K

1
Kärnkraftproblem och lösningar för den globala
energiförsörjningenKort beskrivning av
kärnkraftens historia, nuläget och framtiden
2
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 6e och 9e
augusti. 1945-1953 Policy of denial. 1951
Första testreaktorn som producerar el.
3
Kort historik

• 1953 8e 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.

4
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.
5
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).
6
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 Disneys Vår vän atomen
(1958).
7
Varifrån kommer energin?
8
Varifrån kommer energin?
Protoner och neutroner i atomkärnor kallas
nukleoner och är bundna till varandra i
atomkärnan (bindningsenergi).
9
Varifrån kommer energin?
Helium
10
Kärnenergi -fissionsprocessen
Fissionsfragment t ex 137Cs
11
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 6.0231023 gt enorma energimängder
frigörs. Vad händer om fissionsneutronerna i sin
tur startar nya fissioner?
12
Kärnenergi -fissionsprocessen
13
Kärnenergi -fissionsprocessen
14
Kärnenergi -fissionsprocessen
Någon form av begränsning av den ohejdade
kedjereaktionen krävs för att vi ska kunna
utnyttja den utvecklade energin gt konceptet
kärnreaktor.
Varför överhuvudtaget överväga användningen av
kärnreaktorer?
15
Atomkraft? Kärnkraft?
Alla konventionella produktionsslag innebär
utnyttjande av processer på atomär nivå.
Förbränning av uran utnyttjas atomkärnornas
energinivåer gt 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

16
(No Transcript)
17
Kort om dagsläget
Totalt 438
18
Kort om dagsläget
19
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.
20
Kärnreaktorn
21
Kärnreaktorn
De snabba fissionsneutronerna måste bromsas i ett
material för att kunna åstadkomma nya reaktioner.
Detta kallas moderering
22
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.
23
Kärnreaktorn

• Vatten som moderator har en stor fördel
• Negativ temperaturkoefficient Högre
  reaktoreffekt gt lägre densitet gt minskad
  reaktoreffekt.
• Ett starkt (och inbyggt) bidrag till hög
  säkerhetsnivå.

• Kol som moderator har två stora nackdelar
• Positiv temperaturkoefficient Högre
  reaktoreffekt gt ökad reaktoreffekt.
• Kol brinner.

24
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.

25
Kärnreaktorn
Kokvattenreaktorn (BWR)
Kännetecken endast en krets. Reaktiviteten styrs
med en kombination av styrstavar och
matarvattenpumpar. Snabbstoppas med styrstavar.
26
Kärnreaktorn
Tryckvattenreaktorn (PWR).
Kännetecken en primärkrets och en sekundärkrets.
Reaktiviteten styrs med en inblandning av bor i
moderatorvattnet. Snabbstoppas med styrstavar.
27
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.
28
Bränslet
Bränslet i en LWR anrikas till ca 5 235U och är
i form av urandioxid. Bränslet sintras till
kutsar
Kutsarna staplas i zircaloy-rör gt bränslestavar.
Bränslestavarna buntas ihop till bränsleelement
29
Bränslet

• Bränslets konstruktion ger upphov till
  skyddsbarriärer
• Det keramiska materialet i kutsarna extremt
  svårlösligt.
• Bränslekapslingen (zircaloy-rören).

• Utöver dessa barriärer finns också
• Reaktorinneslutningen.
• Reaktorbyggnaden.

30
Bränslet
BWR-bränsle Ca 100 stavar
PWR-bränsle Ca 300 stavar
Ca 4 m
Ca 0.2 m
Ca 0.1 m
31
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).
32
Reaktordriften
Uranbrytning Bränsletillverkning
Produktion
Inkapsling slutförvar
CLAB
33
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.
34
Kärnämneskontroll
Vem kontrollerar?
35
Kärnämneskontroll
Gruva
Vad kontrolleras?


Bränslefabrik

Uranhexafluorid

Nationsgräns


Tillverkning av specialprodukter
Bränslefabrik
Forskning

Mellanlagring

Upparbetning eller slutförvar
Kärnkraftverk


36
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.

37
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
38
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

39
Kärnämneskontrollens verktyg
Övervakning Exempel på en satellitbild tagen med
SAR.
40
Kärnämneskontrollens verktyg
Inspektion

• Kvalitativa metoder används till att verifiera
  närvaron av kärnämne
• Enklare strålningsdetektorer.

41
Kärnämneskontrollens verktyg
Inspektion

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

42
Framtiden
Är utbyggnad av kärnkraften nödvändig?
Grundtes Tillgången till stora mängder billig
energi är förutsättningen för ett globalt
välstånd gt 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.

43
Framtiden

• Ny reaktorteknik adresserar
• Icke-spridning av kärnvapen
• Avfall
• Uthållighet

Två huvudspår GEN-IV Acceleratordrivna system
(ADS)
44
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/

45
Framtiden
Acceleratordrivna system (ADS)

• Spallationskällor.
• Deuterium-Tritium källor.

46
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.
47
Framtiden
Fördelar Ger möjlighet att använda andra
bränslen än 235U tex torium och utbränt
kärnbränsle gt tidskravet på slutförvaret minskar
till ca 500 år.
Problem Kräver stora och mycket dyra
anläggningar. Neutronerna får energier upp till
ca 1 GeV gt svåra materialproblem (omöjliga att
lösa?). Relativt liten andel av neutronerna kan
användas.
48
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.
49
Framtiden
Fördelar Ger möjlighet att använda andra
bränslen än 235U tex torium och utbränt
kärnbränsle gt 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.
50
Tack för mig!
För mer information om kärnteknisk verksamhet vid
Uppsala universitet www.fysast.uu.se Tillämpad
kärnfysik. Ane.hakansson_at_tsl.uu.se Jan.blomgren_at_t
sl.uu.se Michael.österlund_at_tsl.uu.se Goran.ericsso
n_at_tsl.uu.se (fusion)