Kjernekraft Engel eller demon?

Transkript

1 Kjernekraft Engel eller demon? Bjørn H. Samset, CICERO Senter for klimaforskning

2

3

4 Plan: Kjernekraft sett med fysikerøyne Kommer ikke til å svare på om kjernekraft er en engel eller demon... Kommer heller til å fortelle litt om hva kjernekraft egentlig er for noe, hvordan det virker, og hvordan vi bruker det i dag Hvilken teknologiutvikling har vi hatt siden Chernobyl, og hvilken kan vi forvente oss? Har vi råd til å fortsette å bruke kjernekraft? Har vi råd til å la være? Vi har ihvertfall ikke råd til å lukke øynene for et mulig alternativ til forbrenningskraft!

5

6 En atomkjerne er kjernen i et atom Det er 1023 atomer i hvert mol stoff. I midten av hvert er det en tung kjerne Den er bitteliten! Ca meter. Vi har ikke skjønt den.

7 Atomkjerner er ålreite dyr (men litt rare) Det finnes tusenvis av varianter, med ulikt antall protoner og nøytroner Alle har ulike egenskaper: runde, deformerte, magiske tall, pairing, alfa-, beta-, gamma-, n-stråling,... NMR, bestråling av krydder, røykvarslere...

8

9 Å få energi fra en atomkjerne: E=mc² Masse vi putter inn > masse vi får ut En klinkekule kan omgjøres til 1TWh med elektrsik krfaft - i prinsippet... de = minnc²- mut c²

10 Nøkkelen er bindingsenergi Atomkjernen veier mindre enn summen av p og n To såpebobler vil smelte til en. Det samme kan små atomkjerner gjøre. En stor, avlang såpeboble kan finne på å dele seg i to. Det samme kan store atomkjerner gjøre

11 Fusjon: Solen er en kjernereaktor Fusjon er når to kjerner smelter sammen Dette er brenselet i solen: Hydrogen blir til helium. I tunge stjerner smelter også tyngre kjerne sammen, helt opp til toppen i bindingsenergigrafen (De enda tyngre lages i supernovaeksplosjoner)

12 Fisjon: Mulighet for kjedereaksjon Alle kjerner over toppen vinner energi ved å deles i to mindre deler. Noen gjør dette mer eller mindre spontant. Samtidig kommer gjerne 1-3 nøytroner, som kan sette i gang en ny fisjon Mulighet for en kjedereaksjon?

13

14 Det er tre fissile kjerner i naturen Fissil: Kan få til kjedereaksjon U235 Pu239 U233 Fisjonabel: Kan fisjonere hvis den treffes av et passe nøytron. Gjelder veldig mange kjerner i det masseområdet Fertil: Kan bli til fissil kjerne hvis den treffes av et passe nøytron U238 Th232

15 U235 er eneste fissile kjerne som finnes naturlig på jorden Mythbusting: Et kjernekraftverk kan ikke eksplodere som en atombombe!!!

16 Oklo: En naturlig kjernereaktor Ved Oklo i Gabon finnes et sted der naturlig konsentrasjon av U235 er lavere enn ellers Grunnen er at disse kjernene har vært med i en naturlig kjedereaksjon i bakken Det går altså an å få til en kontrollert kjedereaksjon, også i helt naturlig uran i bakken

17 Fisjon: Mulighet for kjedereaksjon Alle kjerner over toppen vinner energi ved å deles i to mindre deler. Noen gjør dette mer eller mindre spontant. Samtidig kommer gjerne 1-3 nøytroner, som kan sette i gang en ny fisjon Mulighet for en kjedereaksjon?

18 Moderatorer: Breeeeems! Nøytroner fra fisjon er raske Kjerner fisjonerer helst når de treffes av sakte nøytroner For å få til en kjedereaksjon må ( må ) nøytronene bremses ned I Oklo skjedde dette naturlig i bakken

19 Menneskeskapte reaktorer: Chicago 1 Den første reaktoren ble bygget av Enrico Fermi i 1942 Brukte naturlig uran og grafittstaver som moderator

20 Hvordan får vi strøm fra kjerner? Et kjernekraftverk er en dampmaskin!

21 Tidlige kjernekraftverk Obinsk, USSR, 1954 Calder Hall, Sellafield, England, 1956 RBMK1000

22 Dagens vanligste kraftverk: BWR

23 Dagens vanligste kraftverk: PLWR

24 Kjernekraft i 2010: 30% av Europas strøm, 16% av verden 436 reaktorar i drift (367 GW) i 30 land 30 under bygging (24 GW) 64 under planlegging (68 GW) 158 foreslått (124 GW) Stor satsing i Russland, Japan, India og Kina 28 nye land har uttrykt interesse for kjernekraft deriblant mange i Afrika og Midtøsten

25

26

27 Fine ting med kjernekraft Ingen CO2-utslipp Heller ingen andre gassutslipp til atmosfæren det er ikke bare CO2 som er plagsomt Rikelig tilgang på brensel (enn så lenge) Kjent teknologi, klar til bygging Kan generere mye effekt fra ett enkelt kraftverk Økonomisk stabil Billig, forutsigbar kraft

28 Kjernekraftsyklus i Europa i dag Utnyttelse av opprinnelig brensel: Ca. 2-3%!

29 Hva med avfallet? Ekkelt, men komplisert...

30 Uhell: Three Mile Island (1979) Nedsmelting av en av reaktorkjernene Nedsmelting = kjernen blir for varm, og smelter seg ned gjennom gulvet Sikkerhetsbygningen holdt, ingen store utslipp Dårlig design av sikkerhetsmekanismene

31 Uhell: Chernobyl (1986) Dampeksplosjon og kjemisk brann (ikke nedsmelting) RMBK-1000 reaktor En serie idiotiske bommerter, og dårlig design

32 Problemer med kjernekraft Faren for uhell Behandling av radioaktivt avfall Terrormål Dårlig utnyttelse av brensel (enn så lenge) Krever mange dyktige teknikere Utilsiktet produksjon av våpenmateriale (plutonium)

33 Fremtiden for fisjonskraft

34 Gen III: Det du får kjøpt i dag Videreutvikling av dagens kjernekraft, med fokus på Forenklet design av reaktor og rundtliggende systemer Passive sikkerhetssystemer Reduserte driftskostnader Kortere byggetid

35 Gen III eksempel 1: EPR i Finland

36 Gen III eksempel 1: EPR i Finland

37 Gen III eksempel 2: Advanced CANDU reactor Canadian Deuterium Uranium reaktor Kompakt design Bruker tungtvann som moderator, kan bruke naturlig uran - ingen anriking Advanced CANDU bruker lett anriket uran for å få mye bedre effekt Kan etterfylles med brensel uten å skru av reaktoren

38 Gen IV: Det som utvikles i dag Bærekraftig kraftteknologi Bruk til annet enn elektrisitetsproduksjon Full utnytting av brenselet, ikke 2-3% som i dag Minimering av avfall, ned til kun fisjonsprodukter Uaktuell for spredning av kjernefysisk materiale Industriell prossessvarme Hydrogenproduksjon Vannrensing Billigere og tryggere enn gen. III, tilgengelig om ca. 20 år?

39 Gen IV eksempler

40 Drømmen: Raske nøytroner Reaktorer basert på raske nøytroner er vanskeligere å få til, men har store fordeler: Kan brenne alle tunge kjerner, ikke bare 2-3% av uranet Kan bruke gammelt kjerneavfall eller kjernevåpen som brensel Kan stilles inn som breeder, som lager mer fissilt materiale enn den bruker Produserer kun fisjonsprodukter som avfall, og disse har kort levetid relativt til transuranene Mens dagens PLWR, BWR ikke er bærekraftige, så er reaktorer basert på raske nøytroner absolutt det Planlegges i Kina, Japan, India, Russland... China Experimental Fast Reactor (CEFR), ferdig 2009, kritisk i 2010

41 Fremtidens brenselssyklus Opp til >90% utnyttelse av kjernene

42 Er ny kjernekraft økonomisk?

43 Kjernekraft i Norge? Evt. kjernekraftrelaterte aktiviteter i Norge... Ikke per i dag, heller ikke i overskuelig fremtid To reaktorer kun til forskning, drevet av IFE Halden Kjeller Thor Energi Thor Energy's technology development activities are undertaken with the vision that thoriumplutonium MOX analog fuels will be an attractive option for both light water reactor (LWR) operators and nuclear energy policy makers alike. SAFE ved UiO Engasjerte enkeltpersoner...

44 Hva skal vi tro om kjernekraft? Kjernekraft er en mangslungen greie, så absolutt ikke noe man bare kan si ja eller nei til uten videre Fisjon står for en stor andel av verdens strømproduksjon Fusjon er fortsatt et stykke unna men veldig lovende om vi kunne få det til Med all respekt for ofrene for ulykken: Den verste konsekvensen av Chernobylulykken var at det ble lite stuerent å videreutvikle kjernekraft akkurat i det bruk av energi og fossile brensler virkelig tok av over hele verden. Vi har mistet 20 år med viktig forskning. Engel eller demon? Vet ikke. Men vi har ikke råd til å la være å sjekke hva kjernekraft kan bli til.

45 ADS, Energy Amplifier

46 Thorium i vanlige kraftverk

47 Thorium og uran233 Th232 er fertil den blir til U233, som er fissil Dermed kan Th232 brukes som basis reaktorbrensel, hvis man legger på litt U235 eller Pu239 i tillegg for å få nok startnøytroner Flere eksisterende kraftverk bruker dette India jobber med videreutvikling av flere thorium-baserte reaktorideer I et Th232-basert kraftverk lages det aldri plutonium. Dermed er reakturen uinteressant som kilde for Pu-våpen-materiale U233 er også brukbart til våpen, men er på grunn av stråleegenskapende nesten uhåndterlig i foredlet form

48

49 Fusjon Vi har enorme mengder hydrogen, deuterium og slikt Å lage litt ekstra helium fra fusjon gjør ingenting med planeten Ingen kjedereaksjon, så ingen kobling til våpen eller nedsmeltinger Ingrediensene kan tas med over alt Er ikke dette da den perfekte energikilde?

50 Fusjon på jorden? Fire hydrogenkjerner (protoner) kan i prinsippet smelte sammen til helium (to p blir til n) Men protonene frastøter hverandre! Solen klarer det... Trenger høyt trykk og/eller temperatur

51 Kald fusjon? Drømmen er å få til dette på skrivebordet Per i dag: NEI

52 TOKAMAK Ta en gass av deuterium og tritium Varm den opp slik at elektronene rives løs fra atomene, og gassen blir et plasma Hold plasmaet fanget i et smultringformet kammer, ved hjelp av kraftige magnetfelt Varm opp gassen videre med mikrobølger og elektriske strømmer i plasmaet Til sammen skaper dette temperatur og trykk og fusjon!

53 ITER: Energioverskudd i 2018? Per i dag har man fått til fusjon i mange tokamak'er, men ingen har klart å få ut mer energi enn de putter inn ITER skal fikse dette Byggingen akkurat startet i Frankrike Skal virke for fullt i 2018 Burde virke ingen store revolusjoner ut over det som er laget før, bare større og bedre

54 Alternativ: z-pinch Ta en liten kapsel med deuterium Plasser den i så sterke elektriske felt at den blir trykket sammen veldig hardt, veldig fort Kan vi få fusjon i midten?

55