Månadsarkiv: oktober 2016

Anrikning

För att skapa bränsle till de vanligaste reaktortyperna ”anrikas” naturligt uran till reaktor-uran. Detta innebär att halten av isotopen U235 höjs till 3-4% från det naturliga uranets 0.71%. Precis som i övriga delar av bränslecykeln, finns stor förbättringspotential som staterna och dess byråkratier står i vägen för. Jag ska förklara, men först lite grunder:

Gasdiffusion

Historiskt använde man gasdiffusionsteknik. Den går ut på att man kombinerar uranet med fluor för att skapa en gas, uranhexafluorid. Sen pressar man gasen genom ett membran och utnyttjar det faktum att U235 är något mindre än den andra isotopen, U238 (som alltså har 3 ytterligare neutroner) och kommer igenom något lättare. När man gör detta om och om igen så får man högre och högre andel U-235.

gaseous_diffusion

Att man måste komprimera gasen i varje steg och kyla bort värmen man får vid komprimeringsarbetet gör att metoden är väldigt energikrävande. Om man hittar gamla dåliga siffror för kärnkraftens ERoEI, energiåterbetalningstid eller CO2-intensitet, så kan det handla om att man räknat på gasdiffusionsteknik som dominerade fram till på 90-talet. Under höjden av kalla krigets kärnvapenproduktion så gick ca 7% av USAs el åt till gasdiffusionsanläggningar.

Gascentrifuger

Gasdiffusion har numera övergetts till förmån för gascentrifuger. Gasen centrifugeras alltså istället och de tyngre molekylerna rör sig mot centrifugens väggar medan de lättare molekylerna blir kvar i mitten.

centrifuge_cascade

Precis som med gasdiffusion så måste man göra detta många gånger för att höja andelen i varje steg och till slut nå den koncentration man önskar. Centrifug-tekniken minskar energibehovet till 1/50-del jämfört med gasdiffusion!

Utarmat uran

Avfallsströmmen från anrikningen kallas utarmat uran. I detta uran har halten U-235 sänkts från ursprungliga 0.71% till kanske 0.25%. Från 1 kg natururan får man idag ca 150 g kärnbränsle och 850 g utarmat uran.

Man låter alltså en relativt hög andel, 0.25/0.71 = 36% i exemplet, av allt U-235 hamna i avfallsströmmen. Det kan tyckas slösaktigt, men eftersom anrikningsarbetet som krävs blir större ju mindre U-235 som finns i materialet man jobbar med, så väljer man en ekonomiskt optimal punkt där det utarmade uranet kostar lika mycket extra att anrika som det kostar att köpa nytt natururan och anrika det istället. Om kostnaden för natururan blir högre, så flyttas optimum och man lämnar mindre U-235 i avfallsströmmen. Samma sak händer om anrikningstekniken blir effektivare och mindre kostsam! Det finns förstås kalkylatorer på internet som låter dig laborera med kostnader och finna optimum givet olika parametrar.

Laseranrikning

Det finns en effektiv teknik för isotopseparering som har varit känd rätt länge men ännu inte kommersialiserats, nämligen laserexitering. Genom att använda lasrar med särskilda våglängder kan man välja isotop att exitera vilket skapar laddade joner, och därefter kan man lätt separera ut dessa joner med ett elektriskt fält. Det här är en teknik som har potential att minska kostnaderna för anrikning till en femtedel, ungefär.

Om man minskar kostnaden för en enhet anrikningsarbete, en s.k. Separative Work Unit, eller SWU, till en femtedel, så får det till följd att optimal U235-halt i det utarmade uranet sjunker från 0.21% till 0.08%. Det höjer alltså mängden nyttiggjort uran från 0.5% till 0.63%, vilket innebär att man får ut 26% mer energi ur varje kg natur-uran!

Till det kommer att världen har lager av utarmat uran i storleksordningen 1.5 miljoner ton. Mellan tummen och pekfingret är den genomsnittliga halten i lagren av utarmat uran 0.25%. Det innebär att man med laser-teknik kan finna ekonomi i att åter-anrika lagren och få ut 0.25-0.08 = 0.17%, mot 0.71-0.08 = 0.63% från naturligt uran. Det innebär att lagren av utarmat uran motsvarar ca 1.5 miljoner ton * (0.17/0.64) = 400,000 ton natur-uran. Det motsvarar mer än sex årsförbrukningar i världens kärnkraftverk. Det finns hyggligt långt gångna planer på att bygga sådana anläggningar.

Tekniken skulle också teoretiskt även kunna användas till att separera isotoper efter plutonium- och uran-utvinning från utbränt kärnbränsle och på så vis ytterligare öka tillgången till fissilt bränsle och reducera avfallsströmmarna. Ackumulering av ”dåliga” isotoper av uran och plutonium begränsar annars kraftigt antalet varv man kan återanvända kärnbränsle i vanliga reaktorer.

Ni kan ju tänka er vad en storskalig utrullning av laseranrikning skulle kunna innebära för uranpriserna. 26% bättre utnyttjande av varje kg nybrutet uran, plus sex årsförbrukningar gratis. I den miljön blir det inte så kul att äga en urangruva! Men det är inte därför det sitter långt inne att få igång tekniken, utan det handlar om:

Vapenteknik

En väg till kärnvapen är att anrika uran till nästan rent U-235. Därför omgärdas anrikningsteknik av stora restriktioner när det gäller export, licenser, forskning mm. Det är exempelvis centrifuganläggningarna som varit det stora trätoämnet när det gäller Irans kärnprogram. Att Iran (och tillochmed Nordkorea) har civila kärnreaktorer anses okej, men centrifugteknik begränsar helst till de befintliga kärnvapennationerna.

Laseranrikning minskar fotavtrycket och kostnaden för anrikning kraftigt, vilket innebär att om tekniken blir spridd så kan stater gömma en fungerande anläggning på en yta som har ungefär samma storlek och energiförbrukning som en halvstor dagligvaruaffär. Det har inneburit att USAs regering, mfl, lägger på kraftiga restriktioner och byråkrati vilket givetvis driver upp kostnaderna och minskar såväl konkurrensen som den akademiska forskningen på området.

Det är på ett sätt förståeligt, men världen blir allt fredligare och vi har större möjligheter tilll spioneri och övervakning än någonsin, så sammantaget är den ökade risken för kärnvapenspridning obetydlig och bleknar jämte miljöskadorna och klimateffekterna av att hålla tillbaka kärnkraften.

Sammanfattning

Bättre anrikningsteknik utgör en av många metoder att stärka kärnkraften i världen, förbättra ekonomin och öka energiutbytet. Det är ytterligare ett argument till varför det helt enkelt är okunnigt att tro att urantillgången skulle vara en begränsande faktor för kärnkraften.

Givetvis skulle den här förbättringen inte vara så meningsfull om man istället valde breederteknik, exempelvis smältsaltreaktorer, som kan klyva alla tunga ämnen som man matar in och därmed öka utnyttjandet från ca 0.7% till nära 100%. Men eftersom lättvattentekniken är det som gäller idag och många betraktar innovativa reaktorer som orealistisk sci-fi, så är det meningsfullt att påpeka hur dagens teknik kan förbättras.

Som så ofta består det stora hindret i regeringars och byråkratiers motsträvighet och oförmåga att prioritera miljön högre än foliehattande om strålning och kärnvapen. En klassisk nejdetkanviinte!

CO2-utsläpp 2015

Det här blir en remake på ett två år gammalt inlägg, med färsk data över CO2-utsläpp illustrerad på några olika sätt. CO2-utsläppen i världen leds förstås fortfarande av Kina, följt av USA och Indien. De 20 största utsläppsländerna står för 80% av utsläppen (CO2-utsläpp enligt BP Statistical Review of World Energy 2016):

co2-2015

Sen förra inlägget har Indien växt en procentenhet, USA och Ryssland har tappat varsin procentenhet, några länder har bytt ordning och Turkiet och Thailand har ersatt Polen och Taiwan i topp-20. Dessa förändringar är ett ganska förutsägbart resultat av att ökande befolkning och ekonomisk konvergens förändrar marknadsandelarna i fossilutnyttjandet. Sverige ligger på 54 plats i utsläppsligan med sina 0.14%.

Självklart bränner folkrika länder oftast mycket fossiler, så första steget i att bilda sig en bättre uppfattning är att se på utsläppen per person. Grafen nedan visar CO2-utsläpp per person som en funktion av folkmängden. Den horisontella sträckan i grafen nedan är alltså respektive lands befolkningsantal i miljoner. (Befolkningsdata enligt FN).

co2-pop-2015

Notera att alla grafer i detta inlägg har samma inbördes storleksförhållande mellan areorna för respektive land – klumparna är bara är formade lite olika. Hursomhelst, vi får den vanliga bilden där USA och några andra länder står ut som stora utsläppare per person, medan några fattiga länder (Indien, Indonesien och Brasilien) har desto mindre utsläpp. Medelvärdet är 4.6 ton CO2/capita och Sverige ligger strax över snittet på 4.9 ton medan Kina ligger över på 6.5 ton och USA ligger på hela 16.9 ton och Indien på ynka 1.7 ton.

Ändå säger inte detta så mycket. Självklart har fattiga länder mindre CO2-utsläpp. Men om vi inte vill ha fattigdom, så vill vi antagligen hellre veta hur mycket CO2-utsläpp varje land ger upphov till per mängd producerat välstånd. Det kan vi se i följande graf, där CO2-utsläppen per BNP-dollar visas som en funktion av BNP-mängden. Den horisontella sträckan är alltså respektive lands BNP i miljarder USD: (BNP-data enligt Världsbanken.)

co2-gdp-2015

Här ser vi plötsligt att USA inte släpper ut särskilt mycket i förhållande till sin produktion, utan helt enkelt producerar mycket välstånd. Kina är däremot ganska ineffektivt, men det är förstås skillnad mellan att bygga upp ett lands infrastruktur och produktionsanläggningar på kort tid, jämfört med att producera rikedom utgående från en relativ mättnad i fysiskt kapital.

Jämför gärna våra europeiska länder. Det gröna föregångslandet Tyskland har CO2-utsläpp på 0.22 kg CO2/$, medan det ogröna kärnkraftslandet Frankrike ligger på 0.13 kg CO2/$. Det visar på skillnaden i utsläpp mellan att låta slumpkraft dryga ut fossiler och att låta kärnkraft ersätta fossiler. Sverige ligger i absolut världsklass på 0.097 kg CO2/$.

Grafen ovan visar den bistra verkligheten, dvs att Indiens låga per-capita-utsläpp inte beror på effektivitet, utan tvärtom på att man vägrat öppna upp landet och liberalisera ordentligt, vilket fått till följd att fattigdomen biter sig fast. Och eftersom genomsnittet i världen är cirka 0.45 kg CO2/$, så skulle världens utsläpp falla till en femtedel om jordens BNP producerades med svensk effektivitet!

Vill man problematisera ytterligare ett varv så kan man istället betrakta samma graf men där BNP är omräknat till köpkraftspariteter.  (BNP i köpkraftspariteter från Världsbanken.)

co2-gdp-pop-2015

Här är bilden väldigt likartad men något utjämnad. Vi ser att Kina fortfarande ligger högt, medan Indien framstår i lite bättre dager. Fortfarande är den absoluta ledaren i topp-20 kärnkraftslandet Frankrike på 0.12 kg/$ medan det gröna kolkraftslandet Tyskland hamnar på 0.20 kg/$. Sverige ligger utanför topp-20 på 0.10 kg/$ . Världsgenomsnittet hamnar på 0.29 kg/$. Och nej, om man tar med svensk utrikeshandel så blir våra utsläpp inte högre.