Det Globala Energisystemet
Sommarkurs, Föreläsning 6: Energiproduktion II
Ångströmlaboratoriet, Uppsala, 2011-06-13
Mikael Höök, teknologie doktor
Globala Energisystem, Uppsala Universitet
Kärnenergi
• Kärnenergi, dvs. bindningsenergi i atomkärnor,
kan frigöras på två sätt
• Splittring av tunga kärnor till lättare (fission)
– Utgör basen i dagens kommersiella kärnkraft
• Smälta samman lätta kärnor till tyngre (fusion)
– Den process som driver Solen
– Används inte kommersiellt på jorden ännu
Nukleär bindningsenergi
Mindre stabila kärnor kan slås ihop till mer stabila för att frigöra
energi där Järn-56 är den mest stabila
Grundläggande atomteori
• För att splittra eller fusionera kärnor måste man
övervinna potentialbarriären som hindrar laddade
partiklar från att närma sig kärnan
• Neutroner, som saknar elektrisk laddning, kan gå
förbi potentialbarriären
Kedjereaktioner
För Uran-235 bildas omkring 2.3 nya neutroner per
klyvning så en kedjereaktion kan upprätthållas
Fissionsbränslen
• Uran och plutonium används normalt som bränslen,
men även torium förekommer i ett fåtal fall
• Uran och torium är de enda som existerar naturligt
på jorden,
• Av uran är 99.3% oanvändbart U-238 och 0.7 % är
klyvbart U-235
• Uranet måste först brytas, processeras och anrikas
innan det kan stoppas in i kärnreaktorer
Neutronspektrat
• Bara U-235 kan klyvas med termiska (långsamma)
neutroner
• Andra isotoper av uran fångar bara in neutroner
utan att klyvas
• Dessa förluster är för höga i naturligt uran för att
den naturliga U-235-hanten ska kunna ge en
självgående kedjereaktion
• Därför måste bränslet ofta anrikas till runt 3% U-235
Kärnbränslekedjan
Kärnbränslets väg
1.
Brytning
2.
Konversion
3.
Anrikning
4.
Bränsletillverkning
5.
Användning
Följs eventuellt av
•
Upparbetning
Eller
•
Slutlagring
Anrikning
• Knepig process att genomföra då alla olika
uranisotoper har samma kemiska egenskaper
• Någonting som kan skilja ut atomer beroende på
små, små skillnader i massa behövs för att
sortera ut U-235 från U-238
• Oftast det svåraste och mest utmanande steget i
kärnbränslecykeln
Anrikningsanläggningar
• Anrikning kan göras
på olika sätt
• Elektromagnetisk
• Centrifuger
Det stora anrikningsverket Tricastin i
France (bakom kyltornen)
Fyra kärnreaktorer I förgrunden
producerar omkring 3000 MW
elektrisk effekt för anrikningen
• Membran
• Laser
Elektromagnetism
• Enkel, men mycket
energikrävande
• Uranjonerna böjs av i ett
magnetiskt fält och radien
är beroende på massan
• Används inte
kommersiellt idagsläget,
men var historiskt viktig
Gasdiffusion
• Urangas tvingas genom ett antal porösa
membran med mikroskopiska öppningar
• Då U-235 är lite lättare så passerar den fortare
• Medan gasen rör sig blir koncentrationen av U235 större på utsidan
Gascentrifuger
• Stark centrifugalkraft tvingar
de tyngre isotoperna mot
väggen där de leds senare
bort
• Varje centrifug ger bara en
liten anrikning, varpå
tusentals centrifuger måste
användas i kaskadkoppling
för att ge större anrikning
Anrikning med laser
• Jonisering är massberoende
• Finjusterade lasrar kan sända ut laserljus som
bara absorberas av U-235 som joniseras och
kan avskiljas med elektriskt fält
Bränsletillverkning
Westinghouse kärnbränslefabrik i Västerås
Kärnbränsle
• Det anrikade uranet kommer till speciella fabriker som gör om
det till bränslekutsar
• En urankuts är en ett par cm lång cylinder med ca 1 cm
diameter
• En kuts avger lika mycket energi som 800 liter dieselolja och
en reaktor innehåller ca 15 miljoner kutsar
Bränsleelementen
• Massor av
urankutsar staplas
i bränslerör eller
bränslestavar
• Bränslestavarna
sätts senare ihop
till bränsleelement
Bränsleelement
• Bränslelementen består
av en mängd bränslerör
• Dessa hålls på
passande avstånd från
varandra av olika
spridare
• Bränsleelementen är
reaktorns viktigaste del
Reaktorhärden
• Består av en mängd
bränsleelement
packade bredvid
varandra i en
reaktortank
• Detta utgör själva
reaktorhärden där
värmen produceras
från uranbränslet
Kärnreaktorn
Värme från kärnklyvningar i urankutsarna värmer det
omkringliggande vattnet som används för att koka
vattenånga som görs in i ångturbiner och generatorer
Kärnkraft = omständig vattenkokning
Olika reaktortyper
De vanligaste reaktortyperna är
• PWR (Pressurized Water Reactor) = tryckvattenreaktor
• BWR (Boiling Water Reactor) = kokarvattenreaktor
• HWR (Heavy Water Reactor) = tungvattenreaktor
– Kan använda naturligt uran som bränsle
– CANDU-modellen (Canadian Deuterium-Uranium Reactor) är
den dominerande typen
Kärnreaktorer
BWR-reaktorer vid Forsmark i Sverige
3 PWR och 1 BWR-reaktor vid Ringhals
CANDU reaktor vid Qinshan i Kina
Tryckvattenreaktorn
• Högt tryck förhindrar
kokning i reaktorn
• Värmeväxling sker i
en sekundär krets
som går koka ånga
• Ångan går till turbiner
och ger el
Kokarvattenreaktorn
• Uranet ger värme som
kokar vattnet i reaktorn
till ånga
• Ångan leds ut till en
turbin och ger elektricitet
• Ångan kondenseras till
vatten och återförs till
reaktorhärden
Mer avancerade typer
• Gaskylda reaktorer
• Snabba reaktorer (kan använda U-238 som
bränsle)
• Metallkylda reaktorer
• Breedreaktorer (skapar mer bränsle än vad de
förbrukar)
• Dessa är dock komplexare rent tekniskt samt
mindre ekonomiska, varför de inte är vanligt
förekommande i världen
Social acceptans
Social acceptans är en mycket viktig fråga för kärnkraften
Kopplingen till kärnvapen samt olyckorna vid Tjernobyl och
Fukushima kastar mörka skuggor över kärnenergin
Använt kärnbränsle
• När kärnbränslet har passerat en reaktor är det
bara några få procent av energiinnehållet som
tagits ut
• Kring 97% av den utvinningsbara energin
återstår
• Detta kan utnyttjas om den använda bränslet
upparbetas
• Alternativt skickas det till slutförvar
Klyvningsprodukter
• Kärnklyvningen ger en massa
olika ämnen
• Fissionsfragment eller
klyvningsprodukter kallas dessa
och är starkt radioaktiva på
grund av stort neutronöverskott
men kortlivade
• Måste hanteras varsamt och är
inte användbara till något
Transuraner
• De neutroner som fångas in av U-239 gör att
tyngre ämnen än uran kan bildas, transuraner
• Framför allt är det U-238 som ombildas till
plutonium-239
• Plutonium-239 är klyvbart med långsamma
neutroner och ett attraktivt bränsle för reaktorer
eller för kärnvapenladdningar
• Måttlig radioaktivitet, men mycket lång livslängd
Upparbetning
• Det använda
kärnbränslet måste
omarbetas
• Man tar bort
klyvningsprodukterna och
de oanvändbara delarna
• Pu-239 och U-235 skiljs
ut och återanvänds
Upparbetningsanläggningar
Sellafield, Storbritannien
La Hague, Frankrike
Slutförvar
• Använt bränsle
kapslas in för att
inte spridas i
naturen av väder,
vatten och vind
• Grävs ned på
hundratals meters
djup så att ingen
kommer åt det
Sammanfattning: kärnkraft
• Fungerande teknik och kommersiellt beprövad
för uran sedan 1960-talet
• En rad tekniska frågor finns att fördjupa sig i om
man så vill, men tekniken fungerar
• Social acceptans är ett problem
• Framtiden är lite oviss och exakt vilket spår som
utvecklingen väljer är oklart
Fusion
Fusionera atomkärnor
Här kan inte neutroner utnyttjas utan Coloumbbarriären måste
övervinnas på något finurligt sätt
Olika fusionsmetoder
• (Gravitational fusion in stjärnor)
• Fusion via magnetisk inneslutning
– Exempel: JET, ITER
• Fusion via tröghetsinneslutning
– Exempel: NIF, NOVA Laser, LMJ
• Fusion via elektrostatisk inneslutning
– Exempel: Fusors, Polywell machines
Fusion i stjärnor
• Fusion processer av
denna typ genererar all
energi hos solen och
andra stjärnor
• Gravitationskrafter
tvingar atomkärnorna så
nära varandra I stjärnans
mitt att de börjar smälta
samman
Tröghetsinnesluten fusion
Görs med mycket kraftfulla lasrar (typiskt PWeffekter, 10^15 W, i laserpulserna), such as
OMEGA, GEKKO XII, HiPER-lasrarna.
Nära anknuten till vätebombsforskning
ICF-kraftverk
• För att ge energi på en
kommersiell skala måste
många små fusionsbollar bli
antända
• Tanken är att bygga någon
sorts kulspruta som skjuter in
vätebollar in i en
laserkammare där de antänds
• Än mycket långt till praktiska
tillämpningar
Magnetisk inneslutning
• Het fusionsplasma kan kontrolleras och stängas
in i magnetfält om de har rätt konfiguration
• Joner och elektroner måste följa magnetiska
fältlinjer och kan därmed förhindras från att tappa
sin energi innan de fusionerat
• JET är världens största anläggning av denna typ
• ITER är omkring 10 gånger större och byggs för
närvarande i södra Frankrike
Magnetisk inneslutning
• TOKAMAK (en Russian design)
• Stellarator (väldigt komplex geometri)
Tokamak-principen
Stellaratorkonfiguration
Inuti JETS fusionskammare
Elektrostatisk fusion
• Med elektriska fält och guidade jonstrålar kan
även fusionsreaktioner skapas
• Den första modellen av denna typ utvecklades
av Philio Farnsworth, som även uppfann den
moderna TV-apparaten
• Guidade jonstrålar av väte leds till
kollisionspunkter där de tvingas krocka med
varandra för att komma så nära varandra att de
kan fusionera
Elektrostatisk fusion
• Fortfarande många
generationer efter MCF och
ICF-metoderna
• Problem med energiutbytet
• Men enkel att bygga (kan
byggas av amatörer!)
Fusionsenergi
• Energin från fusionsprocessen frigörs som
fotoner, gammastrålning och högenergetiska
neutroner som alstrar värme
• Värmen fångas in i omgivande metallsmälta
kring fusionskammaren och används för att koka
ånga till ångturbiner och generatorer
• Fusionsenergi = Omständig vattenkokning
Plus och minus
Fördelar
Nackdelar
God bränsletillgång
Komplex teknologi
Ingen långlivad radioaktivitet
Tritiumproduktionen är olöst
Ingen risk för Tjernobyl
Hur litiumfilten kring ska fungera
reaktorn är olöst
Ingen koppling till kärnvapen
Kräver neutronresistenta material
Inga luftföroreningar precis som för
fissionskraft
Fusionens tidsskala
• ITER ska kunna ge en 500 MW energipuls som
varar 400 sekunder år 2022
• NIF förväntas kunna antända de första
fusionsbollarna år 2012
• De första kommersiella verken kommer tidigast
2050 eller senare
• Med fördröjningar eller andra problem kan det dröja
ännu längre
• Kommersiell fusionsenergi vår vi se först som
pensionärer i bästa fall
Förnybar energi
• Kommer i många olika former
• Biomass (förbränning)
• Geo/soltermik
• Fotovoltaiska celler (solceller)
• Vind och vattenkraft
• Tidvatten och vågkraft
Biomassa
• Förbränns på samma sätt som fossil energi,
speciellt kol (se tidigare föreläsning)
• Mindre tekniska bestyr kring förbränningen på
grund av skillnader i detaljer (fukthalt, svavelhalt,
etc.)
• Generellt lägre energiinnehåll, men är inte ändlig
på samma sätt
• Gammal och beprövad teknik på många sätt
Jordvärme
• Ju längre ned i
jordskorpan man
kommer desto
varmare blir det
• Detta kan utnyttjas
på vissa platser,
speciellt i vulkaniska
områden
Geotermisk energi
• Med djupa borrhål kan
värme från jordens inre
plockas upp
• Tas antingen för
uppvärmning eller
används för att driva
ångturbiner
• Många tester har gjorts
men funkar inte överallt
Några exempel
Geotermiskt kraftverk vid
Hellisheidi på Island
Geotermiskt kraftverk i
Aberdeen, Skottland
Solenergi
Solvärme
Solelektricitet
• Värmestrålning fångas
in och används för
uppvärmning eller i
ångturbiner
• Solens ljus kan
ombildas direkt till
elektricitet utan att man
behöver använda
turbiner
• Enkel och beprövad
teknik
• Mer avancerad teknik
men lovande
Solvärme
Mer om solvärme
• Effektiviteten ligger mellan 30-60%
• Enkel och pålitlig teknik utan rörliga delar
• Kan kombineras med ackumulatortankar för att
lagra värme, exempelvis över natten
• Kan också kombineras med ångturbiner för att
ge elektricitet
Fokuserande torn
Paraboliska tråg
• Paraboliska speglar fokuserar solljuset på ett rör i
mitten där vatten eller annan vätska värms upp
• Den varma vätskan kan därefter lagras eller
användas
Att följa solen
• Solfångare och
solceller har ofta
motorer som vrider
dem
• Då kan ytan hela
tiden vara vriden mot
solen och fånga in
energi så länge solen
är över horisonten
Solceller
• Solenergi kan konverteras till elektricitet direkt
via halvledare i rätt konfiguration
• Ofta låg verkningsgrad, 10-25% i kommersiellt
tillgängliga solceller
• Ger bara likström, som ofta kräver dyra
växelströmsomriktare för att kunna få ut på
elnätet
Kiselceller
Solcellsmarknaden
• Cirka 90% av alla solceller som tillverkas och
säljs är baserade på tjockt kisel
• Resterande 10% är tunnfilmssolceller, men även
där dominerar amorft kisel över de andra
teknikerna
• Endast några få procent är icke-kiselbaserad
teknik som CIGS, Grätzel eller CdTe-celler
Fokuserande solceller
• Speglar kan användas
för att fokusera solljuset
till små och effektiva,
men dyra solceller
• Gallium-Arsenik-celler
eller andra högeffektiva
celler används ofta i
sådana uppställningar
Solceller
Fördelar
• Ger elektricitet direkt
• Flexibla former
• Billiga i drift och
underhåll
• Producerar inga
utsläpp
Nackdelar
• Energikrävande
tillverkning för
kiselceller
• Intermittens
• Låg verkningsgrad
• Ofta beroende av
sällsynta material
Vattenkraft
• Omvandlar vattnets rörelse till mekaniskt arbete
genom en vattenturbin
• Andra lösningar finns också, så som vattenhjul
• Pålitlig, enkel och effektiv teknik
Turbintyper
• Två olika kategorier av turbiner
Impulsturbiner
• Ändrar riktningen på vattenflödet och flyttas av
den resulterande kraften
• Exampel: Pelton, de Laval, Turgo-turbiner
Reaktionsturbiner
• Rör sig på grund av vätskans tryck eller vikt
• Exampel: Francis, Tyson, Kaplan
Några turbiner
Turgo-turbin,
optimerad för
mellanhöga fallhöjder
Kaplan turbin,
Optimerad för
varierande flöden
Sammanfattning: vattenkraft
• Hög verkningsgrad upp över 90% i bästa fall
• Turbinerna kopplas till generatorer för att ge
elektricitet
• Enkel och pålitlig design som kan ändra sin
energiproduktion snabbt beroende på man vill ha
det
• Kräver dock dammar och kan ändra landskapet
rätt mycket
Vindkraft
• Energi utvinns genom att bromsa
in flödande gas och omvandla
den till mekaniskt arbete
• Påminner om flygplansvingar,
där bladen kan placeras både
horisontellt eller vertikalt
Vertikala vindturbiner
Fördelar
• Oberoende av vindriktningen
• Tysta
• Lätta att underhålla
Nackdelar
• Pulserande krafter
• Svår att montera i torn
• Ofta rätt små
Horisontella vindturbiner
Fördelar
• God stabilitet
• Lätta att montera i torn
Nackdelar
• Oväsnas (spetsarna rör sig med 6
gånger vindhastigheten)
• Dyra att installera
Sammanfattning: vindkraft
• Intermittent energikälla med mycket varierande
energiproduktion
• Än så länge dyr och förhållandevis otillgänglig
• Landskapspåverkan
• NIMBY-ism
– (not in my backyard)
Havs- och tidvattenströmmar
• Liknar vindturbiner, men
använder vatten istället för
luft
• Låg rotationshastighet och
kräver specialgeneratorer
• Mer förutsägbar än vind
• Liten visuell påverkan och
inget oljud
Tidvattendammar
• Tidvatten kan ge energi
om man fångar vattnet I
en damm och leder ut
den via en turbin
• Passar bara på vissa
ställen med stora vikar
med smala inlopp
La Rance 240 MW
Vågkraft
• Försöker utnyttja vågors upp-och-ner-gående
rörelse för att driva generatorer
• Flera olika experimentella designer finns, men
hittills har ingen fungerat på önskvärt sätt
Sammanfattning: Förnybart
• Ofta intermittensproblem, då vind, sol och annat
inte alltid kommer när man vill
• Än så länge förhållandevis dyra i jämförelse med
fossil energi och kärnkraft
• Dock favoriserade av politiker och ges generösa
stödsystem för att kunna etableras
• Framtiden ser ljus ut men många utmaningar
återstår
Tack för uppmärksamheten!
Läs mer om forskningen här:
Globala Energisystem: http://www.fysast.uu.se/ges/
ASPO: http://www.peakoil.net eller http://www.asposverige.se
