Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

Presentasjon om: "Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,"— Utskrift av presentasjonen:

1 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

2 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, og jeg toner flagg med én gang og starter med konklusjonen: Siden Norge for tiden er en viktig energinasjon, vil jeg lenke tittelen sammen med

3 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Globalt energiforbruk trenger store tall: (se http://en.wikipedia.org/wiki/Giga-) kilo (k) = 10 3 Mega (M) = 10 6 Giga (G) = 10 9 Tera (T) = 10 12 peta(P), exa(E), zetta(Z)... 1 år = 8766 timer (h) (bruk 9 000 h) 1 kW e kontinuerlig forbruk for 1 år ~ 9 MWh 1 GW e kontinuerlig forbruk for 1 år ~ 9 TWh

4 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, OECD energidefinisjon: Enhet = termisk verdi av olje 1 toe (1 tonn oljeekvivalent) = termisk verdi av 1 tonn olje (42 GJ) Mtoe (= Megatonn o.e.) (42PJ) OECD bruker en effektivitetsfaktor på 38% fra termisk til elektrisk energi (*) 2 Mtoe ≈ 1 GW e x år ≈ 9 TWh (*) Kommentar om tap og elektriske biler Globalt årlig energiforbruk 2012: 12 500 Mtoe

5 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Globalt (”sikre”) konvensjonelle reserver (BP2013) Med dagens forbruksrate har vi: olje for 53 år, gass for 56 år, og kull for 109 år På bakgrunn av dagens doblingsrater, og ved å anta at forbruket vil gli over mot kull, så vil reservene av konvensjonelt fossil brennstoff være meget begrenset lenge før 2070 ! Tar ikke med i diskusjonen ikke-konvensjonelle kilder

6 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Fremtidig produksjon av fossilt brennstoff avhenger av den totale kapasiteten av de fossile ressursene og ressurser som forventes å bli oppdaget sammen med raten disse kan utvinnes på og utvinningsraten avhenger av teknologisk utvikling, økonomi, offentlighetens mening og økologiske føringer. Finansielle problemer starter når produksjonen minker (Se diskusjoner om “peak oil”, “peak coal”...) En rask titt på Norge:

7 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Det norske olje og energidepartementet (OED) Ressursrapport 2011

8 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Den globale befolkning nådde 7 milliarder i 31. oktober (doblingsrate ≈ 61 år, dvs. dobling rundt år 2072) Fukushima, 11. mars Tyskland stengte 8 av sine 18 kjernekraft-reaktorer og ble over natten netto importør av energi. Startet samtidig opp igjen flere utdaterte kullfyrte anlegg. Sveits bestemmer seg for å fase ut kjernekraft og foreslår å bygge 8 nye gasskraftanlegg 2011 (et spesielt år)

9 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Verdens befolkning, 2010 (millioner) 1510 311 1190 1340

10 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, LandBefolkning (Millioner) Energiforbruk (toe pr hode) Forbruksøkning 2012/2011 Kina1 3502.037.4% India12400.455.1% USA3147.04-2.8% Afrika10330.394.7% Verden71101.751.8% Norge5.19.4311.1% Verdens befolkning slutten av 2012 (millioner) og energiforbruk pr. hode (toe/hode)

11 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Fornybar energi 2012: (Totalt globalt energiforbruk 12 477 Mtoe) Tommelfingerregel: 1 GWår = 8 760 GWh ≈ 9 TWh ≈ 2 Mtoe Fornybar (globalt): 987 Mtoe ≈ 8.6 % of total Vannkraft: 832 Mtoe ≈ 6.7 % Andre: 237 Mtoe ≈ 1.9 % (best i klassen: Kina, Tyskland, Danmark)

12 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Hydroelektrisitet Globalt installert kapasitet: 1 010 GW (1. 01 TW) Gjennomsnitts-produksjon: 400 GW Gjennomsnitts-effektivitet: 39.6 % Vindkraft Globalt installert kapasitet: 240 GW Gjennomsnitts-produksjon: 39.4 GW Gjennomsnitts-effektivitet: 16.4 % Fotoceller (PV) Globalt installert kapasitet: 67 GW Gjennomsnitts-produksjon: : 9 GW Gjennomsnitts-effektivitet: 13.5 % Utgangen av 2011

13 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Global energi: Totalt energiforbruk ca. 25 000 Mtoe (opp 100% fra 2012) Global energimiks: Fornybar energi (Sol, vind,..) 40% Kjernekraft40% Fossil energi20% 2050 Verdens befolkning 9 milliarder ??? Norge: i sitt 10ende år med økonomiske nedgangstider } Grid

14 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Globalt elektrisitetsforbruk: Gjennomsnitts forbruk: 2.5 TW 2011 økende til ca 8 TW i 2050 Totalt 22 000 TWh i 2010, (som er ca 42 % av det globale energiforbruket, og der 30% av elektrisiteten går til transportsektoren). Med forventet økning i energiforbruket, og med en større del av energien som benytter elektrisitet som energibærer, antas det at det totale elektrisitetsforbruket i 2050 vil være i nærheten av 70 000 TWh, eller 8 TW kontinuerlig forbruk Dette er bakgrunnen for tallene på neste slide:

15 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Midlere effekt (MW) pr km 2 for forskjellige kilder og nødvendig overflate om en av dem skulle dekke elektrisitetsforbruket alene i 2050: KildeEffekt (MW/km 2 )Totalt areal km 2 Konsentrert solkraft (CSP)10800 000 Fotoceller (PV) (*1)10800 000 Vindturbiner (*2)2(3)4 000 000 Bioenergi0.613 000 000 Geotermisk energi0.015520 000 000 Vanskelig å forestile seg hvordan man kan unngå å bruke en stor mengde basiskraft, d.v.s. kjernekraft! (*1) 0.3% og (*2) 1.6 % av globalt el. konsum i 2011 De tre første er variable og ikke forutsigbare, og energilagring er problematisk og vil i alle tilfelle føre til lavere effektivitet og større krav til areal(*).

16 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, “Solution”: TYNDP 12 Report Kraftutvekslingsplaner (2020) mellom ENTSO-E-Countries Det kreves: 104 milliarder € til 51 500 km nye og oppgraderte HV linjer på tvers av Europa Sårbare nettverk

17 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

18 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, En sikrere, billigere, enklere, bærekraftig og mindre skjemmende løsning for basiskraft er: Ny og sikker kjernekraftteknologi basert på Thorium Så hva er utsiktene for Norge?

19 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, 247 TWh 124 TWh (total elektrisitets- produksjon) Norges energiforbruk i 2010 Ikke inkludert: Norsk internasjonal skipsfart 46 TWh Industry raw mat other activities private transport

20 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Hvordan skal Norge dekke sitt energibehov i andre halvdel av dette århundret? Og enda viktigere: Hvordan skal Norge betale for sin import ? Legg merke til at om vi i dag tok bort alle inntektene fra petroleusmeksport, ville Norge ha et underskudd på ca 140 milliarder Nkr. på sin betalingsballanse, eller ca 30 000 Nkr. for hver nordmann

21 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, En liten øvelse for dere som sitter her: Om dere ønsker å få en god magefølelse, kan dere studere: THE ATLAS OF ECONOMIC COMPLEXITY av Hausmann, Hidalgo et.al. 2011 (Cambridge: Harvard’s Center for International Development) På neste slide viser jeg noen av konklusjonene i rapporten som er basert på en studie av 128 land som til sammen representerer 99% av verdenshandelen og 97% av det globale BNP

22 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, “THE ATLAS OF ECONOMIC COMPLEXITY” Ranking I, Økonomisk kompleksitet: Japan (1), Sveits (2), Sverige (4), Finnland (6), Singapore (7), Tsjekkia(8), Norge (33) Ranking 2, Forventet BNP vekst pr hode i 2020: Kina (1), India (2), Nigeria (118), Norge (119), Papua Ny Guinea (123) Ranking 3, Forventet BNP vekst i 2020: Uganda (1), Trinidad og Tobago (127), Norge (128) Ranking 4, Forandring i Økonomisk kompleksitet (1964-2008): Mauritius (1), Norge (96)

23 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, I det følgende to eksempler på teknologier der Norge kunne være i fronten og spille en betydelig rolle Foreløpig konklusjon: Norge går bedrøvelige tider i møte om vi ikke skaffer oss andre bein enn plattformbein å stå på

24 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Sway, kapasitet 10 MW, gjennomsnitt 3 MW ?) Meget avansert teknologi med stort eksportpotensial

25 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, MEN, Norge har den desidert laveste veksten i installert vindkraft blant de industrialiserte landene, og offentlig støtte er på vei nedover!

26 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, I dag har vi mer enn 18000 års akkumulert driftserfaring med kommersielle kjernereaktorer. Et run-away uhell som det i Tsjernobyl - ulykken er ganske enkelt ikke mulig for en moderne reaktor. La oss se litt på kjernekraft (fisjonsreaktorer)

27 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Uran, U, element nr 92 Naturlig Uran, 92 U, er en blanding av to typer (isotoper), 235 U (0.7%) og 238 U (99.3%) Bare 235 U kan ha fisjon. En reaktor trenger en høyere konsentrasjon enn 0.7% 235 U, slik at naturlig uran må anrikes Kjernebomber trenger enda høyere anriking anrikingsteknologien er komplisert, men når den beherskes, kan anrikingen fortsettes inntil man oppnår bombekonsentrasjoner.

28 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, 235 U spaltingskjerne nøytron (inn) “promt” nøytron (ut) Fission (atomkjernespalting): nøytron + 235 U 2 fissionskjerner + nøytroner + Energi Hver spalting produserer gjennomsnittlig k nye spaltinger forsinket nøytron

29 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Nøytroner fra en uran-fissioner treffer andre urankjerner og produserer k nye fissioner. Når hver fission fører til mer enn én ny fission, er k > 1, og vi har en kjedereaksjon. Kritikalitet, k Antall fissioner produsert av en fission er gitt ved summen: S = 1 + k + k 2 + k 3 + k 4 +......(geometrisk rekke) Når k < 1, er S = 1/(1 – k), og en klassisk reaktor vil stoppe opp. Når k > 1, går S til uendelig, og vi har en kjernereaktor-katastrofe (kritikalitets-uhell) eller en atombombe Med k nøyaktig lik 1, har vi det vi kaller en kritisk reaktor.

30 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Det er altså nøytronene fra kjernespaltningene som holder kjedereaksjonen i gang Men nøytronene gjør også noe annet - ikke fullt så “ønskelig”:

31 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, 238 U 239 U 239 Np 239 Pu 240 U 240 Np 240 Pu I en uranreaktor er det meste av uranet ikke fissilt, i.e. 238 U – selv etter anriking. Derved produseres det Plutonium som biprodukt: n Radioaktivt avfall eller ”glimrende” bombemateriale

32 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Nøytronene som produseres i fissionene er øyeblikkelige, og de ”lever” typisk ett milllisekund inne i reaktorkjernen. Med k så lav som 1.01 ville dette i løpet av ett sekund føre til en multiplisering med en faktor 1.01 1000, eller mer enn 10 000 som er greitt for en bombe, men ikke så bra for en reaktor. (faktum er at en bombe har k ≈ 2 ) MEN HELDIGVIS, så kommer 35% av de produserte nøytronene fra fissions- produktene, (forsinkete nøytroner), og derved øker den gjennomsnittlige levetiden til ca 0.1 s, noe som gir en multiplikasjonsfaktor på 1.01 10 ≈ 1.1 (eller ca 10%), og dette kan enkelt kontrolleres i en reaktor

33 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, I en kritisk reaktor må k holdes på verdien k = 1 til EN HVER tid !!!! (kommentar om ”forurensinger” i brenselet) Dette oppnås ved temperaturavhengig tilbakekobling og/eller kontrollstaver. (forsinkede nøytroner) (*) Et akseleratordrevet system (ADS) basert på Thorium vil operere med k < 1 til enhver tid. og kritikalitetsuhell kan derfor unngås ved ”design”. (ikke noe problem med ”forurensing”) Kritikaliteten, k, avhenger av mengden fissilt uran, geometrien av reaktoren, moderatoren (f.eks. vann) og kontrollstaver

34 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Kok-vanns-reaktor (BWR) (Fukushima) Trykk 75 atm og temperatur 285 o C (558 K)

35 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Fukushima - reaktoren Brukte brenselstaver

36 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Trykkvanns – reaktor PWR Overhetet vann pumpes under høyt trykk inn i reaktorkjernen og virker både som kjølemedium og moderator. (Kjølevannet med T ut = 583 K går til en dampgenerator)

37 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, PWR (Pressurized Water Reactor) Olkiluoto, Finland

38 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, “Problemer” med tradisjonelle fisjonsreaktorer: - Kritikalitetsuhell - Nedsmelting av reaktorkjernen - Radioaktivt avfall med lang levetid - Spredning av kjernevåpen (anrikning og plutonium) - Begrensete uranressurser Kjernereaktorer basert på “det norske” elementet Thorium 232 Th i stedet for Uran En mulig simultanløsning av alle disse problemene:

39 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Thoriumreaktorer der er 4 – 6 ganger mer thorium enn uran i jordskorpen, og thorium er over 200 ganger mer effektiv som brensel i forhold til uran i en vanlig reaktor Allerede mye akkumulert erfaring med bruk av thorium og i produksjon av thoriumbrensel. Fremdeles en jobb å gjøre med kommersialisering både for kritiske reaktorer og for Akselerator Drevne Systemer (ADS) basert på Th - 233 U syklusen. Trenger også utvikling av effektiv re - prosesseringsteknologi

40 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, LandRessurs (`000 t Th)% Australia42017 US40016 Tyrkia34414 India31913 Venezuela30012 Brasil2219 Norge1325 Egypt1004 Russland753 Grønnland542 Kanada442 Sydafrika181 Andre331 Total2460100 Thorium - ressurser (< 80 US$ pr kg)

41 En interessant sammenligning: 1 GW e x år (= 9 TWh) krever: - 0.7 tonn Thorium, - 2 600 000 tonn kull, - 2 000 000 tonn olje Ett års eletrisitetskonsum i Norge svarer til ca 9.7 tonn thorium De norske thoriumressursene svarer til minst 13 tusen års forbruk Globale thoriumreserver for tusener av år Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

42 n + 232 Th (1.4x10 10 år) 233 Th (22.3 min) 233 Pa (27 dager) 233 U (1.6x10 5 år) Thorium ”kommer” ut av grunnen som en 100% ren, direkte nyttbar isotop – trenger ingen anriking Men Thorium er IKKE spaltbar, men ”fruktbar”: fulgt av ekstrahering eller direkte brenning av 233 U fra fisjon eller en protonakselerator + spallasjonsmedium (ADS) Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

43 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, ADS - prinsipp: Protoner fra en akselerator treffer et blymål der hvert proton produserer et stort antall nøytroner. Hvert av disse nøytronene danner kjedereaksjoner ved fisjon i 233 U, og med energiproduksjon mange ganger energien på hvert av de innkommende protonene En 10 MW stråle med 1 GeV protoner ville gi en total utgangseffekt på ca 1500 MW th

44 Fra Carlo Rubbia (1500 MW th i 5 år): Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

45 En ADS thoriumreaktor er robust. Den kan brukes både til energiproduksjon og til eliminering av radioaktivt avfall (Myrrha) Den produserer praktisk talt ikke eget avfall. Reprosesseringen av brennstoffet er enklere enn i en kritisk reaktor og gjør det meget vanskelig å utnytte til bombemateriale. Thoriumreserver for tusener av år Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Kraftproduksjonen kan varieres på sekunders varsel, dvs en ideell kilde til basiskraft sammen med fornybar energi

46 (Fra A. Kadi, CERN) Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

47 EA skisse fra C. Rubbia Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

48 brenselområde med thorium og 233 U strålerør (protoner) Radioaktive spaltingsrodukter spallasjonsområde (smeltet bly) smeltet bly Reaktorkjernen Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

49 Det er teknologisk mulig å bygge en fullskala prototyp innen 2025 Problem nr. 1: akseleratoren, en stabil akselerator med 1 GeV, 10 mA og kontinuerlig stråle. Syklotroner klarer strømstyrken (10 mA) og kan levere kontinuerlig stråle, men klarer ikke partikkelenergien 1 GeV Synkrotroner klarer partikkelenergien, men leverer pulserende stråler (normalt med mindre strømstyrke) Lineærakseleratorer kan klare jobben, men de er store og kostbare. Ny akseleratorutvikling (synkrotroner) med flere injektorer er på gang Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,

50 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Aker Solutions har deltatt i utviklingsarbeid sammen med Carlo Rubbia siden 2007, og de har kjøpt C.R.s patent http://www.akersolutions.com/Internet/IndustriesAndServices/Nuclear+Services/NovelThoriumReactor.htm http://www.thorea.org/publications/ThoreaReportFinal.pdf

51 Aker Solutions' Accelerator Driven Thorium Reactor has won the prestigious Energy Award at this year's IChemE (Institution of Chemical Engineers) Innovations and Excellence Awards. The Energy Award recognizes the best project or process to demonstrate innovation in renewable energy, alternative energy sources, efficient energy use or the development of energy production methods that reduce energy and water intensity. November 2010: Desember 2010: en del av Aker solution som bl.a. inneholdt dette prosjektet solgt til Jacobs Engineering, USA Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, MEN i disse dager er Thor Energi og Scatec i ferd med å teste thoriumstaver i Haldenreaktoren. Så Norge er fortsatt med, men i meget liten målestokk.

52 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Radiofobi Det største hinderet for enhver form for kjernekraft er

53 Dødelighet (%) 100 Sv (J/kg) ”umulig a måle” Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, LNT reellt ? Den internasjonale kommisjonen for strålingsvern insisterer pa å bruke den såkalte “Linear No Threshold Model”, LNT

54 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, I henhold ti LNT modellen: ioniserende stråling - vil alltid forårsake skader - skaden er direkte proporsjonal med dosen - det er ingen positive effekter

55 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, LNT vurderer ikke prosesser som - reparasjonsmekanismer - apoptosis (celledød) - doserate - effekter - spesielle fenomener knyttet til lavdose - immunforsvar

56 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Taipei i Taiwan: I en bydel ble 1700 leiligheter i 180 bygninger bygget i 1983 med stål kontaminert med kobolt-60. Omkring 10000 mennesker bodde i leilighetene i 9-22 år og ble utsatt for gammastråling. Det viste seg at det var mindre kreft blant disse mennesker enn normalt. (Fra Chen et al., Dose-Response (2007) )

57 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, 66 000 russiske ”opprydnings- arbeidere” ble sendt til Tjernobyl. De fikk doser fra 5 mGy til 300 mGy med et gjennomsnitt på 100 mGy. SMR betyr Standard Mortality Ratio. En verdi på 1 tilsvarer dødstallet I normalbefolkningen. Statistikken er fra 1991 til 1998 (All deaths) (Cancer) Tjernobyl – ulykken 1986

58 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Norge ville ha muligheten til å spille en betydelig rolle som eksportør av elektrisk kraft fra: vannkraft, vindkraft og thoriumbasert kjernekraft og som eksportør av teknologi i forbindelse med: vindturbiner til havs og i forbindelse med thoriumbaserte kjernekraftverk MEN da må det satses fra nå av mens vi fortsatt har en solid økonomi

59 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen, Allerede mye akkumulert erfaring med bruk av thorium og industriell produksjon av thoriumbrensel, Så hvorfor er ikke thoriumbrensel allerede i bruk overalt? Ting er i forandring: se for eksempel: http://www.itheo.org/ http://www.ithec.org og http://indico.cern.ch/event/thec13 OG IKKE MINST:

60 Sep/okt. 2013Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen,