IFE akademiet 10.4 2013 «Hva bruker vi atomreaktorne på IFE til?» 1. Bakteppe 1: Regjeringen satte seg store mål i 1945 2. Bakteppe 2: Fisjonsprosessen 1938-42 3. 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
Regjeringen satte seg store mål i 1945 1. Gjennoppbygge landet (Kristiansund) 2. Gjennoppbygge handelsflåten (Oslofjord) 3. Bygge ut nye kraftverk (Auraverket) 4. Bygge opp ny industri (Årdal og Sunndal verk)
Når man ser hvilke formidable utfordringer Norge sto ovenfor like etter krigen hvorfor i all verden BYGGET MAN JEEP-I REAKTOREN OG SENERE HALDENREAKTOREN?
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 1948-51
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.
Utviklingen av atomprogrammet i Norge Bakteppe: 1938: fisjonsprosessen, 1939-45: 2. verdenskrig og 1942: Chicago pile FFI: Forsvarets Forsknings- Institutt - 1946 STYRET (Styreleder) IFA: Institutt for Atomenergi - 1948 IFE Kjeller Adm.direktør Vise adm. direktør Gunnar Randers Jens Chr. Hauge Odd Dahl Partner w/ Holland Partners USA and IAEA 1951 1961 1966 JEEP reaktoren NORA reaktoren JEEP 2 reaktoren Nukleær Teknologi Administrasjon 1959 Halden reaktoren Haldenprosjektet Prosjektleder Reaktor Teknologi 1958-> Administrasjon 01.04.2011
JEEP-I reaktoren Var den første atomreaktoren som ble konstruert og bygget i Norge. Den ble tatt i bruk i 1951. 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 1967. 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. 11.04.20 13
11.04.2013 JEEP-I reaktoren ble bygget 1948-1951
Produksjon av radioaktive isotoper ved IFE først ved JEEP fra 1952-1967 og så ved JEEP II fra 1967-2013 1952 2013 1985 2007 1996 «Isotopapoteket»: Forsyner det norske markedet med radiofarmaka ISOPHARMA AS 2010 2006 11.04.2013
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.
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
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.
Bruk av JEEP II i grunnforskning i fysikk PUS SANS ODIN (2013)
Utviklingen av atomprogrammet i Norge Bakteppe: 1938: fisjonsprosessen, 1939-45: 2. verdenskrig og 1942: Chicago pile FFI: Forsvarets Forsknings- Institutt - 1946 STYRET (Styreleder) IFA: Institutt for Atomenergi - 1948 IFE Kjeller Adm.direktør Vise adm. direktør Gunnar Randers Jens Chr. Hauge Odd Dahl Partner w/ Holland Partners USA and IAEA 1951 1961 1966 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 1963 1990 Reaktorbrenselsundersøkelser Materialundersøkelser Prosesskontroll Man Machine Systems 1967 1980 MTO 2000 01.04.2011
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? 01.04.2011
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
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
Energien som produseres av 4 pellets gir strøm til en norsk husholdning i et år Utbrenning: 50 MWd/kgUO 2? 50 MWd = 1200 MWh = 1.200.000 kwh 1/3 blir til strøm = 400.000 kwh Ca. Strømforbruk/år i en norsk husholdning på 4 pers. = 25.000 kwh Dvs. 400.000 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
BRENSELS- OG MATERIALFORSKNINGEN 11.04.2013 19
brensel Kjernekraftverk «NPP» kapslingsrør komponenter Brensel- og materialeforskning ved HRP Haldenreaktoren strukturelle deler
Hvordan utfører vi eksperimenter? FORSØKSMETODIKK Møte med NHD, 17. feb, 2011
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 30-35 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
FORSKNINGSSPØRSMÅL 11.04.2013 23
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
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».
Materialtester Kunnskap om vannkjemiens påvirkning på korrosjon og sprekkdannelser, samt kontroll av sprekkvekst. Kunnskap om nøytron og gammabestrålingens påvirkning på reaktorstruktur materialer.
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.
Sikrere kjernekraft som resultat av tester i Haldenreaktoren 4/11/2013
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
4/11/2013 Typisk kjernekraftverk
Haldenreaktoren T2 S61 S53 D06 S30 S35 S47 S15 10 504 S39 S26 16 E06 E03 17 DO4 S65 C04 S37 S60 31 S33 647 32 654 S49 33 S28 T1 515 648 22 E01 E02 23 D02 D01 552 S23 21 S45 S38 11 638 603 616 D10 S36 594 642 30 641 S75 S31 S57 D11 12 604 S17 34 S50 35 S52 640 20 602 S56 EC D05 610 CS 557 25 S32 597 24 S63 39 626 548 15 590 628 S34 E04 645 D09 S77 S54 S51 29 S22 630 14 503 E08 26 E05 S81 S48 S42 S44 28 617 639 27 644 E07 S62 S58 S82 S64 38 S40 636 37 637 D03 36 S21 S27 633 S55 19 S76 S18 18 595 625 13 651 652 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
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
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
4/11/2013 Riktig vannkjemi stopper sprekkvekst!
Materialprøver for å måle sprekkvekst Typisk sprekkveksthastighet : 0,5 x 10-6 mm / sek. 35
11.04.2013 36 Testrigg for materialtesting
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
Central temperature ( C) 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 Gassfrigjøringsgrensen Original 1% data Siemens 2% data New 1% data Empirical Halden threshold Høy gassfrigjøring > 1% Lav gassfrigjøring < 1% 0 10 20 30 40 50 60 70 Burnup (MWd/kgUO2)
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
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
NuSP fasiliteter - Halden Haldenreaktoren Instrumentverkstedet
NuSP fasiliteter - Kjeller hot-labs UO 2 brensel produksjon betongskjermet celler fjernstyrt mikroskop blyskjermet celler
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
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)
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)
Og noe av våre norske samarbeidspartnere... ThorEnergy Saubrugs Noveas Askå S-Tec Pyro Control PYRO CONTROL A / S Forskningsrådet
TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN!