Fjärde generationens kärnkraftsystem · 2012-10-22 · + Reagerar inte våldsamt med vatten (i motsats till natrium) + Kokar vid mycket högre temperaturer än natrium och vatten

Chalmers University of Technology

Fjärde generationens kärnkraftsystem:Kort beskrivning av tekniken med fördelar och nackdelar

Christian Ekberg

Energi => Kärnkraft => Avfall


Kärnkraftsdebattens fokus


Dosberäkningar

i

RT,RT DwH

Nuclear Chemistry

Ekvivalentdos, H (Sv)Används för att uttrycka den biologiska effekten av absorberad dos.

Med wR som vikningsfaktor för olika strålslag enligt tabellen nedan.

Strålslag wR LET in water(eV/nm)

Fotoner (röntgen och γ) 1 0.2 – 35

elektroner med Eβ > 5keV 1 0.2 - 1.1

långsamma neutroner (En < 10keV) 5 20

protoner med Ep > 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

(enskilt organ)


Dosberäkningar

i

TTE HwH

Nuclear Chemistry

Effektiv ekvivalentdos, HE (Sv)Används för att uttrycka den totala effekten av absorberad dos.

Med wT som vikningsfaktor för olika organ (celltyper) enligt tabellen nedan.Strålslag wR

könsorgan (äggstockar, testiklar) 0.2

lungor, benmärg, magsäck, ändtarm 0.12

sköldkörtel, bröst, lever, matstrupe, blåsa, ”resten” 0.05

hud, benytor 0.01

(summera över alla organ)

ΣwT = 1HE = ΣwTΣwRDT,R


Effekt av momentandos på människa

Nuclear Chemistry

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.


Somatiska verkningar på människa

Nuclear Chemistry

Dos (Gy) Effekt0.25 Antalet lymfocyter i blodet minskar0.5 Nybildning av blodkroppar påverkas1 Tillfällig sterilitet (man)

3-4 Håravfall5 Permanent sterilitet (man)6 Hudrodnad10 Cellbildning i tarmepitel slutar

10 Sårbildning


Naturliga stålnivåer, ekostrålning

Nuclear Chemistry

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


”Atomkraft”? ”Kärnkraft”?

relativt liten mängd bränsle behövs.

relativt liten mängd avfall produceras, vilket dessutom är lokaliserat. Exempelvis:

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:

Varför överhuvudtaget överväga användningen av kärnenergi?


”Atomkraft”

Ved: 5 kWh/kg.

Olja: 10 kWh/kg.

Dagens kommersiella uranbränsle:

1000 000 kWh/kg.

Energin i en bränslekuts motsvarar 800 liter olja.

Det finns ca 15 miljoner bränslekutsar i en reaktor.

”Kärnkraft”


MotivNärmare 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


För- och nackdelar med teknologi– en filosofisk reflexion


NackdelFördelExempel -Eld

Teknisk lösning

Motmedel Redundans


Exempel -MedicinTeknisk lösningFördel Nackdel

Biologiska massförstörelsevapen

Motmedel ! Redundans


Exempel– EnergiförsörjningFördel En teknisk lösning Principiell nackdel

Motmedel Kärnämnes-kontroll

Mycket redundans

Kärnvapnen blir vi knappast av med men Gen IV systemen kommer inte vara sannolika beståndsdelar i kärnvapenprogram.


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.

Några noteringar


FissionsprodukterVatten

Snabb neutron

Långsam neutron

U 235

U 238 Pu 239

Snabba neutroner


Kärnkraft


Kärnkraft

Seminarium om Gen-IV och ELECTRA, Utbildningsdepartementet 2011-08-17

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-IVKylmedel Vatten Na, Pb, He

Bränsle Oxider av (U,Pu) Olika (U,Pu,Am,Cm)

Bränsletub Zirkonium Stål

Återvinning Endast Pu U, Pu, Am & Cm

Avfallslagring > 100 000 år < 1 000 år

Bränsleresurs ~100 år > 5000 år

Fjärde generationens

snabbreaktorer

Lättvattenreaktorer (Gen-II & III)

Använt bränsle

Återvinning

Avfall

Slutförvar

Använt bränsle


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.

Tio sovjetiska militära reaktorer har använt bly/vismutkylmedel

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.

BN-600

K-705

La Hague


Vad byggs idag?

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.

Rysk natriumkyld reaktor med 800 MW eleffekt tas i drift 2014

CEFR

PFBR

Rokkasho


Vad planeras?

Inom 10-15 år planeras följande reaktorer tas i drift i Europa:

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

ALFRED: Europeisk blykyld reaktor med 130 MW eleffekt

ALLEGRO: Europeisk gaskyld reaktor med 60 MW värmeeffekt

SVBR

MYRRHA


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€). EU-projekten 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?

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)

Vid transmutation av americium bildas radiotoxiskt & långlivat curium, som också bör återvinnas.

102 103 104 105 106

0.01

0.1

1

10

100

101

Radiotoxic inventory [Sv/g]

243Am

242Pu

239Pu238Pu

240Pu

237Np

241Am

TRU

t [y]

Unat


Återvinning idag

Dagens teknik: PUREX (patenterad 1947, industriell sedan 1972)

30% av världens använda kärnbränsle har upparbetats

Använt bränsleSalpetersyra Kapsling & fissionsgaser

Tributylfosfat & fotogen Upplöst bränsle Klyvningsprodukter + Am + Cm

Uran & plutonium Förglasat avfallReduktion av plutonium

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

Klyvningsprodukter + Am + Cm

Lantanider + Am+Cm

Förglasat avfall

DIAMEX

Am + Cm Lantanider

SANEX

Klyvningsprodukter


Återvinning utan vapenplutonium

PUREX-processen ger upphov till rent plutonium.

Reaktorplutonium kan (trots vad som ibland hävdas) användas för funktionsdugliga kärnvapen.

Nya processer är under utveckling i EU-projekten ACSEPT (26 M€) och ASGARD (11 M€) som ej separerar Am & Cm från plutonium. En miljondel Cm-244 garanterar förtida avfyrning av ett kärnvapen.

Använt bränsleSalpetersyra

GANEX

Pu + Am +Cm

Upplöst bränsle

FPU


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 PUREX- konceptet. 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”

Isotopsammansättning, radiotoxicitet, massa, kemisk och fysisk form av kärnämne, tillgänglighet, upptäcktsrisk, tidsaspekt, skicklighet och kunskap som krävs för avledning.

Tekniska barriärer

Internationella avtal, överenskommelser, nationell policy och lagstiftning, inspektioner och exportkontroll.

Institutionella barriärer


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.

Pre-konceptuell design antagen för publicering i tidskriften Nuclear Technology

(Pu,Zr)N


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

Design av reaktor,design & licensiering av bränslecykelanläggningar

Bestrålningstester av bränsle & stål (enstaka stavar)

Test av elektrisk uppvärmd version

Licensiering av reaktor

Bygge och drift av återvinningsanläggning

Större bestrålning av bränsle

Bygge och drift av bränslefabrik

2022

Bygge av reaktor


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.

Documents

Fjärde generationens kärnkraftsystem · 2012-10-22 · + Reagerar inte våldsamt med vatten (i motsats till natrium) + Kokar vid mycket högre temperaturer än natrium och vatten