Kjernekraft, energiforsyning og klima i et teknologisk perspektiv Kjell Bendiksen, Institutt for energiteknikk Kjernekraftens rolle i global energiforsyning Hovedproblemer Drivkrefter Ny teknologi Mot en renessanse? Olkiluoto 3
Institutt for energiteknikk (IFE) Bredt energiteknologisk FoU-miljø Olje & gass, nye energisystemer, nukleær teknologi og kjernekraftsikkerhet IFE driver Norges to forskningsreaktorer 530 fast ansatte (Kjeller og Halden) Kontraktforskning Omsetning: 550 mill.kr Internasjonalt rettet Omfattende internasjonalt FoU-samarbeid 40% av inntektene fra kunder i 30-40 land Fokus på teknologi spin-offs JEEP II reaktoren på Kjeller Subsea systemer for olje-gass JEEP Halden II Reactor reaktoren Kjeller
Mtoe 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 Globalt energiforbruk 1850-2030 Kjernekraft Fornybar Fossil MtCO 2 40000 35000 30000 25000 20000 4000 15000 2000 Kilde: IEA WEO 2002-4, BP, WEC 10000 0 1850 1900 1950 2000 2030
Globale energi-klimapolitiske realiteter Tre hovedutfordringer som ikke er tilfredsstillende adressert i Kyoto-protokollen: 1 Den enorme kortsiktige veksten i energibehovet i U-landene 2 Nødvendigheten av å stabilisere CO 2 -konsentrasjonen i atmosfæren på et akseptabelt nivå hvis IPCC er i nærheten av sannheten i sine langtids scenarier 3 Som konsekvens; å redusere GHG-utslippene drastisk på få tiår eller stå overfor klimaendringer Løsning: Å utvikle og utplassere nye lavutslipps (LE) teknologier i meget stor skala
Fremtidens energikilder: Fornybare, kjernekraft og CO 2 -håndtering Zaragoza, 25kW Gass- eller kullkraft med CO 2 -håndtering? Kjernekraft Olkiluoto 3
Global status for kjernekraft (2005) 443 reaktorer i drift i 31 land (Ca 2,500TWh/år) Bidrar med 16% av verdens kraftforsyning 33% i EU; 78% i Frankrike, 50+% i Sverige
Verdens elektrisitetsproduksjon etter energikilde TWh 35000 30000 25000 20000 Kull Olje Nye fornybare Kjernekraft Vannkraft Gasskraft 35000 30000 25000 20000 15000 15000 10000 10000 5000 5000 Kilde: IEA WEO 2002 0 0 1971 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2010 2020 2030
Kjernekraftens problemer Sikkerhet risiko for større ulykker Deponering av høyaktivt avfall Fysisk sikring mot terrorisme Misbruk til atomvåpen (safeguards) Økonomi (?) Public acceptance : Nulltoleranse for alvorlige ulykker
Sikker kjernekraft? Graderes på IAEAs INES skala (0-7) Større ulykker (INES 4-7) Windscale (1957) Three Mile Island (1979: 5) Tsjernobyl (1986: 7) Tokai Mura (1999: 4) Militære og andre mindre kjente (Kyshtym, Ural 1959: 6) Internasjonal satsing på å bedre sikkerheten Betydelig driftserfaring (12000 reaktorår) Ny teknologi og sikkerhetsforskning (Halden-prosjektet) Internasjonale tiltak (IAEA, NEA, bilateralt) på beredskap, teknologi, sikkerhetskultur, erfaringsoverføring Men dagens kraftverk er relativt gamle design og dagens teknologi er ikke idiotsikker
Kjernekraftsikkerhet: IFEs Haldenprosjekt Internasjonal sikkerhetsforskning i regi av OECD/NEA To forskningsområder Brensel- og materialteknologi MTO-sikkerhet Vel 100 deltakende bedrifter og organisasjoner fra 17 land Treårige programperioder Budsjett på ca. 340 mill.kr. over 3 år; 70% finansiert internasjonalt
Hva med avfallet? To typer avfall: 1 Lav og mellomaktivt avfall LM avfall utgjør nesten alt (i volum) radioaktivt avfall Deponeres i dag relativt uproblematisk (Himdalen) 2 Høyaktivt langlivet avfall - brukt brensel Sverige: Ca. 5000 tonn (2000) Finland: Ca. 3000 tonn (etter 40 års drift) USA: Ca. 36000 tonn (2000; Ca. 87000 tonn i år 2040) Norge: Vel 15 tonn; ca. 10t i Halden (60 kg/år); 5t på Kjeller (Totalt ca 1,5m3; tilvekst ca 15liter/år) Dagens foretrukne løsning : Deponering i stabile geologiske formasjoner (500-1000m dyp) Public acceptance et problem i de fleste land
Radiotoksitet fra deponert brensel scenarier Relative radiotoxicity Spent fuel (Pu + MA + FP) Natural uranium ore FP MA + FP Source: OECD/ NEA Time (years)
Deponeringskonsept for brukt brensel Kapslingsrør Brukt brensel Bentonitt leire Overflatedelen av dypdeponiet Brenselspellet av urandioksid Kobbersylinder med støpejern insats Krystallinsk grunnfjell Nedre del av dypdeponiet
Sluttlagring av brukt brensel Deponeres i stabile geologiske formasjoner (500-1000m dyp) Internasjonalt akseptert teknisk løsning i dag Skal gi effektiv beskyttelse mot ytre påkjenninger Virker som barriere mot spredning av radioaktive stoffer i grunnvannet Stabiliteten upåvirket av tenkbare forandringer på overflaten - som ny istid Finske myndigheter har valgt slik løsning i Olkiluoto (2020) Svenske myndigheter vurderer tilsvarende løsning (2025) Olkiluoto Deponi
Drivkrefter Komparative klima- og miljøfordeler Meget små klimagassutslipp og radioaktive utslipp ved normal drift Betydelig bedre sikkerhet de senere år Konkurransedyktig kraftpris og økonomi Bedre driftspålitelighet (tilgjengelighet) Lavere produksjonskostnader Lavere brenselskostnader Lav prissensitivitet Lengre levetid Økt energieffektivitet Forsyningssikkerhet Ny teknologi 74 74 75 76 78 79 79 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Midlere global tilgjengelighetsfaktor for kjernekraftverk (%) 79 81 82 83 84 Kilde : IAEA
Elektrisitetspris-sensitivitet for endring i brenselsprisen + 75 % + 5 % Gasspris x 2 Uranpris x 2 Gasskraft Kjernekraft Kilde: NEA
400 Potential Low Emission Technologies GH Gas emissions from electricity generation (gc equivalents/kwh) 300 200 100 Kilde: OECD NEA 0 Lignite Coal Oil Gas Solar pv Hydro Biomass Wind Nuclear
Totalt materialforbruk (hele livssyklusen) Kull (43 %) Lignitt (40 %) Gass CC (57.6 %) Kjernekraft (PWR) PV poly (5 kw) amorph Vind (1 5.5 m/s MW) 4.5 m/s Hydro (3.1 MW) Jern [kg / GWt el ] Kopper [kg / GWt el ] Bauksitt [kg / GWt el ] 2308 2 20 2104 8 19 969 3 15 445 6 27 6708 8153 5405 10659 251 338 66 141 2100 2818 54 110 2430 5 10 Kilde: Marheineke 2002
Ny teknologi Dagens kjernekraftverk relativt gamle design Typisk 2. Generasjonsreaktor design fra 1960-70 tallet Nye 3. Generasjonsreaktorer på markedet nå Basert på 12000 reaktorårs driftserfaring Basert på nye materialer og design som gir mer robust brensel, lavere utslipp, sikrere avfallsdeponering og Betydelig økt sikkerhet og akseptable avfallsløsninger (teknologisk sett) Generation IV (på markedet om 15-20år) Thoriumbaserte reaktorer (på markedet om 20-30år?) Fusjonsreaktorer (på markedet om 30-50år?) IOR 2.4.03
Generations of nuclear power plants Generation I - Early prototype/ demo reactors - Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox Generation II - LWR-PWR, BWR - CANDU - HTGR/AGR - VVER/RBMK Generation III - ABWR, System 80+, AP600, EPR Generation IV - First demo of nuclear power on commercial scale - Close relationship with DOD (PWRs for ships) - LWR dominates - Multiple vendors - Custom designs - Size, costs, licensing times driven up Atoms for Peace TMI-2 Chernobyl - Passive safety features - Standardized designs - Combined license - Highly economical - Proliferation resistant - Enhanced safety - Minimize waste 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Dagens arbeidshest: Trykkvannsreaktoren (PWR) Vest-Europa, Japan, USA, Sør-Korea Pressurized tank Reactor vessel Steam Turbine Generator Condenser Feed water pump Main circulation pump 325 o C 150 bar
Finlands 5. kjernekraftverk (Europeisk 3. Generasjonsreaktor) Type EPWR Leverandør Framatome Turbinleverandør Siemens Termisk output 4300MW Netto el-effekt 1600MW Driftstrykk 154 bar Damptemperatur 290C Brensel 128t UO 2 El virkningsgrad 37% Olkiluoto 3 Kilde: TVO
Thoriumbaserte reaktorer? Billig uran forventes ta slutt om 50 års tid (uten breedere) Påviste thoriumressurser for tusenvis av år Norge har verdens tredje største forekomster (Ca 170,000tonn) Angivelig verdt 1000 ganger oljefondet Ny type Rubbia-reaktor hevdes å kunne løse energi-klima problemene og realisere disse verdiene Accelerator Utfordringer Proton Beam Thorium er ikke spaltbart ( fertilt ) Ny brensesyklus må etableres Thoriumbaserte reaktortyper Konvensjonelle thoriumreaktorer ADS: Norsk prototyp av Rubbias Energy Amplifier? Skal utredes av Forskningsrådet (i løpet av 2007) Spallation Target ADS
Thorium er ikke spaltbart som 235 U, men fertilt (som 238 U): Thorium må altså omformes til 233 U, som er spaltbart: 232 Th + n 233 Th 233 Pa 233 U (160,000 år) 22 min 27 d Analogt med omforming av 238 U til plutonium: 238 U + n 239 U 239 Np 239 Pu (24,000år) 24 min 2,4 d En 233 U brenselsyklus basert på thorium er altså helt analog med en plutoniumsyklus basert på 238 U Thoriumbaserte reaktorer β β
Thoriumbaserte reaktortyper Molten Salt Reactor (MSRE) Homogen reaktor (U og Th) High Temperature Thorium Pebble bed (grafittkuler U og Th) Reactor (HTTR) Light Water Breeder (LWBR) Formeringsreaktor med U og Th BWR, PWR, VVER Standard kraftreaktorer med blanding av U og Th i brenselet Accelerator Driven System (ADS) Underkritisk reaktor med U og Th, akselerator og spallasjon Energy Amplifier (EA) (Samme som ADS; Carlo Rubbias betegnelse) OUTPUT 625 MW e 645 MW e Electrical Energy Converter 20 MW e 1500 MW th Accelerator 10 MW Energy Producing Unit
Thoriumbaserte reaktorer ADS (Rubbias reaktor) har positive egenskaper Er underkritisk (k=0,98) Kjernefysisk sikker (men kan smelte) Den brenner sitt eget (og andres) avfall Kan realisere verdiene av norske thoriumressurser De har alle en rekke alvorlige utfordringer Stort sett fortiet i media Thorium brukes ikke i dag - Det må etableres ny brensesyklus Baseres på en analog Plutonium-syklus Kan produsere U233 til atomvåpen Rubbias konsept er teknisk krevende og ikke verifisert verken vitenskapelig eller teknologisk Har meget lang tidshorisont (30-40år) Kostnadene vil bli betydelige Et eventuelt norsk thoriumprosjekt må baseres på fakta - ikke ønsketenkning
MYRRHA: En europeisk ADS pilot i Belgia (Mol) Transmutering av brukt brensel Driftsklar: Tidligst 2016 Kostnader: Minst 500 M
Fusjon (ITER-prosjektet) Ren kjernekraft i titusener av år 10g D2 (fra 500l sjøvann) og 15g T dekker livsenergiehovet for typisk OECD-person ITER-avtale inngått i juni 2005 Demoreaktor på 500MW i Cadarache (F) Mål: Demonstrere vitenskapelig og teknologisk grunnlag for fusjonskraft Byggekostnader: 5mrd. over 10 år Driftskostnader: 5 mrd. over 20 år Driftstart i 2017 Samarbeid mellom EU, Kina, USA, India, Japan, S-Korea og Russland - ikke Norge Teknologiske utfordringer Produsere mer energi enn den bruker Teste nøkkelteknologier for fusjonskraftverk Økonomisk konkurransedyktig - når? ITER Tokamak Design
Endret holdning til kjernekraft i markedet? Betydelig vekst i Asia (Japan, S-Korea, Taiwan, Kina) Kina planlegger 40 kjernekraftverk de neste 15 år Ambisiøse planer i India; planlegger vekst på faktor 10 til 2020 og basert på Thorium breedere en ny faktor 10 til 230000 MW før 2050 Endringer i USAs policy mht. kjernekraft Forlengede driftslisenser for eksisterende anlegg (til 60 år) Kortere lisensieringstid for nye kraftverk Ny Energilov (Garantier for ikke-kommersielle risiki og subsidier for nye typer kjernekraftverk som for eksisterende vindkraft) Holdningsendring i Europa? EUs nye Greenpaper (2007) nøytralt positivt : Ny EU-policy? England, Tyskland, Nederland revurderer energiforsyningen The Finnish case Stadig flere fremtredende forskere, næringslivsledere og miljøforkjempere går inn for kjernekraft
Stadig flere land revurderer nå kjernekraftens rolle i energiforsyningen - som følge av: At alvoret i klimasituasjonen krever en omlegging av den globale energiforsyning mot energikilder som ikke produserer CO2. Prof. James Lovelock (Gaia 2): Kjernekraftens problemer blir små i forhold til klimautfordringene, og de vil gradvis bli løst, i motsetning til klimaproblemene, som bare vil bli verre En stadig mer usikker og truet energiforsyning i mange land Ny teknologi som vil gi mer robust brensel, lavere utslipp og føre til at sikkerhets- og avfallsproblemene blir løst (teknologisk sett) Forutsetningen er at kjernekraften avdemoniseres At folk flest får tillit til at sikkerheten er god nok og aksepterer bruk av kjernekraft som et alternativ til økte klimagassutslipp At kjernekraften vurderes mer nøkternt og sammenholdes mot andre energikilder mht. sikkerhet, miljø- og klimakonsekvenser Men det er fortsatt nulltoleranse for alvorlige ulykker Får kjernekraften en renessanse?