Kategori: Kärnenergi

Kategorier
Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – talar tiden mot den?

Med målet att uppnå ett noll utsläppsmål för växthus gaser innan 2050, har en utbyggnad av kärnenergi sett som en möjlighet och något som ske. Här talar man då om en tre-dubbling (3x) av världen samlade kärnenergi kapacitet.
Frågan är om detta är möjligt. Det finns idag ungefär 440 kärnenergi reaktorer i drift, som står för cirka 9% av el-produktionen globalt. I dag är det Kina som bygger flest nya reaktorer och snabbast, medan Ryssland är den största exportören av reaktorer. I USA och Europa byggs få reaktorer och dessa karaktäriseras av förseningar och ökade kostnader.

En lösning som lyfts fram är små modulära reaktorer (SMR) som kan produceras med en löpande-band princip och därigenom få ner kostnaderna. Dessa kommer då produceras på ett fåtal platser och transporteras till uppkopplingspunkterna till el-nätet.

Det man inte får glömma i dagen situation med krig är att kärnenergi rektorer är möjliga mål, både för terrorister och fientliga makter. Även om det inte förekommit direkta attacker på reaktorerna i Zaporizhzhya har omgivande infrastruktur varit ett mål.

I diskussionen om kärnenergi handlar debatten mycket om att det skall byggas och att det finns både plats och finansiella resurser. Men, det som inte lyfts fram är det fakum att det behövs utbildad personal för att bygga och operera kärnenergiverk! Speciellt i de länder som inte har teknologin på ett praktiskt plan, forskningsreaktorer är inte samma som en kommersiell reaktor. I tillägg tillkommer personer inom statliga övervakningsmyndigheter och personer som skall utarbeta lagar och förordningar. Dessa måste även utbildas och undervisningspersoner måste finnas. Det är en hel ny industri som skall skapas och troligen flera tusen som skall utbildas.

Det är frågor som måste besvaras och inte minst måste en utbildningsstrategi tas fram i god tid, då det tar minst 5 år att utbilda en första kull (på hur många? 30? 100?).

Men även när det gäller SMR finns det frågor. I dag är SMRs «Vaporware» de existerar inte. Det finns många designer men ingen i drift. Det finns två ryska som har stora problem och relativt dåligt drifttid (<40% av tiden).
Här finns också en del påståenden som inte validerats, att de skulle vara mer ekonomiska, något som historien inte bekräftar där ju större en kraftverk är desto mer ekonomiskt när det gäller produktionen av el. Att NuScale gick i konkurs visar på att det finns problem.

Även om kärnenergi har en stor potential är den stora frågan mer av ekonomisk och resursmässing karaktär. Vi vet hur vi kan hantera och bränna högaktivt avfall både i teorin och med små mängder, men det kommer med en kostnad. I tillägg är nuvarande komersiell teknologi baserad på uran, en resurs som är begränsad och dyr att utvinna i de låga koncentrationer som finns i många möjliga resurser. Det kommer kosta mer energi än man kan få ut. Thorium är ett alternativ men kräver uran eller plutonium för att fungera fram till processen kan nå en break-even och bli själv-försörjande genom transmutation eller tills vi kan producera fissila kärnor från thorium med acceleratorer i stor mängd till låg kostnad.

Det som behövs är en helt öppen debatt och en ordentlig genomgång av förutsättningarna. Tyvärr prägas debatten alltför ofta av ofullständiga argument och försök att «äga» debatten och bestämma vad som är rätt. Av rapporter och debatt som jag sett, finner jag allför ofta att man inte tar med alla aspekter utan bara de som passar sin egen agenda. Det har blivit för polariserat.

Tiden är på väg att rinna ut både för kärnenergi och för att nå 1.5 graders målet….

Kategorier
Fysik Kärnenergi

Kärnenergi – Uran – Gruvdrift

När man talar om kärnenergi och då fission måste man komma ihåg att det finns ett fåtal fissila atomkärnor (sådan som kan splittras och brukas i en reaktor). Den som brukas mest är Uran-235 som finns naturligt, Plutonium-239 som produceras av Uran-238 genom neutron infångning, Uran-233 som kan produceras från Thorium-232 via neutron infångning. Detta betyder att vi bara har en naturlig isotop som kan brukas direkt som bränsle i kärnreaktorer.

Uran-235 förekommer naturligt i uranfyndigheter och då det finns mer uran i jordskorpan än både silver och guld borde det vara enkelt att få tag på. Men det är som med alla grundämnen en sanning med modifikation. Det kan finnas mycket men det måste vara brytbart, dvs kostnaden för utvinning får inte vara för stor. Men detta gäller om man bryter med uran som huvudprodukt, ofta är uran en biprodukt vilket gör utvinningen billigare. Dock är detta något som måste tas i beaktande för kostnaden.

Om vi ser på produktionen av uran så ligger den på ca: 50 000 ton per år idag, något som täcker behovet. Det man skall komma ihåg är att naturligt uran innehåller ca: 0.72% Uran-235 medan lätt-vatten reaktorer behöver en koncentration på 3-5% i sitt bränsle, en koncentration som kan vara högre i SMRs.

Även om det finns Uran i många länder så dominerar Kazakstan, Namibia, Canada och Australien som tillsammans står för ca 3/4 av världsproduktionen. Detta är något som gör tillgången geografiskt begränsad och priset känsligt för påverkan. På ett sätt är Uran mer osäkert ur ett strategiskt perspektiv än exempelvis olja eller gas, där produktionen är mer spridd. Detta kräver då insatser för att säkra tillgången på bränsle lokalt eller regionalt. Detta kan då innebära utvinning i lokala förekomster av uran. Vilket kan bli kostsamt om andelen uran i mineralen är låg eller om uran inte utvinns som biprodukt. Vad jag sett av debatten är inte detta ett spörsmål som har tagit upp i någon större omfattning.

När det gäller gruvdrift är tumregeln att den nästan alltid är miljöförstörande, om man bryter i dagbrott är det stora områden som kan ödeläggas, men detta gäller också underjordiska gruvor där man får stora mängder av restmaterial som i tillägg är radioaktivt.

När man separerat mineralet som innehåller uran, måste man få ut uranet, detta sker genom urlakning, dvs man använder starka syror för att lösa upp uranet och utvinna det i oxid form. Något som i tillägg ger stora mängder giftigt restmateria, slagg, som också är radioaktivt, ofta i mer koncentrarad form på grund av sönderfallsprodukter, som radium, polonium och radon. Så miljöpåverkan är ganska stor.

Det finns ett alternativ och det är in-situ leeching (urlakning på plats) där man egentligen inte har en gruva utan man pumpar ner urlakningsvätska (syror eller i några fall alkaliska lösningar) i uranförande lager, där uranet löses upp och pumpas upp till ytan för vidare behandling. Det kan se ut som en bra metod, men ger lakrester som måste lagras på grund av giftighet och radioaktivitet. I tillägg är miljöpåverkan på grund av det som pumpas ner inte ordentligt utrett. Här kan man jämföra med oönskade effekter vid fracking.

Så man kan konstatera att brytning av uran inte är speciellt ren eller miljövänlig. Det är en aspekt som man bör titta närmare på och lyfta upp i debatten. Speciellt som det kan komma handla om gruvdrift i närmiljön som kommer ge betydligt större utsläpp av radioaktivitet än en kärnrektor ger.

Man bör dock notera att det finns stora mängder uran upplöst som joner i haven, något som det tekniskt sett är möjligt att utvinna, som visats av japanska forskare på 1980-talet, men det har inte varit praktiskt möjligt att få till det.

Här handlar det dock om att försöka få till en reell helhetsbild och inte cherrypicking.

Kategorier
Fysik Kärnenergi Undervisning

Kärnenergi, strategi och utbildning

Det är i dagarna en debatt om kärnenergi och hur den skall lösa energikrisen. Man ser inlägg som är odelat positiva och som koncentrerar sig på ett fåtal aspekter av ett i grunden komplicerat problem. Just detta är något som bör belysas genom att titta på andra inte så ofta debatterade aspekter.

En satsning på kärnenergi är en satsning som måste göras på lång sikt då det tar upptill 10 år att bygga ett stort kärnkraftverk, och till detta kommer en politisk process om placering och investeringar i tillhörande infrastruktur och miljöeffekter (bland annat från kylvatten). Så att bygga ett kärnkraftverk motsvarande de som finns i drift idag tar lång tid. En invändning som kommer är att det inte skall byggas konventionella kärnkraftverk utan det är små modulära reaktorer (SMR, https://www.iaea.org/topics/small-modular-reactors) som skall byggas. Dessa skall kunna massproduceras och vara mindre vilket gör att byggtiden går ner, de är enklare att placera nära existarande infrastruktur och vi kommer att ha de i drift fortare. Men detta är inte helt sant. Det finns idag över 80 olika designs för SMR men inte många är i drift idag. Man bör notera att The US Nuclear Regulatory Commission (NRC) har certifierat den första designen för en SMR med effekt 21 Februari 2023 https://www.federalregister.gov/documents/2023/01/19/2023-00729/nuscale-small-modular-reactor-design-certification.

Även om det finns olika designer så måste man demonstrera på ett adekvat sätt säkerheten i designen, då detta rör sig om en ny teknologi och att man inte har mycket erfarenhet med denna. Detta betyder att dessa måste först byggas och testas innan man kan börja en massproduktion, så även här kommer tidsfaktorn in och det dröjer troligen mer än 10 år innan det kommer att finnas generell tillgång på SMRs. Detta har också påpekats av representanter från näringslivet.

Men förutom detta så finns det idag en brist på personal som behärskar kärnteknik. På bland annat Direktoratet for strålevern og atomsikkerhet (DSA) finns det experter men inget kunnande vad gäller SMR och hur den tekniken ska kunna prövas för tillstånd att producera kraft. Detta är inte bara ett nationellt problem utan även ett Europeiskt problem. Många år av nedrustning och nedläggning av kärnkraft, ofta av ekonomiska orsaker, har inte bara lett till ökade utsläpp av växthusgaser och ett beroende av rysk gas, utan också till en nedmontering av den kunskapsbas som krävs för en utbyggnad. Det råder idag en brist på den kompetens som behövs för att kunna driva och kontrollera de nya kärnkraftverken (SMR och konventionella).

Det behövs ett kompetenslyft i Europa där det i dag saknas tillräckligt många utbildade personer på alla nivåer som kan utveckla och leda utbyggnaden av SMR. Detta gäller allt från forskning och utveckling på olika aspekter av SMRs, men även utbildning av personer som skall arbeta med ackreditering och kontroll och kompetent driftpersonal. Framför allt behövs forskning och utveckling som ge ökat stöd till den typ av SMR som kan producera eller återanvända sitt eget bränsle. De SMRs som planeras är inte generation IV reaktorer utan opererar med en öppen bränslecykel, där nytt bränsle måste tas in och avfallet hanteras på samma sätt som med existerande kärnkraftverk.

Tar man hänsyn till dessa aspekter är det tydligt att SMRs knappast kommer att kopplas till el-nätet inom en tidsperiod mindre än 10 år, utan de kommer troligen efter det. Om man tänker sig en framtid med SMRs så krävs en betydlig satsning på utbildning, exempelvis tar det minst 5 år att få färdigutbildade civilingenjörer inom fältet och skall man i tillägg ha en nationell utbildningen för att undvika att behöva rekrytera från redan existerande utbildningar i Europa, så krävs att planering av utbildningarna och rekrytering av undervisare inom specialfält startar minst 3 år innan utbildningen startar. Till detta kommer också behov för forskning, forskningsinfrastruktur och undervisningslaboratorier. Detta medför en kostnad som måste vara del i ett större beslut som satsning på kärnenergi. Det är därför inte bara en fråga om energiförsörjning utan även en utbildnings- och forskningsfråga där det behöver tas strategiska beslut.

Man bör även diskutera tillgång och framställning av kärnbränsle men det är en annan diskussion.

Kategorier
Fysik Kärnenergi Uncategorized

Kärnenergi – Ett enkelt problem?

Det har på grund av händelser i världen blivit en debatt om Kärnenergi (eller Kärnkraft som många kallar det) skall man bygga nya kraftverk eller rättare de skall byggas och det skall gå fort för att lösa energi krisen. Men är det så enkelt?

Fallet med Kärnenergi eller Fission är betydligt mer komplicerat än vad man kan tro. Debatten handlar mest om kraftverkan och inte alla steg före och efter. I tillägg måste man ta hänsyn till kompetens hos personal och byggtid.

Att bygga ett kärnkraftverk tar tid, från prospektering, byggande av infrastruktur och själva verket, så här kan fort byggtiden bli 10 år, och då är inte eventuella förseningar medräknade. Så med andra ord är det inte någon «quick fix». Det är möjligt att bygga mindre, Small Modular Reactors, men av dessa finns bara en (rysk) i drift när detta skrivs. Det finns designs och ofärdiga demonstrations exemplar, så det finns även här en osäkerhet angående tidsperspektivet. Så om man ser till det ligger den lösningen minst 10 år i framtiden. Här kommer det också ta tid att utbilda personal.

Men det finns andra aspekter som är viktiga att ta hänsyn till. Här ges några aspekter:

Utvinning av klyvbart material (bränsle), gruvdrift.

Anrikning av det klyvbara materialet.

Produktion av bränslestaver.

Drift av kraftverk.

Behandling av utbränt bränsle.

Upparbetning av utbränt bränsle.

Lagring av låg- och mellan-aktivt avfall.

Lagring av högaktivt avfall.

Det är egentligen mycket att säga om varje aspekt, så det blir ett inlägg för varje. Så håll ögonen öppna.

Kategorier
Fusion Fysik Kärnenergi Uncategorized

Fusion “Breakthrough”?

Den 5 December skedde det som omtalades som ett genombrott inom fusion vid Lawrence Livermore National Laboratory’s National Ignition Facility (NIF), genom «inertial fusion». Påföljande presskonferens den 13 December förstärkte den bilden. Men frågan är om detta egentligen är ett steg på vägen?

Det som NIF är del av är ett simuleringsprogram för att testa om kärnvapen som lagrats fortfarande ger önskad(?) sprängverkan. Det rör sig alltså inte om ett projekt där målet är att uppnå fusion för energiproduktion. Fusion i detta fall är ett medel för att se om simuleringarna stämmer.

Det som framstår som en «breakeven», det vill säga att mer energi skapas än det som man tillför systemet, är också en sanning med modifikation. Det som hände var att 2.05 MJ i 192 UV-laserstrålar fokuserades i en liten kavitet (hohlraum) med en pellet gjord av deuterium och tritium. I kaviteten skapades röntgenstrålar som tryckte ihop pelleten så att man fick igång en självgående fusion under någon miljarddels sekund. Här omvandlades ca delar av bränslet till He, neutroner och energi, totalt frigjordes 3.15 MJ. På det sättet är det en framgång, men hur för detta oss närmare kommersiell Fusionsenergi?

Det första man måste tänka på att man räknar med energin in i systemet (2.05 MJ) men det krävs nästan 300 MJ in i lasrar och andra delar för att få till detta. Det gör alltså att man måste öka effektiviteten 100 gånger innan man uppnått «grid-breakeven», dvs total energi in kontra det man kan ta ut.

Även om man räknar snällt med detta så kommer det inte vara möjligt att ta ut all energi som skapas, utan det kommer finnas förluster innan man kan få ut brukbar energi i form av elektricitet eller värme. Här kan verkningsgraden bli mindre än 50% (snällt räknat då <10% är troligare). Den teknologin är inte fullt utvecklad än och där har mycket arbete gjords vi JET och ITER där man vill skapa fusion med «magnetic confinement». Detta finns inte vid NIF, vilket förklaras av syftet att upprätthålla USAs kärnvapenarsenal.

Nästa är att lasrarna som man använder inte kan avfyras oftare än 1-2 gånger i veckan. För energiproduktion måste man troligen göra detta flera gånger per sekund. Vilket är ett mycket stort stag att ta. Som det är nu måste lasrarna och den optiska utrustning justeras om efter varje «skott» i tillägg till att optiken kan skadas vid varje «skott» och måste då bytas ut.

Kaviteten (hohlraum) som brukas måste göras med mycket hög precision då fel i storleken av en bakterie kan göra att det inte går att få till fusion. Varje av dessa kostar fler hundratusen dollar och flera månader på att utvecklas och konstrueras.

Så var det ett genombrott? För fusionsforskningen, ja. För energiproduktion med fusion, nej. Man har fått större förståelse för processerna men det är knappast ett steg mot energiproduktion, det är för många och stora problem som måste lösas först. Det stora genombrottet behövs inom «magnetic confinement» där man skall kunna ha en gående fusion över tid istället för under korta ögonblick. Så den tidskonstant som var aktuell när jag läste fysik på 1980-talet är troligen fortfarande sann; Om 30 år har vi kommersiell fusionsenergi. Det dröjer fortfarande 30 år….