommissionen Nationella myndigheter

Tillverkning av specialprodukter ☼ Kärnämneskontroll Gruva Vad kontrolleras? ☼ ☼ ☼ Bränslefabrik ☼ Uranhexafluorid ☼ Nationsgräns ☼ ☼ Tillverkning av specialprodukter ☼ Bränslefabrik ☼ Forskning ☼ ☼ ☼ Mellanlagring ☼ Upparbetning eller slutförvar ☼ Kärnkraftverk ☼ ☼ ☼

Kärnämneskontrollens verktyg Politiska medel Bygger på avtal: 1 juli 1968 the Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons (NPT). 2004 hade 189 stater anslutit sig till NPT. Avtalens efterlevnad understöds av det politiska tryck FN kan utöva.

Kärnämneskontrollens verktyg Bokföring Internationellt, regionalt, nationellt, lokalt Balansräkning: Allt in – (allt ut + allt förvarat) = K K ska vara 0 eller mindre än “signifikanta kvantiteten” (SQ) SQ Plutonium och 233U = 8 kg SQ 235Uran = 25 – 75 kg SQ Nat. uran = 10 ton

Kärnämneskontrollens verktyg Bokföringen understöds av övervakning och inspektion Övervakning Kameror och annan stationär övervakning Tillträdeskontroll (fysiskt skydd) Sigill Satelliter (Optiskt, IR, Synthetic Aperture Radar, SAR) Seismisk monitorering

Kärnämneskontrollens verktyg Övervakning Exempel på en satellitbild tagen med SAR.

Kärnämneskontrollens verktyg Inspektion Kvalitativa metoder används till att verifiera närvaron av kärnämne: Enklare strålningsdetektorer.

Kärnämneskontrollens verktyg Inspektion Kvantitativa metoder används till att bestämma mängd av och egenskaper hos kärnämne t ex utbrända kärnbränsleelement: Utbränningsgrad Kyltid Anrikningsgrad Effekthistorik Integritet

Framtiden Är utbyggnad av kärnkraften nödvändig? Grundtes: Tillgången till stora mängder billig energi är förutsättningen för ett globalt välstånd => förbättrat säkerhetsläge. Flera aspekter: klimatmål skall uppfyllas. världens långsiktiga energibehov. Europas reaktorflotta gammal (ca 20% av energiproduktionen) och måste bytas ut inom 10-15 år.

Framtiden Ny reaktorteknik adresserar: Icke-spridning av kärnvapen Avfall Uthållighet Två huvudspår: GEN-IV Acceleratordrivna system (ADS)

Framtiden GEN-IV -Sex reaktorkoncept studeras: Gas-cooled Fast Reactor (GFR). Very High Temperature Reactor (VHTR). Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR). Sodium-cooled Fast Reactor (SFR). Lead-cooled Fast Reactor (LFR). Molten Salt Reactor (MSR). För vidare information: http://gif.inel.gov/

Framtiden Acceleratordrivna system (ADS): Spallationskällor. Deuterium-Tritium källor.

Framtiden Acceleratordrivna system (ADS). Spallationskällor. Bygger på att protoner accelereras till ca 1 GeV. Dessa får sedan träffa ett tungt material ex bly. Vid den uppkomna reaktionen (spallation) bildas ca 30 neutroner per inkommande proton. Dessa neutroner skjuts in i en snabb reaktor för att skapa fissionsreaktioner.

Framtiden Fördelar: Ger möjlighet att använda andra bränslen än 235U tex torium och utbränt kärnbränsle => tidskravet på slutförvaret minskar till ca 500 år. Problem: Kräver stora och mycket dyra anläggningar. Neutronerna får energier upp till ca 1 GeV => svåra materialproblem (omöjliga att lösa?). Relativt liten andel av neutronerna kan användas.

Framtiden Acceleratordrivna system (ADS). Deuterium-Tritium källor. Bygger på att ex tritiumkärnor accelereras till ca 200 keV som sedan får träffa ett strålmål bestående av deuterium. Vid reaktionen bildas 14 MeV neutroner. Liksom i det föregående konceptet används dessa neutroner i en snabb reaktor.

Framtiden Fördelar: Ger möjlighet att använda andra bränslen än 235U tex torium och utbränt kärnbränsle => tidskravet på slutförvaret minskar till ca 500 år. Små och förmodligen relativt billiga anläggningar. Endast “gaspedal” används jmf med dagens reaktorer: både “gas” och “broms” samtidigt. Alla neutroner kan i princip användas. Problem: Kräver extremt intensiva neutronkällor. Finns ännu inte. Forskning pågår dock i Uppsala.

Tack för mig! För mer information om kärnteknisk verksamhet vid Uppsala universitet: www.fysast.uu.se: “Tillämpad kärnfysik”. Ane.hakansson@tsl.uu.se Jan.blomgren@tsl.uu.se Michael.österlund@tsl.uu.se Goran.ericsson@tsl.uu.se (fusion)