IFE akademiet «Hva bruker vi atomreaktorne på IFE til?»

Transkript

1 IFE akademiet «Hva bruker vi atomreaktorne på IFE til?» 1. Bakteppe 1: Regjeringen satte seg store mål i Bakteppe 2: Fisjonsprosessen Historien om IFA Institutt For Atomenergi JEEP I reaktoren JEEP II reaktoren Haldenreaktoren 4. Hvordan virker et kjernekraftverk? 5. Hva brukes Haldenreaktoren til? - Helge Thoresen 6. Demonstrasjoner Test-rigg, instrumenter m.m Svein-Erik Christiansen, Steinar Solstad, Jon Karlsen Per Dalene, Knut W. Eriksen m.fl. Fridtjov Øwre IFE, Halden

2 Regjeringen satte seg store mål i Gjennoppbygge landet (Kristiansund) 2. Gjennoppbygge handelsflåten (Oslofjord) 3. Bygge ut nye kraftverk (Auraverket) 4. Bygge opp ny industri (Årdal og Sunndal verk)

3 Når man ser hvilke formidable utfordringer Norge sto ovenfor like etter krigen hvorfor i all verden BYGGET MAN JEEP-I REAKTOREN OG SENERE HALDENREAKTOREN?

4 Oppdagelsen av fisjonsprosessen og anvendelsene Chicago Pile E = mc 2 Oppdagelsen 1938 Otto Hahn & Lise Meitner Kontroll over fisjonsprosessen 1942 Enrico Fermi Anvendelsen på IFA

5 Satsning på atomkraft* Byggingen av fire forskningsreaktorer og etableringen av et teknisk/vitenskaplig miljø på Kjeller og i Halden var et resultat av norsk forsknings og energipolitikk i de to første tiårene etter krigen. Denne politikken var understøttet av de norske moderniserings miljøenes tro på at staten kunne bidra til økonomisk vekst gjennom en målrettet satsning på høyteknologi og teknisk naturvitenskaplig forskning. * Strålende forskning. O. Njølstad 1999.

6 Utviklingen av atomprogrammet i Norge Bakteppe: 1938: fisjonsprosessen, : 2. verdenskrig og 1942: Chicago pile FFI: Forsvarets Forsknings- Institutt STYRET (Styreleder) IFA: Institutt for Atomenergi IFE Kjeller Adm.direktør Vise adm. direktør Gunnar Randers Jens Chr. Hauge Odd Dahl Partner w/ Holland Partners USA and IAEA JEEP reaktoren NORA reaktoren JEEP 2 reaktoren Nukleær Teknologi Administrasjon 1959 Halden reaktoren Haldenprosjektet Prosjektleder Reaktor Teknologi 1958-> Administrasjon

7 JEEP-I reaktoren Var den første atomreaktoren som ble konstruert og bygget i Norge. Den ble tatt i bruk i Norge var da det femte landet i verden som hadde bygget og tatt i bruk en atomreaktor etter USA, Sovjetunionen, Tyskland, Frankrike og Canada. Norges første atomreaktor, JEEP I reaktoren på Kjeller, var i drift fra 1951 til I tillegg til utvikling av reaktorteknologi, ble denne reaktoren brukt blant annet til nøytronbestråling og til Isotopproduksjon både til medisinsk og industriell bruk. Industrielt brukes isotoper til kontrollkilder for tetthets- og mengdemålinger. Medisinsk brukes radiofarmaka i stor grad til diagnostisering og behandling av kreft

8 JEEP-I reaktoren ble bygget

9 Produksjon av radioaktive isotoper ved IFE først ved JEEP fra og så ved JEEP II fra «Isotopapoteket»: Forsyner det norske markedet med radiofarmaka ISOPHARMA AS

10 BESTRÅLINGSTEKNOLOGI - NØYTRONBESTRÅLING I JEEP II fremstilles radioaktive isotoper for medisinske, tekniske og analytiske formål. Innen medisin brukes radioaktive stoffer vesentlig til diagnostikk, men benyttes også i noen utstrekning til terapeutisk formål. Ca. 30 norske sykehus benytter slike metoder. Nøytroner brukes også til bestråling av superrene silisiumkrystaller for produksjon av halvledere. Bestrålinger med nøytroner i JEEP II dekker 10% av verdensmarkedets behov på dette området. Radioaktive kilder benyttes i nivå-, tetthets- og fuktighetsmålere i prosessindustrien. Radioaktive isotoper anvendes som sporstoffer (tracere) for å studere fysiske- og kjemiske prosesser. Anvendelsene spenner fra studier av biologiske prosesser til bevegelse av fluider i oljereservoir.

11 JEEP II og petroleumsvirksomheten ved IFE IFE har en omfattende aktivitet på utvikling og anvendelse av tracerteknologi for petroleumsindustrien. Et av hovedområdene er bruk av tracer for å kartlegge strømningsforholdene i oljereservoarene. Tracer tilsettes injeksjonsvannet eller injeksjonsgassen og måles når det blir produsert i en av de nærliggende brønnene. Ut fra målingene får man informasjon om strømningshastigheter, barrierer og fortrengningsvolumer mellom brønnene. Dette er informasjon som er avgjørende for å kunne gjøre tiltak som kan øke oljeutvinningen. Tracerene gir unik data som ikke kan fås på andre måter. Tracerteknologi er en svært rimelig metode å benytte. Andre metoder som seismiske målinger og brønnlogging krever et vesentlig mer omfattende arbeid for å skaffe informasjon om reservoaret. 47 Ca Reservoar-undersøkelser

12 Nøytronspredning Nøytronstrålene fra JEEP II reaktoren er et enestående verktøy for forskerne. Strålene gjør det mulig å se inn i forskjellige materialer for å finne ut hvordan atomene organiserer seg og eksempelvis danner molekyler, væsker, faste stoffer, magneter og superlederne. Når nøytronstrålen treffer en krystall, f.eks. et saltkorn, der atomene danner et velordnet mønster, blir nøytronene avbøyd og spredt i bestemte retninger. Dette spredningsmønsteret er et fingeravtrykk av den indre strukturen I krystallen. Spesialbygde instrumenter måler spredningsmønsteret. Fra dette kan en utlede hvordan atomene er plassert i forhold til hverandre. Nøytronspredningsmetoden har revolusjonert mye av vår viten om hvordan stoffer er bygd opp.

13 Bruk av JEEP II i grunnforskning i fysikk PUS SANS ODIN (2013)

14 Utviklingen av atomprogrammet i Norge Bakteppe: 1938: fisjonsprosessen, : 2. verdenskrig og 1942: Chicago pile FFI: Forsvarets Forsknings- Institutt STYRET (Styreleder) IFA: Institutt for Atomenergi IFE Kjeller Adm.direktør Vise adm. direktør Gunnar Randers Jens Chr. Hauge Odd Dahl Partner w/ Holland Partners USA and IAEA JEEP reaktoren NORA reaktoren JEEP 2 reaktoren Nukleær Teknologi Administrasjon 1959 Halden reaktoren Haldenprosjektet Prosjektleder Reaktor Teknologi 1958-> + Administrasjon 1963-> Oppdragsprogram i Utlandet og Norge 1955: takk til direktør O.T. Jarlsby og overingeniør Erik Erichsen fra Saugbrugforeningen Reaktorbrenselsundersøkelser Materialundersøkelser Prosesskontroll Man Machine Systems MTO

15 Haldenreaktoren er en annen type forskningsreaktor enn JEEP reaktorene Den er en prototype av et virkelig kraftverk, men mangler en turbogenerator. HVORDAN VIRKER ET KJERNEKRAFTVERK?

16 Hvordan virker et kjernekraftverk? Fisjonsprosess dampproduksjon damp strøm varmt vann Energikilder: - Olje, - Gass, -Kull -Uran -m.m «kaldt vann» Varmeproduksjon via fisjon E = mc 2 Kjøling vannet transporterer bort varmen

17 Uranbrenselet Uranpellets er selve byggesteinene for varmeproduksjonen i kjernekraftverk Kunnskap om brenslets oppførsel i forskjellige situasjoner: normal drift, transienter og ulykker er av fundamental betydning for sikker drift IFE/HRP:verdensledene leverandør av sikkerhetsdata relatert til brenslets oppførsel i ulike situasjoner

18 Energien som produseres av 4 pellets gir strøm til en norsk husholdning i et år Utbrenning: 50 MWd/kgUO 2? 50 MWd = 1200 MWh = kwh 1/3 blir til strøm = kwh Ca. Strømforbruk/år i en norsk husholdning på 4 pers. = kwh Dvs kwh => strøm til 16 familier el. 64 personer/år 1kg(1000g)/64 omtrent 15 gram eller 1,5 cm 2 per person (ca.1 pellet) 4 uranpellets gir strøm til en norsk husholdning på 4 personer i et år

19 BRENSELS- OG MATERIALFORSKNINGEN

20 brensel Kjernekraftverk «NPP» kapslingsrør komponenter Brensel- og materialeforskning ved HRP Haldenreaktoren strukturelle deler

21 Hvordan utfører vi eksperimenter? FORSØKSMETODIKK Møte med NHD, 17. feb, 2011

22 Forsøksmetodikken innen Brensel- og Materialeforskningen Outlet Coolant Thermocouples Fuel centre - line Thermocouple (TF) Double H Coil 3 Neutron Detector (V-type) Diameter Gauge Eksperimenter blir designet og test-rigg produsert Vi får brensel, kapslingsmaterialer eller strukturmaterialer (rustfritt stål) fra industrien Sensorer blir festet til prøvene i verkstedet Prøvene settes inn i testrigger som settes inn i reaktoren (plass til opptil testrigger samtidig) On-line målinger blir gjort og logget, og de gir direkte innsyn i fenomener mens de utvikler seg Differential Transformer (LVDT) (here used as Cladding Extensometer) Reaktoren styres fra kontrollrommet Shroud (Ø 73/71mm) Inlet Coolant Thermocouples Eksperimentene styres fra eksperimentalrommet Inlet Turbine Flowmeter Core Fuel Rod On-line data innsamling Calibration Valve Database Data senes ut til HRP medlemmene

23 FORSKNINGSSPØRSMÅL

24 Bakgrunn Materialer som brukes i reaktorer brensel, kapsling, reaktortank, kontrollstaver, strukturmaterialer i reaktorkjernen, samt omliggende stål/betongstrukturer forandres under drift p.g.a.: høye temperaturer (og temperaturforandringer) bestråling (oppbygging av fisjonsprodukter i brenselet, nøytroner, gamma,..) korrosjon (kjølevann, kjemiforhold) mekaniske påkjenninger

25 Brenselskvalifiseringstester: Kunnskap om brenselets termiske ledningsevne: Viktig for å fjerne varmen generert i brenselet. Varmeledningsevnen blir dårligere med utbrenningen. Studeres ved å måle brenselstemperatur i sentrum av en brenselspinne (måles med en «fuel centerline termocouple»). Kunnskap om frigjøring av fisjonsgass i pinnen: Viktig for å unngå overtrykk og balloning. Studeres ved å måle trykkoppbyggingen i pinnen (måles med en «pressure trancducer»). Kunnskap om mekanisk stabilitet i pinnen (ved kontakt mellom brenselspellets og kapsling) er viktig ved store temperaturforandringer: Studeres ved å måle kapslingsforlengelse (og evt. pellet stack forlengelse). Måles med et «clad extensiometer». Diameter forandringer kan måles med en «diameter guage».

26 Materialtester Kunnskap om vannkjemiens påvirkning på korrosjon og sprekkdannelser, samt kontroll av sprekkvekst. Kunnskap om nøytron og gammabestrålingens påvirkning på reaktorstruktur materialer.

27 Testing av materialers egenskaper under ulykkessituasjoner LOCA (Loss of Coolant Accident): Kontrolert struping av kjølevann for å studere hvor raskt temperaturen stiger etter at vannet blir borte. Studeres ved å måle temperaturer på kapslingen on line. Effektramping: Kontrollerte raske effektøkninger for å studere de mekaniske egenskapene til brensel og kapsling.

28 Sikrere kjernekraft som resultat av tester i Haldenreaktoren 4/11/2013

29 Spørsmål det er naturlig å stille : Bidrar forskningen i Haldenreaktoren virkelig til sikrere kjernekraft? Gjøres forskningen kun for forskningens egen skyld (på grunn av at det er gøy å forske)? Trenger vi slik forskning er ikke ting bra nok slik de er? Hvorfor gjør ikke andre (for eksempel de som eier kraftreaktorene) denne forskningen? 4/11/2013

30 4/11/2013 Typisk kjernekraftverk

31 Haldenreaktoren T2 S61 S53 D06 S30 S35 S47 S S39 S26 16 E06 E03 17 DO4 S65 C04 S37 S60 31 S S49 33 S28 T E01 E02 23 D02 D S23 21 S45 S D10 S S75 S31 S57 D S17 34 S50 35 S S56 EC D CS S S S34 E D09 S77 S54 S51 29 S E08 26 E05 S81 S48 S42 S E07 S62 S58 S82 S64 38 S D03 36 S21 S S55 19 S76 S S46 S78 D08 S79 S80 S73 S83 S59 D07 S84 C03 Forskningsprogrammer på to hovedområder : Materialene som benyttes i reaktortankene og strukturelle deler Brenselet som benyttes for å lage varmen (som igjen produserer damp og deretter elektrisk strøm) 4/11/2013

32 Hva skjer med materialene som benyttes i reaktortankene i kjernekraftverkene : Materialegenskapene endres på grunn av miljøet inne i reaktorene Materialene kan utvikle sprekker Materialene korroderer Riktig vannkjemi reduserer disse problemene 4/11/2013

33 Lukket testsystem / «Loop» i Feed water tank Haldenreaktoren Cooler Type : vannkjemi Water analysis Trykk : 200 bar Pressure control system Control valve Purification system Temp. : 350 C In-core test rig 4/11/2013

34 4/11/2013 Riktig vannkjemi stopper sprekkvekst!

35 Materialprøver for å måle sprekkvekst Typisk sprekkveksthastighet : 0,5 x 10-6 mm / sek. 35

36 Testrigg for materialtesting

37 Hva skjer med brenselet som benyttes for å lage varmen i kjernekraftverkene : Materialegenskapene (termisk ledningsevne etc. etc.) endres på grunn av miljøet inne i reaktorene Det frigjøres gasser fra brenselet Materialene korroderer Riktig kjøring av reaktorene reduserer disse problemene 4/11/2013

38 Central temperature ( C) Gassfrigjøringsgrensen Original 1% data Siemens 2% data New 1% data Empirical Halden threshold Høy gassfrigjøring > 1% Lav gassfrigjøring < 1% Burnup (MWd/kgUO2)

39 Brenselspinne med trykkmåler Fuel stack Gas connection to test rod Bellows support Bellows End plug Support for ferritic core Instrumentet måler trykket inne i brenselspinnen under drift Målingene gir informasjon om operasjonsbetingelser som medfører at gassfrigjøringen fra brenselet er på et sikkert nivå Denne typen instrumenter er utviklet i Halden og er kjernen i forskningsprogrammene på brenselspinner Ingen andre har tilsvarende kompetanse Ferritic core Linear voltage differential transformer (LVDT) 4/11/2013

40 Tilbake til spørsmålene : Bidrar forskningen i Haldenreaktoren virkelig til sikrere kjernekraft? Gjøres forskningen kun for forskningens egen skyld (på grunn av at det er gøy å forske)? Trenger vi slik forskning er ikke ting bra nok slik de er? Hvorfor gjør ikke andre (for eksempel de som eier kraftreaktorene) denne forskningen? 4/11/2013

41 NuSP fasiliteter - Halden Haldenreaktoren Instrumentverkstedet

42 NuSP fasiliteter - Kjeller hot-labs UO 2 brensel produksjon betongskjermet celler fjernstyrt mikroskop blyskjermet celler

43 Hvem utnytter forskningen vår? Eksempler på OECD HRP og oppdragskunder Argentina CNEA (Atomic Energy Commission) Canada AECL (Atomic Energy of Canada Ltd) OPG (Ontario Power Generation) France EDF (Electricite de France) CEA (Atomic Energy Commission) / Jules Horowitz RR Germany AREVA

44 Japan Hvem utnytter forskningen vår? Eksempler på OECD HRP og oppdragskunder Mitsubishi (MNF & MHI) JNES (Japan Nuclear Energy Safety Organisation) TEPCO (Tokyo Electric Power Company) NFD (Nippon Nuclear Fuel Development Co.) JAEA (Japan Atomic Energy Agency) Tohoku University (METI Ministry of Economy, Trade & Industry) Korea KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute)

45 Hvem utnytter forskningen vår? Eksempler på OECD HRP og oppdragskunder Russia TVEL Corporation RIAR (Research Institute of Atomic Reactors) Sweden Ringhals - Vattenfall Studsvik (Cladding Integrity Program) Westinghouse Electric Sweden USA Westinghouse Electric Company EPRI (Electric Power Research Institute) GE GNF (Global Nuclear Fuel) Bettis Argonne National Lab (DOE Department of Energy)

46 Og noe av våre norske samarbeidspartnere... ThorEnergy Saubrugs Noveas Askå S-Tec Pyro Control PYRO CONTROL A / S Forskningsrådet

47 TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN!