IFE-akademiet 8. mars 2017

IFE-akademiet 8. mars 2017 Haldenreaktorens rolle i utikling a nye og ulykkessikre brenselstyper, 4. generasjons reaktorer og små modulære reaktorer Forskningsleder Helge Thoresen

IFE-akademiet 8. mars emner : Bakgrunn Kjernekraft i dag Kjernekraft i fremtiden Reaktorgenerasjoner 1. og 2. generasjons reaktorer 3. generasjons reaktorer og utfordringer Ulykkessikre brenselstyper for 3. generasjons reaktorer Nye typer materialer Haldenreaktorens rolle 4. Generasjons reaktorer Horfor? Konsepter Haldenreaktorens rolle Små modulære reaktorer Horfor? Konsepter Haldenreaktorens rolle 09.03.2017 2

Kjernekraft globalt situasjonen i dag Ca. 440 kraftproduserende reaktorer og ca. 60 nye reaktorer under bygging 09.03.2017 3

Kjernekraft globalt situasjonen fremoer Kjernekraft forentes å bidra med en betydelig andel a den globale kraftproduksjonen i 2050 his den globale temperaturøkningen skal begrenses til maksimalt 2 grader (ref. COP21 Agreement) 09.03.2017 4

Situasjonen i Frankrike Ca. 75 % a elektrisitetsproduksjonen kommer fra kjernekraft Europeisk gjennomsnittlig mengde CO2 pr. kwh er ca. 330 gram Uten den Franske kjernekraften ille den europeiske gjennomsnittlige mengden CO2 pr. kwh ært ca. 415 gram His man ser på Frankrike isolert sett er mengden CO2 pr. kwh kun ca. 15 gram WHO estimerer at kjernekraften i Frankrike har spart ca. 300 000 for tidlige dødsfall grunnet lunge og lufteissykdommer Den nye kjernekraftreaktoren som bygges i Flamanille koster 10 milliarder Euro (6,5 milliarder mer enn budsjettet) 09.03.2017 5 Kilder.: IEA, WHO og EDF

Naturlige spørsmål å stille «Horfor kan man ikke bare satse på fornybare energikilder slik som solog indkraft?» «Horfor skal industrien absolutt produsere hele døgnet?» I Europa går ca. 35 % a elektrisk kraft til industrien (ca. 25 % til husholdninger og 30 % til ørig næringsli og offentlig irksomhet) Industrien (og store deler a næringsliet, offentlig irksomhet og husholdninger) er ahengig a pålitelige og forutsigbare kraftleeranser i form a elektrisk strøm 24 timer i døgnet (og ofte 7 dager pr. uke) Industrien er ahengig a kontinuitet i alle prosesser (kjemiske og andre prosesser) for å sikre god kalitet idere tar opp- og nedkjøringer lang tid (normalt flere døgn) Batterier har begrenset lagringskapasitet (sett fra et industrielt ståsted) og det il således ikke ære mulig å lade opp batterier på dagtid for bruk om natten Kapitalkostnadsandelen a industriprodukter il bli esentlig høyere uten kontinuerlig drift (mange matarer er også industriprodukter) Estimater (riktignok med stor sprik) heder at industriprodukter il bli fra 2 til 5 ganger dyrere his industrien skal opereres kun på dagtid 09.03.2017 6

Fremtidens kjernekraftreaktorer Fremtidens kraftproduserende reaktorer il bli en blanding a aanserte 3. generasjonsreaktorer, 4. generasjonsreaktorer og små modulære reaktorer 09.03.2017 7

IFE-akademiet 8. mars emner : Bakgrunn Kjernekraft i dag Kjernekraft i fremtiden Reaktorgenerasjoner 1. og 2. generasjons reaktorer 3. generasjons reaktorer og utfordringer Ulykkessikre brenselstyper for 3. generasjons reaktorer Nye typer materialer Haldenreaktorens rolle 4. generasjons reaktorer Horfor? Konsepter Haldenreaktorens rolle Små modulære reaktorer Horfor? Konsepter Haldenreaktorens rolle 09.03.2017 8

Reaktorgenerasjoner prinsipp Varme produseres fra den kjernefysiske reaksjonen armen genererer anndamp på høyt trykk og med høy temperatur anndampen ekspanderer og drier turbiner som igjen drier elektriske generatorer (denne prosessen kalles «Rankine-prosessen») 09.03.2017 9

Reaktorgenerasjoner fra 1. til 4. generasjon Dagens eksisterende reaktorer er i hoedsak 3. generasjonsreaktorer De nye reaktorene som bygges nå er i hoedsak 3.generasjon-pluss-reaktorer Reaktorene har økt betydelig i størrelse fra 1. generasjon til 3. generasjon 4. generasjonsreaktorene er teknisk sett ganske forskjellig fra 3. generasjonsreaktorene 09.03.2017 10

Naturlige spørsmål å stille (1) «Horfor må krafterkene opereres på så høye temperaturer og med så høye trykk?» Den maksimalt oppnåelige irkningsgraden til enher armekraftmaskin er gitt a Carnot-irkningsgraden : Alle temperaturer i Kelin For en typisk 3. generasjonsreaktor : TH = 325 ºC / 600 K (utløpstemperaturen på dampen fra sele reaktoren) TL = 15 ºC / 300 K (omgielsestemperaturen / kjøleannstemperaturen) η-carnot = 0,5 (den maksimalt oppnåelige irkningsgraden - uten tap) Hordan kan i øke irkningsgraden til et krafterk (en armekraftmaskin)? 09.03.2017 11

Naturlige spørsmål å stille (2) «Horfor er det nødendig å bygge reaktorene så store?» Isbjørneffekten «Big is beautiful» En isbjørn må produserer en iss mengde arme for å holde riktig kroppstemperatur Mengden arme som det er mulig å produsere er ahengig a isbjørnens kroppsmasse / olum Isbjørnen mister arme gjennom oerflaten (pelsen ) En dobbelt så stor isbjørn kan produserer ca. 8 ganger mer arme (ekten / olumet er ca. 8 ganger større) Oerflaten (pelsen ) er kun ca. 4 ganger større (armetapet til omgielsene øker dermed kun med en faktor 4) En dobbelt så stor isbjørn taper dermed relatit sett kun halparten så mye arme Det samme gjelder armekraftmaskiner 09.03.2017 12

Utfordringer med 3. generasjonsreaktorer Bildet iser Fukushima Daiichi krafterket i Japan etter ulykken i 2011 hor reaktorene mistet kjølingen som følge a et jordskjel med etterfølgende tsunami Kjøling a reaktorkjernen / brenselet etter en et. sikt i primærkjølesystemet Høye trykk og høye temperaturer samt restarme («decay-heat») Kapslingsrørene som benyttes til brenselet er laget a zirkonium et metall som er meget korrosjonsbestandig ed normale operasjonstemperaturer i et kjernekrafterk, men som oksiderer (korroderer) eksotermt ed høye temperaturer I kontakt med ann / anndamp il den eksoterme oksideringen på høy temperatur frigi hydrogengass som er eksplosi 09.03.2017 13

Løsningen på problemene For 3. generasjons reaktorene (den reaktortypen som benyttes i dag) : Erstatt zirkonium i kapslingsrørene med et annet materiale som oksiderer mindre på høye temperaturer og dermed ikke frigjør hydrogen i kontakt med ann / anndamp (zirkonium absorberer for ørig nesten ikke nøytroner og er dermed det foretrukne materialet sett med hensyn på «nøytronøkonomi») Ulykkessikre brenselstyper / «Accident Tolerant Fuel» For 4. generasjons reaktorene (den fremtidige reaktortypen) : Trykkløse primærkjølesystemer Ikke ann / anndamp i kontakt med brenselet i reaktorkjernen Erstatt zirkonium i kapslingsrørene med et annet materiale Andre typer reaktorbrensel Passie sikkerhetssystemer Haldenreaktoren er sentral i utiklingen a ulykkessikre brenselstyper for 3. generasjonsreaktorer og i utikling / kalifisering a enkelte a 4. generasjonsreaktorene! 09.03.2017 14

Ulykkessikre brenselstyper Zirkonium i kapslingsrørene (og ørige komponenter) ønskes erstattet a et materiale med esentlig bedre korrosjonsegenskaper på høy temperatur (slik at hydrogen ikke frigjøres) Kandidatmaterialer : Zirkonium med forskjellige oerflatebehandlinger (belegg a andre metaller eller keramiske materialer) Rustfrie stål (med forskjellige oerflatebehandlinger) «FeCrAl» - en legering a jern-krom-aluminium Molybdenlegeringer Silisiumkarbid (et 100% keramisk materiale) For å kompensere for øket nøytronabsorpsjon Uranbrensel med høyere tetthet enn UO2 09.03.2017 16

Naturlige spørsmål å stille «Høres enkelt ut - horfor gjør man ikke bare det da?» En kreende prosess som består a flere trinn (forenklet nedenfor) : Teoretiske studier / modellering Testing a materialer i oner / autoklaer (med riktig trykk og temperatur etc.) Etterundersøkelser Testing a små materialprøer i en testreaktor (ofte en enklere testreaktor enn Haldenreaktoren) Etterundersøkelser Testing a komplette brenselsstaer i en testreaktor (f.eks. Haldenreaktoren) Etterundersøkelser «Lead-Test-Assembly» i en kraftproduserende reaktor Etterundersøkelser Delis / full implementering i en kraftproduserende reaktor Tilsynsmyndighetene er meget konseratie ting tar lang tid 09.03.2017 17

Testing i Haldenreaktoren Testrigger med forskjellige typer kjernebrensel og kapslingsmaterialer kan testes i betingelser som er like, eller mer kreende enn i en normal kraftproduserende reaktor Testriggene inneholder en mengde meget nøyaktige instrumenter som har blitt utiklet og som lages a IFE i Halden Testene pågår normalt i fra 1 til 5 år (ahengig a type test) Tester med nye materialer foregår i separate og nøye oeråkede systemer (loopsystemer) i Haldenreaktoren uentede situasjoner identifiseres tidlig uten å påirke andre tester eller reaktoren sel Outlet turbine Outlet thermocouples Fuel thermocouple Fuel extensometer Shroud Neutron detectors Fuel rod Expansion thermometer Pressure transducer Inlet thermocouples Inlet turbine Calibration ale 09.03.2017 18

Ha er det i måler og undersøker? Kontinuerlig drift : Korrosjon på inn- og utsiden a kapslingsrørene Hydrogenopptak i kapslingsrørene Dimensjonsforandringer a brensel og kapslingsrør Endringer a materialstruktur i brenselet Frigjøring a fisjonsgasser fra brenselet Interaksjoner mellom brensel og kapslingsrør Etc. etc. 09.03.2017 19

Ha er det i måler og undersøker? Transient drift : Oppsprekking a kapslingsrør og brensel Dimensjonsforandringer a brensel og kapslingsrør Varmeoerføring fra brensel til kjøleannet på utsiden Interaksjoner mellom brensel og kapslingsrør Frigjøring a fisjonsgasser fra brenselet Etc. etc. 09.03.2017 20

Ulykkessikre brensel er de irkelig bedre? Tester kan gjøres på normale operasjonsbetingelser, kreende operasjonsbetingelser, eller på ekstreme betingelser (som for eksempel når kjølingen opphører - slik som under hendelsen i Fukushima Daiichi) De mest kreende a disse testene kan pr. i dag kun utføres i Haldenreaktoren Saret på om de ulykkessikre brenselstypene er bedre enn de eksisterende og egnet for bruk i kraftproduserende reaktorer baseres på tester i testreaktorer med påfølgende etterundersøkelser Flere tester med ulykkessikre brensel klargjøres nå for testing i Haldenreaktoren 09.03.2017 21

4. Generasjons reaktorer horfor? Trykkløse primærkjølesystemer (benytter gasser, smeltede metaller eller smeltede salter som kjølemidler) Ikke ann / anndamp i kontakt med brenselet i reaktorkjernen Erstatte zirkonium i kapslingsrørene med et annet materiale (enkelte konsepter benytter ikke kapslingsrør i det hele tatt) Høyere temperatur : Høyere irkningsgrad (reell irkningsgrad høyere enn 50 %) Høytemperatur prosessarme (åpner for en rekke innoatie industrielle prosesser) Andre typer reaktorbrensel (plutonium, thorium og i en iss grad radioaktit afall fra andre reaktorer) Lukket brenselssyklus i stedet for «once through» «Breeding» Passie sikkerhetssystemer 09.03.2017 23

4. Generasjons reaktorer oersikt 09.03.2017 24

«Breeding» - ha er det? «Breeder»-reaktorene genererer i stor grad sitt eget brensel! 09.03.2017 25

Haldenreaktorens rolle i utikling a 4. generasjons reaktorer Energy Multiplier Module Reactor - høytemperatur 4. generasjons gassreaktor (Braytonprosess) med «breeding» og 25 til 30 års interall mellom brenselsbytter 09.03.2017 26 Den første testen a brensel for 4. generasjons reaktorer forberedes nå og il bli gjennomført i Haldenreaktoren i 2017 / 2018 Brenselets oppførsel på høy temperatur il bli studert i en egen testrigg Resultatene fra denne testen i Haldenreaktoren il ære helt sentrale i det detaljerte designet a brenselet for denne reaktortypen

Ha il 4. generasjonsreaktorer kunne bety for det globale klimaet? De il produsere kontinuerlig elektrisk kraft uten utslipp a klimagasser (slik som andre kjernekrafterk) til en forutsigbar pris I tillegg il de kunne leere høytemperatur (950 til 1000 ºC) prosessarme for bruk i innoatie industrielle prosesser slik som : Direkte produksjon a hydrogen (hydrogen er en klimagassnøytral energibærer) for fremtidens hybride kraftnett «Gas-to-liquid» - konertering a naturgass til flytende dristoff (tilsarende prosessen som i dag benyttes for å lage syntetiske smøreoljer). Dette resulterer i meget rene dristoff som kan benyttes i bensin- og dieselkjøretøy Produksjon a jern / stål ia en saltsmelteprosess ( Electrodeposition of Iron from Molten Mixed Chloride/Fluoride Electrolytes ) Verdensbanken (World Bank) estimerer at ca. 150 milliarder kubikkmeter med naturgass slippes ut til atmosfæren hert år dette tilsarer ca. 30 % a EU s forbruk a gass Intergoernmental Panel on Climate Change estimerer at ca. 7 % a erdens klimagassutslipp kommer fra produksjon a jern og stål 09.03.2017 27

Små modulære reaktorer horfor? 09.03.2017 29

Ford Nucleon Som ist på Seattle World's Fair 20. april 1962 Text 09.03.2017 30

Boeing NB-36H Boeing NB-36H benyttet to små saltsmeltereaktorer for å drie to a flyets jetmotorer En rekke testflygninger ble foretatt på slutten a 1950-tallet Det er altså mulig å lage små og modulære kjernekraftreaktorer 09.03.2017 31

Små modulære reaktorer - eksempel 09.03.2017 32

Små modulære reaktorer - anendelse Bygges for å leere elektrisk kraft og / eller prosessarme i fjerntliggende områder (typisk størrelse på reaktorene fra 10 100 MW) De mindre reaktorene er tiltenkt å erstatte større dieselaggregater som lokalt er en betydelig forurensningskilde i forbindelse med grueindustri og / eller metallurgisk industri (dette kompenserer for den relatit lae totale irkningsgraden slike reaktorer har) Vil også ære ideelle for asalting a haann De små modulære reaktorer il bli basert på prinsippene til 3. eller 4. generasjonsreaktorene Vannbaserte reaktorer, gass-reaktorer eller saltsmeltereaktorer ser ut til å ære de konseptene som er nærmest en realisering nå Vil ha en leetid (uten bytte a brensel) på ca. 20 år (gjelder reaktorene med «breeding») De små modulære reaktorene il bli bygget i moduler på en fabrikk og il bli fraktet til stedet der de skal benyttes og deretter bli montert Etter endt bruk il reaktorene bli demontert (i moduler) og il bli returnert til produsenten 09.03.2017 33

Haldenreaktorens rolle i utikling a små modulære reaktorer Den første testen a brensel for en a aktørene som utikler små modulære reaktorer forberedes nå og il trolig starte i Haldenreaktoren i 2018 Brenselets oppførsel i normale driftsbetingelser og i en ulykkessituasjon il bli studert i en egen testrigg (med instrumenter for å oeråke / måle iktige egenskaper hos brenselet) Bestrålingen i Haldenreaktoren il are ca. 5 til 6 år Resultatene fra denne testen il ære sentrale i utiklingen a brenselet for denne spesifikke reaktortypen IFE er også i kontakt med andre aktører som ønsker å utikle små modulære reaktorer 09.03.2017 34

Takk for oppmerksomheten! 09.03.2017 35