2011 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Kernrampen

Nathal Severijns Dodonaeus - Mechelen 10/09/2011 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Fundamenteel fysica onderzoek met ionenbundels: - structuur van de atoomkern - eigenschappen van de natuurkrachten - onderzoek naar materialen

voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

1. Inleidende begrippen 2. Energie uit atoomkernen 3. Soorten straling - stralingsdosis 4. Belgische kerncentrales 5. Kernramp – Fukushima - Tsjernobyl 6. Kernafval 7. Kernfusie 8. Eigenzinnige kijk op ons energievraagstuk


1. Atoom – elementen - isotopen • atoom = atoomkern + elektronen (e-) • atoomkern = protonen (p+) + neutronen (n0)

• atomen zijn elektrisch neutraal : # e- = # p  atoomnummer Z  element

• isotopen van een element zelfde aantal protonen maar verschillend aantal neutronen e.g.

1 H 1

; deuterium 21H ;

uranium-235

235 U 92

;

tritium 31H uranium-238

238 U 92



Nuclidenkaart een rij voor elk element,

protonen (elementen)



met de isotopen voor dat element lood 

tin 

nikkel   calcium

zwart : stabiele isotopen

(niet radioactief)

 zuurstof

kleuren: vervalmodes van

 waterstof

neutronen (isotopen)  voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

de radioactieve isotopen

Nuclidenkaart een rij voor elk element

protonen



meerdere isotopen voor elk element

neutronen voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011



2. Hoe energie halen uit atoomkernen?

1

Fissie

0n

102 134

235

38Sr

54Xe

92U

1

0n

Fusie 2

1H 1

4 3

1H voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

2He

0n

Nuclidenkaart een rij voor elk element,

protonen (elementen)



met de isotopen voor dat element lood  fissie van uranium-235

tin 

fissieproducten

nikkel   calcium

zwart : stabiele isotopen

(niet radioactief)

 zuurstof

kleuren: vervalmodes van

 waterstof

neutronen (isotopen)  fusie


de radioactieve isotopen

Energie uit kernsplijting

proces energie-output __________________________________________________________________ verbranding van 1 kg steenkool

2 x 10-11 J (Joule)

fissie van 1 atoom 235U

2 x 10-11 J

fissie van 1 kg

235U

explosie van 1 kg TNT (trinitrotoluene)

8 x 1013 J

2000 J

(typische bom = 100 kg TNT)

( noteer: persoon verbruikt dagelijks ongeveer 500 J (~ 2000 calorieën))


3. Soorten straling in het verval van radioactieve isotopen

alfa straling (4He)

papier, opperhuid

beta straling (e-, e+)

Al plaatje

lood gamma straling


Stralingsdosis Eenheid: Sievert (Sv) 1 Sv = 1 Joule / kg ; houdt rekening met: - type straling - gevoeligheid van de organen Internationale normen: 1 mSv / jaar

bevolking (ex-natuurlijke achtergrond & medisch)

20 mSv / jaar

professionelen

250 mSv / jaar

professionelen in noodsituaties

Extreme stralingsdosissen: vanaf 1 Sv : stralingsziekte (nog wel te behandelen) vanaf 4 Sv : stralingsziekte met dodelijke afloop (cf.


210Po

case)

Stralingsdosis - 2


Verdeling van de stralingsdosis in Vlaanderen

Totaal: ~3.5 mSv / jaar Noteer: - radon: ~1 mSv / jaar (in Ardennen x 3 !!) - dosis voor medische toepassingen stijgt !

Source: UNSCEAR 2000


137Cs

concentratie in België van 1957 tot 2005

na 2 jaar: -80% na 5 jaar: ~ achtergrond voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

4. De Belgische kerncentrales ~ 51 % van onze elektriciteitsproductie

Doel Doel 1, 1975 433 MW Doel 2, 1975 433 MW Doel 3, 1982 1006 MW Doel 4, 1985 1040 MW

Tihange Tihange 1, 1975 Tihange 2, 1983 Tihange 3, 1985


962 MW 1008 MW 1054 MW

productie van elektriciteit met een kernreactor: gebruik bewegingsenergie van de fissiefragmenten  opwarming van water tot stoom  aandrijven van turbines voor productie electriciteit

in België: Pressurized Water Reactors (PWR)  uitwisseling van warmte tussen water in het reactorvat zelf en een tweede circuit waarin de stoom gegenereerd wordt

reactorkern: - 5m x 5m - U brandstofstaven (op ~20 cm van elkaar) - daartussen Cd controlestaven (om aantal neutronen dat fissie kan induceren te regelen)


Binnenzicht van een kernreactor

blauwe gloed = Cerenkovstraling (fissieproducten bewegen sneller dan het licht in het water)


5. Kernramp

Voornaamste mogelijke problemen: - verlies van stroom (extern, intern, back-up stroomvoorziening) - verlies van koelvermogen - reactor wordt superkritisch (meltdown) Mogelijke oorzaken: - menselijke fout - aardbeving (België tot 6 op Richterschaal) - overstroming (Doel gebouwd op 4m boven waterstand bij storm van 1953)

- extreme weercondities - terroristische aanslag - vliegtuigcrash (middelgroot vliegtuig) - giftige gassen - cyber-attack voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

‘Barrières' om een mogelijke verspreiding van radioactieve stoffen in het milieu te vermijden – de Belgische kerncentrales - het uranium is vervat in tabletten; - tabletten zitten in zirconiumbuizen (metaal met zeer hoog smeltpunt); - brandstofstaven zitten in stalen, 20 cm dik reactorvat; - reactorvat is omgeven door twee verschillende meters dikke betonnen omhulsels.

- primair omhulsel: belet dat radioactieve stoffen uit het reactorgebouw kunnen ontsnappen; bestand tegen sterke druk van binnenuit - secundair omhulsel (gewapend beton):

Ook: - tienjaarlijkse veiligheidherziening beschermt de installaties tegen - van alle componenten minstens externe ongevallen (o.a. middelgroot vliegtuig) 2 reserve-exemplaren permanent beschikbaar voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

De kernreactoren van Fukushima


Wat is er gebeurd ? - 11/03, 2.46 pm: aardbeving, kracht 9.0  alle 11 kernreactoren in gebied stilgelegd - 11/03, 3.27 pm: tsunami, hoogte 15 m  stroomvoorziening + dieselgeneratoren van 3 kernreactoren uitgeschakeld - 11/03 – 12/03: evacuatie 20 km zone - 11/03 – 15/03: verschillende H-explosies en 3x partial meltdown (bij reactor 2 breuk in betonnen omhulsel)

 vluchtige radioactieve stoffen ontsnappen

- einde maart: reactoren stabiel - juli: nieuwe gesloten koelwatercircuits nog 110.000 m3 water te decontamineren - geen doden of personen met stralingsziekte voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011


Fukushima explosies: waterstof en radioactief materiaal


Fukushima was Tsjernobyl niet - menselijke fout - reactortype internationaal verboden - reactorvat door explosie vernietigd - splijtstof heeft 10 dagen open aan de lucht gebrand  zeer veel radioactief materiaal (10 x meer dan in Fukushima) vrijgekomen en via de lucht verspreid over grote oppervlakte  groot gebied rondom centrale zeer zwaar gecontamineerd (in Fukushima vooral de site zelf)


kernafval 6. Kernafval

Fissie producten

Actinides

nu: scheiding in Le Havre + opslag in Dessel (bovengronds) en later in Mol (in kleilagen op -800 m) toekomst: ADS-principe (Accelerator Driven System)  langlevende actiniden omzetten in (korter levende) fissieprodn met energetische protonbundel Europees testproject: MYRHA (SCK-Mol)

vrijgekomen energie van kernafval uit een 1000 MW centrale die 1 maand operationeel was voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

• kernreactor aangedreven door een deeltjesversneller (ADS – Accelerator Driven System)

• enkel fissie wanneer protonen op de splijtstof vallen  geen ‘meltdown’ mogelijk • doel: - omzetten van langlevend kernafval van kernreactoren in kortlevend afval (~300 jaar) - onderzoek naar de eigenschappen van materialen in een kernreactor (neutronen) - productie van radioisotopen voor medische en industriële toepassingen + productie van NTD-silicium (windturbines, zonnecellen, hybride auto’s)

Studiecentrum voor kernenergie; SCK-CEN in Mol voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

kernafval 7. Kernfusie

2 H 1

deuterium: -

(1 proton + 1 neutron)

- in kleine hoeveelheden aanwezig in water ( ~ 1/10000) - winnen via electrolyse

tritium : -

3 H 1

(1 proton + 2 neutrons)

- aangemaakt door deuterium bloot te stellen aan een neutronenflux in een kernreactor

Noteer: enige radioactieve isotoop bij kernfusie is tritium (halveringstijd ~ 12 jaar)


Een kernfusiecentrale deuterium: uit zeewater (33 mg/l)

6Li

+ n  3H + 4He

(bijproduct)

lithium: uit zeewater

energie van neutronen gebruikt om stoom te produceren voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

1000 MW centrale: 250 kg D-T mengsel/jaar


ITER

- fusievermogen Puit=500 MW - inputvermogen Pin = 50 MW  Q = 10 - plasmatijd  = 500 s  3000 s

- 24 m x 34 m - plasmavolume 850 m3 - straal torus = 6 m - locatie: Zuid-Frankrijk


kernafval 8. Eigenzinnige blik op ons energievraagstuk - zo veel hernieuwbare energie gebruiken als redelijkerwijs mogelijk is opm. :

- manier van subsidiëring van zonnepanelen was totaal onverantwoord !! - windenergie is in ons land nauwelijks of niet rendabel

 kan enkel mits zware subsidiëring  zeer dure stroom  nood aan gecoördineerd en verantwoord energiebeleid - mits goed energiebeleid kan percentage kernenergie (nu ~51 %) verminderd worden - in België kan niet zeer veel hernieuwbare energie worden opgewekt (max. 15 à 20%)

- gas- en stroomcentrales zijn geen volwaardig alternatief voor kernenergie (verbranding van methaangas produceert nog steeds 55% van de hoeveelheid CO2 die bij de verbranding van steenkool vrijkomt !! )

- middellange termijn: - nieuwe (veiliger) kernreactoren + hernieuwbare energie

- ADS-reactoren om kernafval te verbranden - lange termijn: kernfusie voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011


De brandstof voor kernreactoren • Uranium-235 : • komt voor in honderden mineralen (meest voorkomend uraniumerts is uraniniet)

natuurlijk uranium bestaat uit : -

235U

:

kleine kans voor spontane fissie

-

238U

:

splijt alleen als neutron hoge energie heeft

 gebruik aangerijkt uranium, met een hogere fractie 235U

uraniumerts aangerijkt uranium voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011

production of uranium 10 countries produce about 94% of the concentrated uranium oxides:

2005 production Canada 27.9 % Australia 22.8 % Kazakhstan 10.5 % Russia 8.0 % Namibia 7.5 % Niger 7.4 % Uzbekistan 5.5 % U.S.A. 2.5 % Sth.-Africa <1.5 % Gabon <1.5 %

40 % of planet's known uranium ore supply


- cascade of centrifuges in series required to achieve the desired level of enrichment - many cascades can work in parallel - world leader: Urenco (Gronau, DE; Almelo, NL) Urenco centrifuge (Zeppe-type) consists of an ultra-light, thin-walled tube made from advanced materials, containing a cylindrical rotor that rotates at high velocity in a vacuum, on an almost frictionless bearing  very low power consumption

- much cheaper than other enrichment methods, and can be used in relative secrecy ; - monitored by Electronic Signals Intelligence operations (centrifuge motors require several 100 Hertz AC) and by - monitoring acquisition of specialized parts and materials  serious risk of proliferation

- Urenco centrifuge in 2004 smuggled to Pakistan by A.Q. Khan and technology transferred to Iran, North-Korea and Lybia. gas centrifuge installation for enrichment of uranium (Urenco) a larger fraction of the heavier 238UF6 molecules is swept towards the exterior of the centrifuge cylinder compared to the lighter 235UF6 molecules


2011 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Recommend Documents