Kjernekraft - Status og fremtid Er Thorium løsningen?

Kjernekraft - Status og fremtid Er Thorium løsningen? Fredag 26. oktober 2007 NEF - Landsmøte, Oslo Thomas Elisenberg, Driftssjef Haldenreaktoren 22.10.07 www.ife.no 1

Institutt for energiteknikk OECD Halden Reactor Project Thomas Elisenberg www.ife.no 2

Kjernekraftens rolle i dag Innhold Kjernekraftens fremtidige rolle Thorium Thomas Elisenberg www.ife.no 3

Kjernekraftens rolle i dag Elektrisk energi fra et kjernekraftanlegg: 500-1600 MWe Antall kjernekraftverk i drift (globalt): 435 stk. i 31 land Samlet installert effekt 367 000 MWe (2600TWh) Totalt elektrisk kraftproduksjon dekket av kjernekraft: Verdensbasis: 16 % (Kull 39%,Gass 18%,Vann 17%,Olje 8%, Fornybar 2%) OECD : 23 % (352 reaktorer) EU : 33 % (163 reaktorer) Europa : 50 % (205 reaktorer) (Inkl. Russland) Thomas Elisenberg www.ife.no 4

Verdenkart over kjernekraftanlegg Thomas Elisenberg www.ife.no 5

Kjernekraftanlegg i enkelte land USA 103 stk (20 %) Frankrike 59 stk (78 %) Japan 55 stk (29 %) Russland 31 stk (16 %) Tyskland 17 stk (31 %) Sverige 10 stk (45 %) Spania 8 stk (20 %) Finland 4 stk (33 %) Thomas Elisenberg www.ife.no 6

Antall reaktorer under bygging India Russland Kina Ukraina Bulgaria Taiwan Argentina Finland Frankrike Iran Japan Korea Pakistan Romania Totalt 32 stk. - 7 3112 MWe - 7 4595 MWe - 4 3610 MWe - 2 1900 MWe - 2 1906 MWe - 2 2600 MWe - 1 692 MWe - 1 1600 MWe - 1 1600 MWe - 1 915 MWe - 1 866 MWe - 1 960 MWe - 1 300 MWe - 1 655 MWe - 25311 MWe Thomas Elisenberg www.ife.no 7

Kjernekraftens fremtidige rolle 3. generasjon reaktorer 4. generasjon reaktorer Verdens uranressurser Thomas Elisenberg www.ife.no 8

Reaktortype - 3. generasjon European Pressurized Water Reactor (EPR) Finlands 5. kjernekraftverk Olkiluoto 3 Type EPR Leverandør Framatome Turbinleverandør Siemens Termisk output 4300MW Netto el-effekt 1600MW Årsproduksjon 13 TWh Driftstrykk 154 bar Damptemperatur 290C Brensel 128t UO 2 El virkningsgrad 37% Investering 3 mrd euro Planlagt ferdig 2010 Produserer 30% mindre radioaktivt avfall enn en PWR 16 dager for refuelling mot 59 dager i dag for PWR Konstruert for 100% MOX i reaktorkjernen Dobbeltvegget reaktorinneslutning Kan motstå styrt av store passasjerfly Driftstid : 60 år Thomas Elisenberg www.ife.no 9

4. generasjon reaktorer Thomas Elisenberg www.ife.no 10

GEN IV NUCLEAR ENERGY SYSTEMS Type Kjølemedie Temp. o C High Temp. Gas cooled Reactor (HTGR) Helium 1000 Thorium som brensel er her en god kandidat Gas-Cooled Fast Reactor (GFR) Helium 850 Supercritical Water-cooled Reactor (SCWR) Vann 510-550 Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) Sodium 550 Lead-alloy Fast Reactor (LFR) Bly-Bismut 550-800 Molten Salt Reactor (MSR) Fluorid salt 700-800 Thomas Elisenberg www.ife.no 11

Verdens uranressurser Betydelig ressursgrunnlag: Ca 14.4 MT (ca. 4,0 MT påviste) Forbruk: Ca 0.06-0.07 MT/år Sekundære ressurser Våpen-uran og -plutonium Ressursene har ingen alternativ anvendelse Påviste konvensjonelle ressurser for ca. 50-100 år Ukonvensjonelle ressurser Sjøvann ~ 4000 MT Konklusjon: Ressurstilgangen er ikke et reelt problem Verdens kjente uranreserver som kan utnyttes til rimelige kostnader Mengde uran som trengs pr. år for å dekke årlig el-behovet til en familie på 4. Thomas Elisenberg www.ife.no 12

Thomas Elisenberg www.ife.no 13 Thorium

Thorium Det er 3-4 ganger så mye thorium vs uran i verden Utvinningskostnadene er som for uran Det er økt fokus på å utnytte energipotensialet til thorium, først og fremst i India, men også i Canada, Frankrike og Japan 232 Th er ikke fissil (spaltbar) som 235 U, men fertil (nøytroninnfangning) Norge har store forekomster av thorium Forekomster (tonn) : Australia 300.000 India 290.000 Norge 170.000 USA 160.000 Canada 100.000 Sør-Afrika 35.000 Brasil 16.000 Andre land 95.000 Thomas Elisenberg www.ife.no 14

Vi skal se på Prinsippet: Uran - kjedereaksjon Thorium - konvertering Thorium: Konsepter under utvikling Utfordringene for dagens Uranbaserte energiindustri - kan Thorium være løsningen? Thomas Elisenberg www.ife.no 15

Tradisjonell kjernekraft spalter Uran-235 i en kjedereaksjon Energi og nøytroner blir frigjort i hver spalting U-235 U-235 U-235 n Reaksjonen må kontrolleres! Plutonium er et viktig biprodukt Thomas Elisenberg www.ife.no 16

Thorium må først omdannes til Uran-233 Th-232 Th-233 Pa-233 U-233 T1/2=22 min T1/2=27 d n Underskudd av nøytroner - må få tilført ekstra! Thomas Elisenberg www.ife.no 17

Thorium: Det ses på to utviklingsveier Reaktorer med ekstra nøytroner fra fisjon av Uran/Plutonium: Thorium for dagens reaktorteknologi (2. og 3. gen.) Fremtidige konsepter på tegnebrettet (4. gen.) Reaktor med ekstra nøytroner fra akselerator: Også kjent som Energy Amplifier (EA), Accelerator Driven System (ADS) eller Rubbia-reaktor Thomas Elisenberg www.ife.no 18

Thorium for dagens reaktorer India, Thorium Power (USA) og Thor Energi AS (Norge) planlegger brensel basert på thorium for bruk i eksisterende reaktorer. Nøytroner fra fisjon av Uran-235 eller Plutonium Blandes direkte Adskilte staver CONNECTING PLUG TOP TIE PLATE DYSPROSIUM CAPSULE CENTRAL ROD (Th - U 233 ) O PIN 2 (Th - Pu) ) O PIN 2 FUEL PINS (54 Nos.) Teknologisk sett enkel og rimelig utvikling Energiproduksjon realistisk innen 15-20 år SPACER BOTTOM TIE PLATE Thomas Elisenberg www.ife.no 19

Thorium og Uran i fremtidig konsept High Temperature Gas cooled Reactor (HTGR) Høy energiutnyttelsesgrad Kan bruke kun Uranbrensel, men Thorium-Uran brensel er trolig mer kostnadseffektivt HTGR ble utprøvd i Tyskland på 80 tallet Er ett av flere alternativ for Generasjon 4 Internasjonalt samarbeid mot 2040 Thomas Elisenberg www.ife.no 20

Akseleratordrevet thoriumreaktor Thoriumreaktor styrt av eksterne nøytroner 1. Akselerator bombarderer bly med protoner 2. Protonene løsriver nøytroner fra blykjernene 3. Nøytronene omdanner Thorium til Uran-233 Energifaktor: 120 (1500/12.5) Flytende bly som både nøytronkilde og kjølemedium Pilotanlegg etter 15-20 år Produksjon etter 30-50 år Thomas Elisenberg www.ife.no 21

Kjernekraftindustriens utfordringer - kan Thorium være løsningen? Langtidsdeponering av brenselavfall Potensial for alvorlige uhell Spredning av atomvåpen Thomas Elisenberg www.ife.no 22

Thoriumreaktor gir mindre avfall for langvarig deponering To kategorier avfallsprodukter i brenselet etter bruk: 1. Fisjonsprodukter - Sluttproduktene etter kjernespaltinger Thorium og Uran gir svært lik fordeling av fisjonsprodukter 2. Aktinider - Innfangning av nøytroner Uran gir betydelig mer transuraner enn Thorium Thomas Elisenberg www.ife.no 23

Potensial for alvorlige uhell - aktuelt også for Thoriumreaktorer 1. Superkritikalitet (Tsjernobyl) Thorium-Uran reaktorer kan løpe løpsk ADS kan i prinsippet ikke løpe løpsk 2. Tap av kjøling Tap av kjøling er et like aktuelt scenario for thoriumreaktorer Thomas Elisenberg www.ife.no 24

Det er fullt mulig å lage atomvåpen med thoriumreaktor Thoriumreaktor gir kompetanse og Uran-233 Uran-233: Egnet til kanon bombe - den enkleste Tekniske vanskeligheter er overkommelige: Uran-232 Håndtering og holdbarhet Akseleratordrevet thoriumreaktor (ADS) Kan produsere Plutonium ved å bytte Thorium med naturlig Uran! Enklere å lage atomvåpen med Uran-235 Uran-233: Krever Thoriumreaktor og reprosessering Uran-235: Krever bare anrikning Thomas Elisenberg www.ife.no 25

Konklusjon: Thorium er trolig ingen erstatning for Uran de neste 50 år Tung energiindustri bygget opp rundt Uran Rimelig uran tilgjengelig for de neste 80-100 år Utvikling av thoriumreaktorer krever et teknologisk og økonomisk løft Thomas Elisenberg www.ife.no 26

men reaktorer basert på både Thorium og Uran vil komme Thorium kan bli en strategisk viktig energiressurs for land som India og Norge Energiuavhengighet Inntekter fra ny energiindustri Thorium kan bli konkurransedyktig Mer krevende for å lage atomvåpen Kortere deponeringstid for ubehandlet avfall India har insentiv og marked for å etablere teknologien Takk for oppmerksomheten! Thomas Elisenberg www.ife.no 27

Produsert elektrisitet fra kjernekraft Brazil The Netherlands Mexico South Africa Argentine Russia Canada Czech Republic USA UK Finland Taiwan Germany Spain Japan South Korea Armenia Slovenia Hungary Bulgaria Ukraine Slovakia Switzerland Sweden Belgium France Lithuania Halden Project Members Non-members 0 20 40 60 80 100 Percent of Electricit y Production Thomas Elisenberg www.ife.no 28

Reaktortyper - 2. generasjon Vannmodererte og kjølte reaktorer PWR Pressurised Water Reactor (48%) BWR Boiling Water Reactor (20%) CANDU Canadian Deuterium Uranium Reactor VVER Russisk PWR reaktortype Grafittmodererte og gass-/vannkjølte reaktorer AGR Advanced Gas Cooled Reactor (UK) LWGR Light Water Graphite Reactor (RBMK Russisk) Thomas Elisenberg www.ife.no 29

PWR Pressurized Water Reactor Vest-Europa, Japan, USA, Sør-Korea 48% Pressurized tank Reactor vessel Steam Turbine Generator Condenser Feed water pump Main circulation pump 325 o C 150 bar Thomas Elisenberg www.ife.no 30

BWR Boiling Water Reactor Vest-Europa, Japan, USA, India 20% Generator Turbine vessel Cooling water pump Condenser Main circulation pump Feed water pump 295 o C 80 bar Thomas Elisenberg www.ife.no 31

Forlenget driftstid 2. generasjon Dagens driftslisens : 40 år I flere land søker kraftselskapene myndigheter om 50% forlenget driftstid, dvs. til 60 år USA har kommet lengst 46 reaktorer har fått fornyet driftslisens til 60 år. NRC anslår at de fleste av dagens anlegg vil søke om forlenget driftsperiode da dette er mer fordelaktig enn å bygge nytt, siden anleggene stort sett er nedbetalt, og de kan drives sikkert i minst 60 år Thomas Elisenberg www.ife.no 32

Behandling av brukt reaktorbrensel Deponering Dypdeponering der brenslet lagres tørt i overskuelig fremtid Kanada, Finland, Sverige og USA har besluttet å deponere det brukte brenselet. Internasjonalt akseptert teknisk løsning at deponering kan skje i stabile geologiske formasjoner 500-1000 m under terrengoverflaten. Effektiv beskyttelse mot ytre påkjenninger Tekniske barrierer mot spredning av radioaktive stoffer i grunnvannet Stabiliteten vil være upåvirket av tenkbare forandringer på overflaten, som f. eks. en ny istid Lagringstid : 10.000 100.000 år Finske myndigheter har godkjent en slik løsning Skal bygges i Olkiluoto og være klar i 2020 Svenske myndigheter vurderer det samme Beslutning skal tas i 2010, med drift rundt 2025 Thomas Elisenberg www.ife.no 33

Konsept Kapslingsrør Brukt brensel Bentonitt leire Overflatedelen av dypdeponiet Brenselsbrikett av urandioksid Kobberkapsel med støpejern innsats Krystallinsk grunnfjell Nedre del av dypdeponiet. Deponeringtunneler Thomas Elisenberg www.ife.no 34

India: Eget program for kjernekraft Tre utviklingstrinn; fra Uran til Thorium Uran Thorium Thorium Plutonium Uran-233 Uran-233 Trinn 1: Tradisjonelle reaktorer produserer Plutonium for trinn 2 Trinn 2: Formeringsreaktorer basert på Plutonium. Thorium omdannes til U 233 for trinn 3 Trinn 3: Reaktorer drevet av U 233 omdanner Thorium i bærekraftig syklus Thomas Elisenberg www.ife.no 35

Utviklingstrekk i Europa Finland og Frankrike satser på ny kjernekraft Frankrike 1 EPR (1600 MWe) bygges i Flamanville fra 2007 med oppstart år 2012 Ytterligere 30 stk EPR fram til år 2040 Belgia, Sverige, Tyskland har vedtatt å avvikle Tyskland skal fase ut sine rektorer fram mot år 2020. Sverige oppgraderer sine reaktorer fram mot år 2011 med en høyere effekt enn Barsebäck Enkelte land har utelukket å drive egne kjernekraftverk (Østerrike, Italia, Danmark, Irland), men ingen land har utelukket å bruke kjernekraft i egen kraftforsyning I Norge og Danmark dekkes deler av kraftunderskuddet ved import av finsk, russisk og svensk kjernekraft I Italia og Østerrike dekkes deler av kraftunderskuddet ved import av fransk, sveitsisk, tsjekkisk og tysk kjernekraft Thomas Elisenberg www.ife.no 36

Utviklingstrekk i Asia Betydelig vekst i Asia Japan, Sør-Korea, Taiwan, Kina, og India Japan En PWR klar 2009. En ABWR klar 2011. 11 reaktorer fram mot 2017 Kina 30 PWR reaktorer de neste 15 år. 8 stk byggestart 2005-2006. Øke fra dagens 6,6GWe til ca 40GWe fram mot 2020. Økning på 26MWe pr år. Økning av el.prod. Fra 2,3% i 2004 til 4% i 2020. India Status: Lav andel på ca 3% kjernekraft av elproduksjonen, 15 reaktorer 2993 MWe (8 reaktorer under bygging) Planlagt vekst på LWR med 20.000 MWe innen 2020, og 50.000 MWe innen 2050 Basert på hurtige Thorium-breedere til ca 230.000 MWe innen 2050 Thomas Elisenberg www.ife.no 37

Finlands 5. kjernekraftverk - Olkiluoto 3 Takk for oppmerksomheten! Thomas Elisenberg www.ife.no 38