GS B I
8:
H0 R
Hogeschool
Afdeling der Technische Natuurkunde De energiehuishouding van een licht water reactor Joost Horsten
TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN natuurkunde & Samenleving
DE ENERGIEHUISHOUDING VAN EEN LICHT WATER REACTOR Een analyse van de disculsie tus.en
J.W. Storm van Leeuwen
en het Ministerie van Economische Zaken
BIBl.lOTHFEK 8 door Joost Horsten
Begeleiding: Willem de Ruiter
Eindhoven, april 1982
20859~
T.H,EINDHOVEN
- 1 -
O. SAMENVATTING In dit rapport wordt een energieanalyse gegeven van het opwekken van electriciteit door kernenergie met behulp van een Licht Water Reactor. Dit naar aanleiding van het verschijnen van het boek "Tussen kernenergie en kolen, een analyse" van J.W. Storm van Leeuwen en de storm van kritiek die dit boek losmaakte. Tijdens het onderzoek is het werk van Storm van Leeuwen nagetrokken, is de kritiek van het ministerie van Economische Zaken getoetst en zijn er nieuwe energiebalansen opgesteld. In deze energiebalansen is de invloed van de keuze voor een bepaalde reactorstrategie (wel of geen recycling), het ertsgehalte en de afvalkosten onderzocht. Uit het onderzoek zijn de volgende conclusies naar voren gekomen: 1) De energiebalans van Storm van Leeuwen is onbetrouwbaar, maar in zijn werk komen wel nieuwe gezichtspunten naar voren, zodat dit zeker een positieve bijdrage aan de Brede Maatschappelijke Discussie is. 2) Toepassing van een Licht Water Reactor voor het opwekken van electriciteit bespaart fiossiele brandstoffen , maar niet zoveel als uit bestaande literatuur blijkt. 3) Opwerking van afgewerkte splijtstof is op dit moment beslist af te raden.
- 2 INHOUD blz. O. SAMENVATTING I. INLEIDING
4
2. VOORGESCHIEDENIS
5
3. SPLIJTSTOFCYCLUS EN MASSABALANS
7
3.1 Splijtstofcyclus
7
3.2 Once through LWR massabalans
8
3.2.1 Massabalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a.
8
3.2.2 Overeenkomsten en verschillen tussen de massabalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a. 3.2.2.1 Uraniumgehalte van uraniumerts
8 11
3.2.2.2 Verlies van uranium bij de raffinage 13 3.2.2.3 Verlies van uranium bij de conversie 14 3.2.3 Resulterende once through massabalans 3.3 Recycling
14 16
3.3.1 Voor- en nadelen van recycling
16
3.3.2 Massabalansen bij recycling
17
4. ENERGIEBALANSEN
20
4.1 Berekeningsmethoden voor het energieverbruik
20
4.2 Energiebalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a.
22
4.3 Uitgangspunten bij het opstellen van een energiebalans
23
4.4. Basisgegevens
23
4.4.1 Levensduur van de centrale
24
4.4.2 Belastingsfactor
25
4.5 Energieverbruik per fase
25
4.5.1 Verbruik bij winnipg, raffinage, conversie en transport
27
4.5.2 Verrijking
27
4.5.3 Bouw en onderhoud centrale
27
4.5.4 Ontmanteling centrale en afvalverwerking
27
4.5.5 Tijdelijke opslag
29
4.5.6 Eigen verbruik centrale
29
4.5.7 Netverliezen
30
- 3 -
4.6 Resulterende energiebalansen 5. HET RENDEMENT VAN EEN KERNCENTRALE
30 33
5.1 Rendementsdefinities
33
5.2 Resultaten
36
5.3 Andere varianten
38
5.3. 1 Invloed van het aantal effectieve reactorjaren 39 5.3.2 Invloed van de verrijkingskosten 6. KRITIEK
40
41
41 6.1 Kritiek op de energieanalyse van Storm van Leeuwen 6.2 Kritiek op de energieanalyse van Rotty e.a. 43 6.3 Kritiek op de kritiek van het ministerie van Economische
Zaken op Storm van Leeuwen
43
6.4 Evaluatie van de kritiek van het ministerie van Economische Zaken op Storm van Leeuwen
45
7. CONCLUSIES
47
Voetnoten
48
Appendix: Berekening van massabalansen bij recycling
50
Lijst van tabellen
55
Lijst van figuren
56
- 4 I.INLEIDING Dit rapport is het resultaat van een stage, verricht bij Natuurkunde & Samenleving van
de Technische Hogeschool Eindhoven. De aanleiding tot deze stage
was het verschijnen van het boek "Tussen kernenergie en kolen, Een analyse" van ire J.W. Storm van Leeuwen (I) en de kritiek die vervolgens van vele kanten, o.a. het ministerie van Economische Zaken (2), op dit boek gegeven werd. In het boek geeft Storm van Leeuwen een analyse van de energetische, ecologische, maatschappelijke en veiligheids-aspecten van het toepassen van diverse energiebronnen voor de electricteitsopwekking: gas, aardolie, steenkool.en uranium. Het boek is bedoeld als bijdrage aan de Brede Maatschappelijke Discussie (B!1D)over de energieproblematiek. Storm van Leeuwen wil hiermee in deze discussie een aantal argumenten aandragen die hiervoor zijns inzien van belang zijn. Inmiddels heeft hij van de stuurgroep BMD een subsidie van f 100.000,- ontvangen om zijn studie voort te zetten. Dit rapport behandelt slechts het belangrijkste deel van het boek, nl. de energieanalyse van de electriciteitsopwekking met behulp van een Licht Water Reactor (LHR). Gedurende het onderzoek zijn als voornaamste brannen het reeds genoernde boek van Storm van Leeuwen en een gerenommeerd Amerikaans rapport over deze materie van Rotty e.a. (3) gebruikt. Aan de hand van een vergelijking van uitgangspunten en berekeningsmethaden is de kritiek,die vanuit het ministerie van Economische zaken werd geuit,op ontvankelijkheid getoetst. Tijdens mijn stage werd ik hegeleid door ire W. de Ruiter, schappelijk medewerker bij Natuurkunde &Sarnenleving, die ik via deze hartelijk dank voor de genoten, zeer intensieve,
~egeleiding.
Joost Horsten Eindhoven, april 1982
weten~
~eg
- 5 -
2. VOORGESCHIEDENIS In 1979 kwam minister van Aardenne van Econonische Zaken met de Opzetnota omtrent de maatschappelijke discussie over het aandeel dat de l-ernenergie moet hebben in de electriciteitsopwekking. Het doel van deze discussie zou zijn: de informatieverschaffing aan en de meningsvorming van het Nederlandse volk. Dit doel, het nut en de hele opzet van de BMD zijn intussen onderwerp geworden van heftige discussies, die echter buiten het kader van deze studie zijn gebleven. De BMD is i.n het voorjaar van 1981 officieel van start gegaan. In het weekblad Intermediair verschenen in 1980 twee artikelen van Storm van Leeuwen (4,5). Beide artikelen vormen de basis van het reeds genoemde boek dat november 1980 is verschenen. De artikelen en het boek maken een storm van kritiek los, o.a. bij vooraanstaande voorstanders van kernergie als Kistemaker, de Boer en van Loon (6,7). We citeren enkele
pass~ges
uit'ingezonden
brieven in Intermediair. Kistemaker:"Alle berekeningen zijn toegewerkt naar de uitkomst die vermoedelijk gewenst werd.", de Boer: "De op het eerste gezicht opzienbarende conclusies van het artikel van Storm van Leeuwen zijn niet zo zeer opzienbarend als wel fout." en tenslotte van Loon: "Naast alle fouten dieStorm van Leeuwen zich permitteert in zijn berekeningen en interpretaties, blijkt hij niet bang te zijn voor opvallende uitspraken die blijk geven van gebrek aan informatie of van de wens om via onjuiste voorlichting de openbare roening voor zijn karretje te spannen. De wetenschap dat Storm van
Leeuwen~s
artikel de bewerking is van een der hoofdstukken uit een boek
dat omstreeks deze tijd zal verschijnen, doet dan ook het ergste vrezen voor het niveau van deze bijdrage aan de BMD." De conclusies van Storm van Leeuwenzijn dan ook zeer Het rendement van
opzienbaren~
verschillende nucleaire energiegangen is zeer klein,
zelfs negatief, zodat een zgn. "all nuclear society" zeker onmogelijk zal zijn. De gevolgen vim de toepassing van
kernenerg~e,.kunnen
rampzalig worden
voor mens,milieu en maatschappij. Deze conclusies zijn zelfs,derroate opzienbarend dat de minister van Economische Zaken naar aanleiding van kamervragen een
d~partementale
studie heeft laten verrichten, waarin het werk van Storm
van Leeuwen doorgelicht wordt. Tijdens deze studie is advies ingewonnen van een aantal deskundigen zoals de reeds genoemde notoire voorstanders van kernenergie van Loon en de Boer. In het rapport waarin de resultaten van de studie vermeld zijn (2) trekt men een aantal niet rois te verstane conclusies. Men verwijt Storm van Leeuwen: - onjuiste overname van gegevens uit bronnen; - onvolledige informatie over herkorost van gegevens en gevolgde berekeningsmethoden;
- 6 -
- eenzijdige benadering van bronnen; - bet poneren van stellingen zonder argumentering; - onvoldoende deskundigbeid. Aan de band van deze punten concludeert men dat de redeneringen van Storm van Leeuwen "ondanks de wetenschappelijke tint die het hoek heeft meegekregen, veelal de toets van wetenschappelijke verantwoording niet doorstaan", en dat derhalve eijn argumenten niet gezien kunnen worden als een bijdrage san de BMD. In bet kader van deze studie wordt deze bijzonder forse kritiek aan de werkelijkheid getoetst, wear het de energieanalyse van de electriciteitsopwekking door een LWR betreft.
- 7 3. SPLIJTSTOFCYCLUS EN MASSABALANS Wanneer men het hele electriciteitsopwekkingsprocede wil bestuderen, is het uiteraard een eerste vereiste dat men weet welke processen een rol spelen in het geheel. Tevens dient men te weten welke hoeveelheden uranium (en eventueel plutonium) er in de diverse stadia verwerkt worden en welke verliezen er optreden. 3.1 Spliitstofcyclus
De splijtstofcyclus van een LWR is schematisch weergegeven in fig. I. We beschouwen hier een Pressurized Water Reactor, de reactor in Borssele is van dit type.
-
1
vinnin8
2
I I I 15
JI fig I schematisch overzicht van de van een licht water reactor
spli~tstofgang
De gestippelde pijlen geven de mogelijkheden aan om eventueel het opgewerkte uranium en plutonium opnieuw te gebruiken. Bij het gebruik van een LWR zijn vier verschillende reactorstrategieen mogelijk: - once through (geen -
r~cycling)
uraniumr~cycling
- plutoniumrecycling - uranium/plutoniumrecycling Pijlen 1,3,4 en 5 hebben betrekking op plutoniumrecycling, pijlen 2 en 4 op uraniumrecycling.
.... 8 -
We zullen de verschillende processen kort beschrijven. Tijdens de raffinage wordt hetgewonnen uraniumerts aan loogprocessen onderworpen om het vaste U 0 (yellow-cake) in zuivere vorm te krijgen. Dit U 0 a 3 3 S wordt vervolgens omgezet in het gasvormige UF ' Om uranium in een Pressurized 6 Water Reactor te kunnen gebruiken is het noodzakelijk dat het natuurlijke percentage van het gemakkelijk spl:ijtbare 235 u verhoogd wordt van 0,71 % tot 3,1 %. Dit gebeurt tijdens het verrijkingsproces vrijwel uitsluitend door middel van gasdiffusie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat het lichtere 235UF6 iets gemakkelijker door poreuze membranen kan diffunderen dan 23SUF 6' Het verr1J ' 'k te UF wor d t omgezet 1n '0 , U 2 d at verwer k t wor d t tot sp I'1Jt6 stofstaven. Wanneer de afgewerkte splijtstof de
reactor heeft verlaten, kan
deze na verloop van tijd opgewerkt worden. De verschillende bestanddelen worden dan gescheiden: splijtstofprodukten,gevormde actiniden. gevormd plutonium en het overgebleven uranium. Het uranium en het plutonium kunnen opnieuw gebruikt worden of, in een once throughsplijtstofgang, tot afval verwerkt worden. 3.2 Once through LWR massabalans 3.2.1 Massabalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a. In fig 2 en fig 3 zijn de massabalansen weergegeven die door Storm van Leeuwen en Rotty e.a. gehanteerd
~1orden.
De getallen betreffen tonnen materiaal die
een 1 GW(e) LWR per Jaar zou verbruiken wanneer die continu volledig belast wordt (m.a.w. belastingsfactor • I). Deze getallen zijn niet zonder meer in de rapporten terug te vinden. Het is noodzakelijk de massabalansen te normeren op een jaar en op belastingsfactor
om ze onderling te kunnen vergelijken.
3.2.2 Overeenkomsten en verschillen tussen de massabalansen van Storm van Leeuwen en Rott¥ e.a. Vanaf de verrijking is er geen enkel wezenlijk verschil tussen beide massa-· balansen aan te wijzen. De getallen die Storm van Leeuwen opgeeft zijn over het algemeen iets hoger dan die van Rotty e.8., maar ze blijven steeds binnen 3 % met elkaar overeenkomen. De stappen voorafgaand aan de verrijking vertonen echter weI duidelijke verschillen. De minste invloed heeft het feit dat Rotty e.a. geen verlies van uranium bij de conversie veronderstellen, terwijl Storm van Leeuwen dit weI doet. Het effect hiervan is echter uiterst gering. Belangrijker
36,22 U 0,85% 0,34 Pu 0,03 Np,Am,Cm 1,18 splijtings~ produkten
T
3,19-10 6 eru (0,0085 % U)
) raffinage - ,
winning
-,I
'" 0,7%
ccnversie
3B,3~
verrijking
II"
0,7% I
54
-" --,/
37,~
elementen - ' \ KERNCENTRALt fabricage
-::I 3,1%
3,] %
0,7%
,.
~
-, _/ 21~
216.....
270"
'111
,.
"\ ppwerking
--/
~ _/ v
afva! verwer king
A 0,5
177 0,2%
fig. 2
37 ,~
genormeerde massabalans van Storm van Leeuwen voor een once through 1 GW(e) LWR strategie
1] 3,51.10 6 erts (0,006 % U) o
2) 1,24-10 5 erts (0,17 % U)
21~ winning
./
0,7%
-,
21O
210 . . .
raffinage
) -v
ccnversie
...
~'\
""'"--/ ....
36,~ verrijkin~ ~'\
v
0,7%
0,7%
fabricage
3,1%
~
173
~j:g
)
element en
"
d3,1 %
0,4
0,2%
3 genormeerde massabalans van Rotty e,a. voor once through 1 GW(e) LWR strategie
36,~
36,~ ~'\
KERNCENTRALI
~) V
ppwerking
~ L--./ v
afval verwer king
/'\.
- II -
zijn de be ide andere verschillen: het ertsgehalte en het raffinageverlies. In hoofdstuk 4 zal blijken dat vooral het ertsgehalte van groot belang is voor de energiebalans. 3.2.2.1 Ret uraniumgehalte van uraniumerts Het is significant dat Storm van Leeuwen een uranium-ehalte van 0,0085 % hanteert waar Rotty e. s. twee zeer verschillende gehaltes, nl. 0,006 % en 0,17 % beschouwen. Het uraniumerts dat op dit moment gewonnen wordt hevat ca. 0,15 % uranium (8). De keuze van Storm van Leeuwen voor een dergelijk laag ertsgehalte is daarom ook door de voorstanders van kernenergie en het ministerie van Economische Zaken zwaar bekritiseerd. Men baseert de kritiek dan over het algemeen op het INFCE-rapport over uraniumvoorraden (9) waarvan de voornaamste resultaten in fig 4 en fig 5 zijn weergegeven. In de figuren wordt de ontwikkeling van vraag en aanbod van uranium vanaf 1980 tot 2025 geschetst. Hierin geschatte
zijn aangegeven de redelijk zekere en de
extra voorraden van economisch winbaar uranium. Uit deze figuren
is af te lezen dat naar verwachting tot ca, het jaar 2000 genoeg uranium voorhanden zal zijn om aan de vraag te kunnen voldoen. Het jaar 2000 is echter nog slechts 18 jaar van ons
ver~ijderd
en
in de decennia daarna is het verloop van vraag en aanbod aanzienlijk onduidelijker. Wanneer men er op tijd in zou slagen de snelle kweekreactor (die aanzienlijk minder uranium verbruikt dan een LWR) verder te ontwikkelen tot een reactortype,dat op grote schaal technisch en economisch haalbaat is, zou men in de periode na 2000 volgens het INFCE-rapport nog tientallen tot honderden jaren over voldoende uranium kunnen beschikken.Op relatief beperkte schaal worden er al kweekreactoren toegepast. Van het totaal opgestelde vermogen aan kerncentrales van 140 GW(e) wordt op dit
mo~ent
1,5 GW(e) ge-
leverd door kweek-reactoren (10). Door de problemen die zich hierbij nog voordoen is het onwaarschijnlijk dat dit reactortype binnen afzienbare tijd op grote schaal toegepast zal kunnen worden. Als de vraag naar uranium zich volgens de lage variant zou ontwikkelen, zijn de vooruitzichten op
voldoende aanbod redelijk goed,
behalve echter wanneer de huidige situatie gehandhaafd blijft: hoofdzakelijk LWR's zonder recycling. Dan bestaat er een niet te verwaarlozen kans dat na 2010 er een tekort aan "economisch winbaar" uranium zal ontstaan en dat men (veel) armere ertsen zal moeten gebruiken. Wanneer de vraag zich volgens de hoge variant zal gedragen en de ontwikkeling van de omstreden snelle kweekreactor op zich laat wachten, hestaat er een grote kans dat de genoemde uraniumvoorraden in de jaren na 2000 niet voldoende zullen blijken te zijn. Wanneer de meest ongunstige, maar op dit moment meest waarschijnlijke once
-
12 -
350
>
!l
-8
300
-6
a:
A
UJ
b
0..
~~ iJ-
::.>
ii II:
::J
z
-..I
a'" z ...
w
~a
£:I
>250 a:
"'i
200
a:
_C
:;)
Vl
w
z
z
150
0
l-
/"---
e
z
<:'
Ul
::>
100
e
/
:r:
....
/
50
0 1980
1990
2000
2025
2010
YEARS
fig. 4 Ontwikkeling van vraag (lage variant) en aanbod volgens INFCE verklaring: A tIm D = vraagontwikkeling bij verschillende verhoudingen van reactorstrategieen (kweekreactor/LWRfzwaar water reactor) A = 0,S/98/I,S,B • 9/81/10 C = 51/39/10 D = 71/26/3 1!:r en -& "" boge. l;'eap. la.ge achattip.g ontwikkdin~ aanbod
It
,..«
UJ
It
400
...~
UJ
0..
ZA.
-;)
:E
",til
Z
U ...
::J
~o
«
It
::::>
...z
e~
300
~~
VI
0",
u ...
z
0
0'" z..t _e
....
. e«z
III
::J 0
VIC
ItC
200
u~
!c
l:
....
100
1990
2000
2010
2020
2025
YEARS
fig. 5 Ontwikkeling van vraag (hoge variant) en aanbod volgens INFCE
- 1.3-
through-LWRstrategie wordt gevolgd, dan zullen zelfs al v66r het jaar 2000 de betreffende
voorraden zijn uitgeput. Men zal dan reeds zijn aangewezen
op de ertsen met lagere uraniumgehaltes. Tekenend in deze is dat zowel het INFCE-rapport de immense voorraden Chattanooga leisteen in het oosten van
als Rotty e.a. d~
U.S,A. in de
baschouwingen retrekken. Deze voorraden bevatten 4.000.000 ton uranium in gesteentes met een ertsgehalte van 0,006 % tot 0.008%(11). Men houdt er dus duidelijk rekening mee dat men in de mid of meer dabije toekomst daze voorraden aan zal moeten spreken. Volgens INFCE zullen de kosten voor exploitatie van
d~
Chattanooga ertsen $ ISO/kg U bedragen. wawneer men dtt in
combinatie met andere metalen wint. Uranhun uit op dit moment economisch winbare ertsen kost $ 80 tot $ 130/kg U (12), waaruit blijkt dat in de nabije toekomst de ertsen met lage ertsgehaltes (0,006 %) economisch zeker een haalbare kaart kunnen zijn. Concluderend kan men stellen dat voor een korte-termijnstudie een erugehalte i.n de orde van 0,12 % de meest aangewezen keuze is (8). Voor een (middel-)lange-termijnstudie is deze waarde echter bijzonder optimistisch te noemen. Wanneer de kweekreactoren niet op grote schaal toegepast zullen kunnen worden, zal men onherroepelijk zijn toevlucht moeten zoeken tot ertsen met veel lagere ertsgehaltes. Een keuze in de orde van de waarde van Storm van Leeuwenis daarom beslist niet van realiteitszin ontbloot. WeI moet hierbij opgemerkt worden dat 0,0085 % een tamelijk willekeurige keuze is. In verb and met de bovengenoemde voorraden Chattanooga leisteen is een keuze van 0,006 % meer voor de hand liggend. In het vervolg van deze studie zullen beide ertsgehaltes gebruikt worden die ook Rotty eta. hanteren. Hoewelhet hoogste ertsgehalte van Rotty e.a. met 0,17 % aan de hoge kant is, kiezen we toch hiervoor, omdat ons hierbij betrouwbare gegevens ter beschikking staan. 3.2.2.2Het verlies van uranium bij de raffinase Uit fig 3 blijkt dat Rotty e.a. het verlies van uranium dat optreedt bij de raffinage van ruwe erts niet'inde beschouwin~ betrekken. Bij het ertsgehalte van 0,006 %, dat in de vorige paragraaf besproken is, is dit echter een niet te verwaarlozen post. Uit de formule die vermeld is in fig. 6 voIgt dat bij een ertsgehalte van 0,006% uranium (=0,007 % U 0 • G) het raffinagerendement 3 S ~R) 78 % bedraagt. Er gaat dus 22 % van het gewonnen uranium verloren. De waarde van Storm van Leeuwen (80 %) is dan ook correct. Indien het uraniumgehalte van het erts 0,17 % bedraagt, is het rendement 9A %. Deze waarden zullen in het vervolg van deze studie gehanteerd worden.
-
14 -
100 r,'-'!"'-'l :== . • U.S.A. milling results (196l;.761
99
•
~redl~ted ~.'a~ion.'hip
!
if' 0.8591 98 97 96
.~~
jP 94 -,;./
113 _
92
i :IV 0.10
•
f
YV • I
0.14
Mill feed grad.
L"J"...!•. 0.18
i'll.
0.22
0.28 G
U~8i
fig. 6 Verband tussen het ertsgehalte (U 0 i.p.v. U!) en het raffinage3 8 rendement bereikt van 1965 tot 1976 in de V.S.
hron: Uranium Supply and Demand
3.2.2.3 Ret verlies van uranium bij de conversie Uit de massabalans van Storm van Leeuwen voIgt een conversieverlies van 0,5 %, welke waarde we hier over .zullen nemen. 3.2.3 Resulterende once through massabalans Op basis van de beschouwingen in de voorafgaande paragrafen kan een nieuwe maasabalans worden berekend. Fig. 7 toont de volledige massabalans voor een once through LWR strategie, zoals we die verder zullen gebruiken.
1)4,62-10' erts (0,006 % U) 277 U
2) 1,35-10
5
36,22 U 0,85% 0,34 Pu 0,03 Np,Am,Cm 1,18 splij tings:produkten
erts
(0,17 % U)
T
230 U 216.... 37 elementen , --, -, :; raffinage / ctmversie verrijkin@ ~ _ / fabricage 21~
winning
~
y
y
0,7%
0,7% ~
1) 61 2) 14
.,
I
--;7( ,
v
0,7%
3,1%
'Ill
.,
,
37 ,~
,~
KERNCENTRAU
-./
ppwerking
~
----./ ...
afval verwer king
/ ' .. 0,5
177 0,2%
fig, 7 Resulterende once through massabalans voor een LWR
-
16 -
3.3 Recyclins Naast de mogelijkheid van de once through strategie bestaat er ook de mogelijkheid om het opgewerkte uranium en plutonium opnieuw te gebruiken. 3.3.1 Voor- en nadelen van recycling De voorElelen van recycling zijn duidelijk: men kan het niet verspleten . (voora I 235U) en h ' . 238 U gevormd 1S . uran1um et p I uton1um dat u1t opnieuw gebruiken. Er hoeft dan minder uranium gewonnen, geraffineerd, omgezet en verrijkt te worden, zodat het rendement van de electriciteitsopwekking zal stijgen. Helaas zijn er aan het invoeren van recyclingcycli ook nadelen verbonden. Wanneer men uranium en plutonium opnieuw wil gebruiken, is men per se genoodzaakt de afgewerkte splijtstof uit de ractor op te werken. De opwerking is een van de meest riskante en milieuvervuilende processen in de hele splijtstofgang. Bij een once through cyclus is opwerken niet noodzakelijk. Het wordt
ech~er
soms toch gedaan omdat
hierdoor de afvalverwerking eenvoudiger zou worden (13). Een tweede nadeel is dat bij het hergebruik van plutonium een plutoniumstroom ontstaat die het voor kwaadwillenden mogelijk zal maken
om
dit plutonium te bemachtigen. Het is uitstekend.
geschikt
om er kernbommen van te vervaardigen, waardoor plutoniumrecycling de proliferatie van kernwapens zal bevorderen. Dit de reden dat ex-president Carter van de U.S.A.
de,inmiddels weer hervatte, opwerking van
splijtstofstaven gestopt heeft. Ook de nucleaire industrie loopt op dit moment nog niet warm voor plutoniumrecycling omdat vergunningenstelsel in
enerzijds het bestaande, zeer uitgebreide
de U.S.A. nog eens drastisch uitgebreid zou
moeten worden en anderzijds omdat de speciale voorzieningen die hiervoor nodig zijn bijzonder kostbaar zullen zijn omdat plutonium een bijzonder giftige stof is (14). We stellen hier de
~"Westie
"Wel of niet opwerken?" niet ter
discussie maar nemen aan dat dit weI zal gebeuren, om beschouwingen te kunnen geven over recyclingkringlopen.
- 17 -
3.3.2 Massabalansen bij recyclinb AIleen plutoniumrecycling is nauwelijks zinvol omdat men zich dan weI de moeilijkheden van opwerking en plutoniumeconomie op de hals haalt, maar niet profiteert van het uranium dat eveneens bij de opwerking wordt teru8gewonnen. We bestuderen daarom hier de uraniumrecyling en de uranium/ plutoniumrecycling. De massabalansen bij recycling worden in het rapport van Rotty e.a. niet volledig weergegeven. Daarom is het noodzakelijk gebleken om deze zelf te berekenen uit de once-throughmassabalans. Met behulp van een aantal behoudsregels, aanvullende informatie uit de gedetailleerde massabalans van Storm van Leeuwen en enig rekenwerk zijn de massabalansen
in fig. 8 en fig. 9 uit fig. 7 te berekenen. Zie
hiervoor de appendix. Zoals te zien bespaart uraniumrecycling 20 % uranium, terwijl opnieuw gebruik van uranium en plutonium een besparing van 41 % met zich meebrengt.
I)
3,70.10 6 erts (0,006 % U) 222 U
Np, Am, 172 0,7%
173 0,7%
raffinage
--" ~
ccnversie
A '!Ii
em
splij t. prod.
0,7%
~ / v
37,8
1,91
Pu
2) I,OSoI05 erts (0,17%U) IS4 U
winning
: .:..h.!..I?
0,36 0,34 0,03 ~
36,22 0,34 0,03
U 0,S5%
--"\ verrijkin!! .I
...
- ) fabricage --" ,/
~
~
elementen
KERNCENTRAL!
III"
35,'7 0,85%
,
lr
37,S 3,1%
3S;3 3,1%
17O ,. 0,2%
-./
35,9 0,85%
0,2 0,85%
opslag
fig, S Massabalans bij uraniumrecycling
-" --,/
35,9 0,85%
0,5
D,S 0,7%
I) 49 2) 1 1
'\ ~pwerking
/
'"
00
sfval verwer king
A
I) 2.7.10 6 erts (0,006 % U) 163 U
9,6
2) 7,9.10" erts (0,17 % U) 135 U
J
0,303 spb Pu 9,459 0,7% U 25,480 3,1% U
] 1 17 0.71;:...
O,7~
winning
0,7%
raffinage
--" v
"
/
116,2 0, 7~ c€)nversie
A ~
~,
_/ 24 ,"i
25,9 3, I~
verdjking
0,85%
..
~
I) 46 2) 18
-"
_y-/
0.1
0,85%
0,8
0,7%
0,315 9,073 24,439 1,18
V elementen fabdcage
----" ----vI
KERNCENTRAU
spb Pu 0,2% U 0,85% U SP + nspb Pu + actin.
spb Pu 0,2% U 0,85% U SP + nspb Pu + actiniden
~ ppwerking
r---vI
----"
--,,/
"114.4 0,2%
A
-
24,1 0,85% U 0,312 spb Pu
0,005 spb Pu 0,1 0,7% U 0,4 3,1% U
opslag 0,85%
<: °,005
fig. 9 Massabalans bij uranium/plutoniumrecycling
24 1 At!
I
aival verwer king
~
0,307 spb Pu
24,2
0,003 9,073 0,244 1, 18
- 20 4. ENERGIEBALANSEN
Om een inzicht te krijgen in de effectiviteit van het electriciteitsopwekkingproces is het noodzakelijk een energiebalans op te stellen. Hierbij wordt dan aan de kostenzijde het totaal van directe of indirecte energieverbruik (electrisch en thermisch) in de verschillende fasen van de splijtstofgang berekend. De opgewekte electriciteit vormt de batenzijde van de euergiebalans. Het is uiteraard van belang dat de baten groter zijn dan de kosten. Aan het afwegen hiexvan zitten echter enkele haken en ogen die in hoofdstuk 5 uitgebreid besproken zullen worden. In dit hoofdstuk zullen de energiebalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a.
v~~r
een once through LWR strategie kritisch bekeken worden.
Ook zullen aan de hand van die beschouwing nieuwe energiebalansen berekend worden voor de drie strategiein die in het vorige hoofdstuk behandeld zijn: once through, uraniumrecycling en uranium/plutoniumrecycling. Aan de hand van een gevoeligheidsanalyse zal de invloed van het ertsgehalte, dereactorstrategie en het verbruik in enkele fasen op het totale energieverbruik hekeken worden. 4.1
Berekeningsmethoden voor het energieverbruik
Bij het bepalen van het energieverbruik van een proces in de electriciteitsopwekking moe ten we drie categorieen onderscheiden. Ten eerste het directe (electrische of thermische) energieverbruik in het proces. Hieronder valt bijvoorbeeld de electriteit of de brandstof voor de noodzakelijke pompen en motoren. De tweede categorie omvat de bij het proces gebruikte materialen zoals bijvoorbeeld de splijtstofhulzen bij de splijtstofelementenfabricage en het zwavelzuur bij de raffinage van het ruwe erts. De derde categorie betreft de energie voor het vervaardigen van machines en gebouwen. De beide laatste categorieen zijn weer onder te verdelan in drie
subcategoriein, die op hun
beurt weer onder te verdelen zijn enz •• Men verkrijgt men een soort "energieverbruiksboorn", zie fig. 10. Ret is plausibel dat hoe verder men in de boom "afdaalt", des te geringer de bijdrage aan het totale energieverbruik wordt. De hoeveelheid verbruikte energie in de eerst categorie is eenduidig en betrekkelijk eenvoudig te bepalen. Bij de twee laatste categorieen is dit echter veel ingewikkelder. Het vereist bijzonder veel rekenwerk am iedere tak van de boom na te rekenen. Deze boom kan natuurlijk steeds verder worden voortgezet en het is moeilijk te bepalen welke bijdragen men wel en welke men niet mee hoeft te rekenen.
- 21 -
energie verbruik systeem
direct verbruik
proces materialen
machiues gebouwen
direct verbruik
proces materialen
machines gebouwen
,, fig. 10 Schematische weergave van de opbouw van het
energieverbruik van een wil1ekeurig 5y.teem
Deze
m~eilijkheden
zijn echter te omzeilen door gebruik te maken van
een zgn. energie-input-outputmatrix. Aan de hand van een dergelijke matrix kan men de hoeveelheid energie bepalen die de verschillende bedrijfstakken verbruiken per eenheidshoeveelheid produkt. Met andere woorden: men kan hieruit bepalen hoeveel energie verbruikt wordt bij het producer en van bv. een ton
roestvrij staal. Wanneer men per fase
in de splijtstofgang bepaalt welke materialen en machines nodig zijn en in welke hoeveelheid. kan men totale energieverbruik per fase berekenen. Deze methode is door Rotty e.a. gebruikt in hun studie. Storm van Leeuwen heeft echter op sommige plaatsen een andere methode toegepast. In zijn studie maakt hij gebruik van de zgn. BullardHerendeenfactor: de verhouding van het totale energieverbruik van een land en zijn Bruto Nationsal Produkt. Voor de V.S, is deze factor 17,4 MJ/f(1980), voor Nederland 11,6 MJ/f(1980). Om het energieverbruik te berekenen vermenigvuldigt Storm van Leeuwen deze factor met de tot ale kosten van het proces, uitgedrukt in guldens. Deze methode is veel eenvoudiger te hanteren maar ook veel grover. Op de eerste plaats neemt hij hier impliciet aan dat bv. het bouwen van een reactor een gemiddelde industri~le
activiteit vertegenwoordigt. hetgeen op zt n minst twijfel-
achtig is. Op de tweede plaats wordt op deze manier ook de toegevoegde waarde van de centrale meegerekend. De toegevoegde waarde bestaat voornamelijk uit lonen en rente. Deze kosten dragen weinig c.q. niets bij
- 22 -
tot het totale energieverbruik. Zoals Storm van Leeuwen zelf in zijn boek opmerkt is het gebruik van deze methode hachelijk en kan men er grote fouten mee introduceren. llet is daarom vreemd dat hij toch gehruil< maakt van deze methode, temeer daar hij, blijkens de door hem opgegeven referenties, op de hoogte moet ZlJn geweest van het bestaan van de meer verfijnde'input-outpuUmethode. Voor een uitgebreidere beschrijving van dit onderdeel wordt verwezen naar (15). 4~2
De energiebalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a.
In tabel 1 is het verbruik en de opbrengst van energie in de verschillende fasen gedurende het bestaan van een 1 GW(e) LWR weergegeven.
proces
PJ(e) winning raffinage conversie
PJ(th)
PJ(e)
PJ(th)
4,7
37,6
5,0
J7 ,6
22,4
155,7
8,3
87.7
0,25
6,7
0,14
3,7
23,5
2,5
elementenfabricage
0,5
1,3
bouw centrale
8
ontmanteling centrale
8
verrijking
Rotty e.a.
Storm van Leeuwen
eigen verbruik centrale
45,4
netverlies
30,3
38,5
3,2
0,89
2,3
72
J ,7
19, J
72
-
-
-
-
transport
0,004
0,2
0,009
0,34
opwerking
0,77
4, 1
0,06
0,31
0,018
0, I!J
25, I
140,8
toteat verbruik
168,8
489,9
54,7
137,7
totaal opgewekt
378,4
-
709,6
-
afvalverwerking,-bergiug
tabel I
Energiebalansen van een once through LWR splijtstofgang volgens Storm van Leeuwen en Rotty e.a. (ertsgehalte 0,006 %)
- 23 De verschillen tussen de beide energiebalansen zijn groot. Het totale verbruik bij Storm van Leeuwen is ca. 3x groter dan bij Rotty e.a. terwijl de hoeveelheid opgewekte electriciteit bij Storm van Leeuwen slechts ruwweg de helft bedraagt van de hoeveelheid die Rotty e.a. berekenen. De grootste verschillen treden op bij de raffinage, de bouw en ontmanteling van de centrale, het eigen verbruik van de centrale, de netverliezen en de afvalbehandeling. Op het eerst gezicht stemmen de resultaten van Storm van Leeuwn en Rotty e.a. helemaal niet met elkaar overeen. We zullen echter laten zien dat een nadere bestudering toch grote overeenkomsten aan het licht brengt.· Wanneer men conclusies wil trekken uit deze getallen is het onvoldoende om aIleen de gepresenteerde resultaten te bestuderen, het is dan noodzakelijk aIle gehanteerde uitgangspunten te vergelijken. 4.3 Uitgangspunten bij het opstellen van een energiebalans Voor het opstellen van een energiebalans zijn de volgende gegevens noodzakelijk: - vermogen van de centrale - massabalans - levensduur van de centrale - belastingsfactor van de centrale - energieverbruik per fase (De belastingsfactor geeft aan welk gedeelte van het vermogen, dat geleverd zou kunnen worden wanneer de reactor continu volledig belast wordt, inderdaad geleverd wordt) 4.4 Basisgegevens In tabel 2 zijn de basisgegevens getabelleerd die. nodig zijn voor het berekenen van een energiebalans.
Storm van Leeuwen
Rotty e.a.
Horsten
vermogen reactor
1 GH(e)
1 GW(e)
1 GW(e)
levensduur reactor
20 jaar
30 jaar
25 jaar
0,60
0,75
0,65
belastingsfactor
tabel 2 basisgegevens voor de energie-analyse
- 24 Over het vermogen van de centrale bestaat tussen Storm van Leeuwen en Rotty e.a. geen verschil van mening. Beiden stellen het vermogen op 1 GW(e). Omtrent de levensduur en de belastingsfactor van de centrale is men het echter aanzienlijk minder eens. 4.4.1
L~vensduur
van de centrale
Storm van Leeuwan hanteert hier 20 jaar terwijl Rotty e.a. voor 30 jaar kiezen. De ervaring met electri.citeitsopwekking door middel van kernenergie
is~nog
jaar
slechts zeer kort. gemiddelde grootte
aantal gebouwde centrales per jaar
(MW(e»)
cumulatief
1956
4
4
50
1957
-
4
50
1958
10
14
72
1959
1
15
70
1960
2
17
87
1961
1
18
95
1962
7
25
t03
1963
1
26
100
1964
7
33
108
1965
8
41
133
1966
6
47
286
1967
5
52
243
1968
7
59
309
1969
11
70
308
1970
6
76
517
1971
86
576
1972
10 22
108
519
1973
15
123
570
1974
20
143
727
1975
19
162
761
1976
14
176
708
1977
19
195
1978
17
212
861
1979
18
240
810
1980
30
270
830
1981
30
300
870
tabel 3
-.
I
797
Overzicht van de tot nu toe gebouwde kerncentrales
- 25 Tabel 3 geeft een overzicht van de reactoren die tot nu toe gebouwd zijn (16). Hieruit blijkt dat over de levensduur van een kernreactor nog bijzonder weinig te zeggen is. De gemiddelde leeftijd is nl. slechts 8 jaar. De 14 oudste reactoren zijn weliswaar zo'n 25 jaar oud, maar het is nog een open vraag of de jongere, grotere reactoren dit ook zullen kunnen bereiken, omdat schaalvergrotingen (hier 10 i 20x) erg vaak meer technische problemen met zich meebrengt. In onze berekeningen gaan we er van uit dat een kerncentrale 25 jaar lang verantwoord zal kunnen blijven functioneren. 4.4.2 Belastinasfactor Over de de waarde van de belastingsfactor bestaat over het algemeen bijzonder veel verschil van mening. De gehanteerde waarden lopen uiteen van 0,6 tot 0,85. De keuze van Rotty e,a. is dus nog zeker niet de hoogste, er worden in andere analyses nog hogare waarden gehanteerd (17). Toch wekt het gebruik van dergelijke hoge getallen enige verwondering. Inderdaad halen sommige kerncentrales een (erg) hoge belastingsfactor. De centrale in Borssele heeft in 1980 zelfs 0,92 gehaald (18). Deze waarde is echter o.a. zo hoog omdat de centrale
ca. 70 % van haar ver-
mogen continu aan een afnemer kan leveren. Volgens Storm van Leeuwen zal de belastingsfactor van de centrale in Borssele in 1981 75 A worden (18). 'De'situatie in de V.S., waar het leeuwedeel van alle kerncentrales is opgesteld, levert echter een heel ander beeld op, De gemiddelde waarde bedraagt daar 0,6 i 0,7(19.20lHet 18 daarom op z'n minst bijzonder vreemd dat vele
~tudies,
die meestal uit de V.S. af1:omstig
zijn, veel hogere waarden hanteren. In deze studie gebruiken daarom verder een belastingsfactor van 0,65. 4~5
Ener!ieverbruik per fase
In tabel 4 zijn de uitgangspurtten voor de berekeningen VBn de energiebalansen weergegeven. In deze tabel vinden we een aantal opmerkelijke ver8chillen, maar tevens een aantal treffende overeenkomsten. Verschillen treden er op bij de categorieen winning,raffinage, bouw+onderhoud en ontmanteling van de centrale,opwerking, transport, afvalverwerking en netverliezen, De andere opgegeven waarden komen goed met elkaar overeen. Bij conversie en elementenfabricage geeft Storm van Leeuwen exact dezelfde waarden als Rotty e,a"
wat er op duidt dat hij ook het rapport
van Rotty e,a, als bron gebruikt heeft. Dit is duidelijk in tegenspraak
Storm van Leeuwen
TJ(e)
fase .. ",:inrdng , O,OP6 :r. l' O,OO~5 )' lJ 0,17 l'r
• raffinaRe 0,006 ~ T} 0,0085 ~ r 0.17 'i 1.:
conversie
1,l.l.7/ton TT
TJ(th)
Horsten
Rottv e.a.
TJ(e)
TJ(th)
TJ(e)
I ,060/ton U
3,71S/tonU
I,060/ton U
3,715/ton
U
O,558/ton U
0,070/ton U
O,558/ton l'
1,744/toc U
lS,535/ton U
1,744/ton U
18,535/ton U
O,554/ton U
O,080/ton U
O,554/ton \:
O,053/ton U
1,43/ton U
TJ(th)
r
II, 5~3!ton U O,070/ton
6,9/ton U 0, S/ton lJ
4S,O/ton U 3,5/ton U
I',05'l/to1'l 11
I ,43/ton U
O,080/ton U O,053/ton U
1,43iton U
• verriildng Ot 71
J.
fl,8S l'
1 '!~u
5l,O/ton ven U
5,4/ton verr U
2HlJ
46,4/to1'l verr {;
3,85/ton verrU
46,4/ton verr U
3,85/ton '/err U
38,3/ton verr U 3,18/ton verrl'" 38,3/ton verr U
3,18/ton verr l'
elemente.n fahr.
zender Pu-rec:.
I ,08/ton brst
2,71/ton brst
met Pu-rec.
1,08/ton brst
2,71/ton brst
1,08/ton brst
2,71/ton brst
1,21ltanbrst
3,25/ton but
1,21/ton brst
3,25/ton brst
bOD'" .. cnderhoud
centrale
8000
72000
ROOO
72000
1662
19134
• ontmanteling centrale •
ei~en
verbruik
centrale
6,3
~
1662
19134
laap;: 249 haag: 1662
laag: 2870 hoog: 19134
van op-
gewekte energie
transport
r
• opwerk iog
0,004
0,2
1,7 !ton brpt
9/ton brst
ca. 2/ton U
ca. 8lton U
0,009 0,072 /ton but
0,341 O,376/ton brat
0,341
0,009 (\,'l72/ton brst
O,376/ton brat
2/ton
U
8/ton (;
60/ton
t..
tijdelijke opslag
tee. U ree. Pu
ca.60/ton Pu
ca. 200/ton Pu
afval ververlr. + -berj!inll netverl ies
66,3/opgew pj
372, I/opgew PJ
O,02S/apgew PJ
O,2!1/op!1;ew PJ
laag: 3,4/0 pj
hoog: 3,4/0 PJ
1&ag:3 4 ,O/0 pj
fI % van opgew
3 % van opgew
energie
energie
tabel 4 Energieverbruik per fase in de splijtstofgang
200/ton Pu
laag:O,34/0 PJ
- 27 met de bewering van het ministerie van Economische Zaken dat Storm van Leeuwen zijn bronnen eenzijdig zou benaderen (21). We zullen in deze paragraaf de verschillen tussen Storm van Leeuwen en Rotty e.a. nader belichten en uit deze beschouwing voor iedere categorie de waarden afleiden die in tabel 4 vermeld zijn en gebruikt zullen worden om nieuwe energiebalansen te berekenen. 4.5.1 Verbruik bij winnina, raffinage, conversie en transport
Bij het bepalen van het energieverbruik in deze fasen heeft Stonm van Leeuwen gebruik gemaakt van de Bullard-Herendeenfactor, Rotty e.a. daarentegen van de input-outputmethode. Zoals in paragraaf 4.1 aangegeven is de laatste methode het meest betrouwbaar. In deze studie zullen daarom de door Rotty e.a. gegeven waarden overgenornen worden. 4.5.2 Verrijking ~everbruikscijfers
van Storm van Leeuwen en Rotty e.a. voor de verrijking
(een bijzonder belangrijke post) stemmen bijzonder goed overeen. In het geval van recycling verandert de hoeveelheid benodigde energie, orndat ' d at na opwer k"lng opn1euw ga b rU1'k t wor d h et uran1urn, t, '1ets meer 235 U bevat dan natuurlijk uranium (0,85 % i.p.v. 0,71 I). Het verbruik bij verrijking van 0,85 % naar 3,1 % is te berekenen met een aantal formules die Rotty e.a. in hun rapport vermelden (22). 4.5.3 Bouw en onderhoud centrale
Ook bij het berekenen van het energieverbruik bij de bouw van de centrale is Storm van Leeuwen uitgegaan van de Bullard-Herendeenfactor. De methode van Rotty e.a. lijkt daarom betrouwbaarder, zodat we oak deze waarde zullen overnemen. De kosten van onderhoud bestaan voor het grootste gedeelte uit loonkosten, die nauwelijks een bijdrage leveren tot een hoger energieverbruik. We laten het onderhoud daarom buiten beschouwing. 4.5.4 Ontmanteling centrale en afvalverwerking
In tegenstelling tot de vorige
categorie~n,
waarover veel gegevens voor-
handen zijn, is er over de ontrnanteling van een kerncentrale en de afvalverwerking nog nagenoeg niets bekend.
- 28 -
Er is tot nu toe slechts een kleine reacto·..· (Elk River) ontmanteld. Deze reactor is echter snel nadat hij stil.gelegd is ontmanteld (23). Tegenwoordig gaat men er vanuit dat hiermee enige tijd gewacht zal worden (entombmentstrategie). Het ontbreken van nauwkeurig gegevens is echter geen enkel excuus om de ontmanteling eenvoudigweg buiten beschouwing te laten. Het is op z'n zachtstgezegd onvolledig om deze categorie te "vergeten". T~ch
is dit het geval bij de (zeer hoog aangeschreven) studie van Rotty
e.a •• De post ontmanteling ontbreekt volkomen en bij de afvalverwerking wordt aIleen een
bovengrondse opslag betrokken. De verglazing (of een
vergelijkbaar proces) en een definitieve "veilige" opslag van het radioactieve afva! in ondergrondse mijnen e.d. komen in de beschouwingen niet v~~r.
In vele publicaties worden de kosten van de ontmanteling geschat als 10 - 15 % van de bouwkosten. Storm van Leeuwen hanteert echter het percentage van 100 %. Hij beargumenteert deze waarde door te wijzen op het feit dat het in de nucleaire industrie bijzonder vaak voorkomt dat opgestelde begrotingen ver overschreden worden. Een goed voorbeeld hiervan is de Three Miles Island centrale in Harrisburg, waar de
schoonmaak~osten
flink tegen vallen. Als belangrijke oorzaak
wordt hierbij genoemd dat het niet mogelijk was een sluitende begroting op te stellen om dat in het verleden nog nimmer een dergelijke operatie is verricht. Dezelfde moeilijkheid treft natuulijk ook de ontmanteling van een centrale en de afvalverwerking. Schattingen kunnen daarom aIleen met de grootste voorzichtigheid gemaakt worden. Omdat de onzekerheden hier dermate groot zijn , dat een eenduidige bepaling van de kORten onmogelijk is, hanteren we twee schsttingen: een lage en een hoge afvalvariant, resp. 15 % en 100 % van de bouwkosten (uitgedrukt in guldens) voor wat de ontmanteling betreft. We gaan er van uit dat deze percentages ook gelden voor de energiekosten, hetgeen volgens het ministerie van Economische Zaken geoorloofd is (24). Voor wat de afvalverwerking betreft gaan we uit van een schatting van INFCE (25). waarbij aangenomen wordt dat de hoeveelheid electrische energie 10 % is van de hoeveelheid verbruikte thermische energie. In de lage afvalvariant volgen we de waarden van INFCE. voor de hoge schatting vermenigvuldigen we deze met een factor 10. De energiekosten die Storm van Leeuwen hier opgeeft zijn waarschijnlijk te hoog, omdat hij uitsaat van een te grote hoeveelheid te verwerken afval, terwijl Rotty e.a. juist te weinig in rekening brengen omdat zij slechts met een zeer beperkte vorm van afvalverwerking hebben gerekend.
- 29 4.5.5 Tijdelijke o£slag De waarden die Storm van Leeuwen in zijn bijlage opgeeft zijn ongeloofwaardig hoog en stemmen niet overeen met zijn energiebalans voor de snelle kweekreactor (die hier overigens niet behandeld wordt). De waarden die uit zijn figuur te berekenen zijn. lijken niet onrealistisch. We nemen daarom deze waarden over. omdat Rotty e.a. hierover geen gegevens verstrekken.
N.n.
De getallen voor plutonium hetreffen het mengael van Rplijtbaar
en niet-splijthaar plutonium. We
~aan
er voor de berekening van de energie-
balans van uit dat in een stationaire kringloop (zie appendix) bij benadering de hoeveelheid splijtbaar plutonium even groot is als die van het niet-splijtbare. 4.5.6 Eigen verbruik centrale Het eigen verbruik van de centrale is een bijzonder lastig punt gebleken. Raadpleging van diverse deskundigen leverde flinke onderlinge tegenstrijdigheden op. De moeilijkheden spitsen zich toe rond de vraag: "Is het opgegeven vermogen van I Gl.J(e) het netto of het bruto vermogen van de centrale?". Het netto vermogen is het bruto vermogen verminderd met het vermogen dat de centrale zelf nodig heeft. Een kerncentrale voorziet zichzelf in zijn electriciteitsbehoefte door middel van een interne bedrijfstransformator. De zo geconsumeerde energie verlaat dus de centrale niet. De Samenwerkende ElectriciteitsProducenten (SEP) hanteren in hun berekeningen dan ook alleen netto vermogens. De KEMA. die de Nederlandse reactoren op gezette tijden onderzoekt. geeft daarentegen het bruo vermogen
OPt
De onduidelijkheid wordt nog vergroot doordat naast bruto en netto vermogen, ook nog de begrippen bruto en netto partieel omzettingsrendement gehanteerd worden. Het partieel omzettingsrendement is het rendement van de omzetting van de thermische energie die de reactor levert naar de electrische energie die de turbine opwekt. Soms wordt hier weI het eigen verbruik meegeteld (=bruto rendement), soms ook niet (=netto rendement). Tn dit geval lijkt de meest plausibele mogelijkheid dat het opgegeven verrnogen van ) GW(e) het netto vermogen is. Het eigen verbruik is hier dus al van afgetrokken en hoeft gebracht te worden.
dUB
geen tweede keer in rekening
- 30 -
4.5.7 Netverliezen Over dit punt zou eigenlijk nauwelijks verschil van mening kunnen zijn. Ratty e.a. laten deze post echter geheel buiten beechouwing en het Ministerie van Economische Zaken vindt dat netverliezen niet op een lijn gesteld mogen worden met de andere verbruikscategorieen (26). Waarom men deze mening is toegedaan blijft echter onduidelijk. De netverliezen vormen even goed een verlies van electrische energie ale de andere categorieen. be aard van het procee is natuurlijk weI anders, maar desondanks hoort deze post gewoon bij de andere "aftrekpoeten" (zie ook paragraaf 6.4). WeI dient opgemerkt te worden dat Storm van Leeuwen hier voor een te hoog percentage
~ekozen
heeft (8 X). In de Nederlandse
situatie bedragen de netverliezen 3 % van de opgewekte energie (27). 4.6 Energiebalansen Dit de gegevens in tabellen 2 en 4 en de massabalansen zijn de volledige energie balansen te gerekenen voor de drie LWR-strategieli'!:(geen recycling, urand.umrecycling, uranium/plutoniumrecyeling,), de twee ertsgehalte. (0,006 % en O,J7 %) en de lage en hoae afvalkostenvarianten.
Tin
fig. II Schematische weergave van de energiebalaua
Schematisch ziet de energiebalans eruit als fig. It •. De volledige energiebalansen staan in tabel 5.
E.
1.n
= verbruikte electrische energie
Euit= opgewekte electrische energie Tin = verbruikte fossiele brandstoffen U.
.. lU
= verb~u~kt
uranium
0,006 % laag
0,006 % hoog
O,i7 % !aag
0,17 % hoog
0,006 % lug
fase PJ(e)
PJ(th) I'J(e)
PJ(th) PJ(e)
U +
U IlEC'CCLIlfG
GEEN RECYCLING
PJ(th) PJ(e)
PJ(th) PJ(e)
0,006 %hoog 0,17 % lug
PJ(th) 1'J(e) P.J(tb} FJ(e)
0,006 % lug
0,17 % hoC'g
PJ(th) FJ(e)
PJ(th) PJ(e)
0,006 % hoog
PJ(th) PJ(e)
I
Pu RECYCLING 0,17 % laag
PJ(th) PJ(e)
0,17 % hOOF
PJ(th) PJ(e)
PJ{th)
winninjl.
4,8
16,7
4,8
16,7
0,3
2,1
0,3
2, I
3,8
13,4
: 3,8
13,4
0,2
1,7
0,2
1,7
2,8
9,8
2,8
9,8
0,2
1,2
0,2
1,2
raffinatte
6,1
65, I
6, I
f;5,1
0,3
2,1
0,3
2,1
4,9
52,1
4,9
52,1
0,2
1,6
0,2
1,6
3,6
38,1
3,6
38,1
0,2
I,I
0,2
1,1
conversie
0,2
5,0
0,2
5,0
0,2
5,0
0,2
5,0
0,2
4~8
0,2
"4,8
0,2
4,8
0,2
4,8
0,1
3,3
0,1
3,3
0,1
3,3
0,1
3,3
verrijking
28,9
2,4
28,9
2,4
28,9
2,4
28,9
2,4
27,8
2,0
21,8
2,0
27,8
2,0
27,8
2,0
18,7
1,6
18,7
1,6
18,7
1,6
18,7
1,6
elementenfabric.
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,7
0,7
1,9
0,7
1,9
0,7
1,9
0,7
:,,9:
bouw centrale
1,7
19,1
J,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19,1
1,7
19, I
1,7
19,1
ontmante 1 in!! cent
0,2
2,9
1,7
19,1
0,2
2.9
1,7
19,1
0,2
2,9
1,1
19,1
0.2
~.9
1,1
19, I
0,2
2,9
1,7
19.1
0.2
2,9
1,7
! 9,:
transport
0,009
0,3
0,009
0,3
0,009
0,3
0.009 0,3
0,009
0,3
0,.009 0,3
0,009 0,3
0,009 0.3
0,009
0,3
0,009
0,3
0,009
0,3
0,009
0,3
opwerkinr
0,04
0,2
0,04
0,2
0,04
0,2
0,04
0,2
0,04
0,2
0,04 . 0,2
0,04 ' 0,2
0,04.
0,2
0,04
0,2
0,04
0,2
0,04
0,2
0,0 4
0,2
tijdelijke opslag
-
-
-
1,2
4,7
1,2
4,1
1,2
4,7
1,2
4,7
1,4
5,1
1,4
5,1
1,4
5,1
1,4
S,!
afvalverw~rkin~ +
0,2
1,7
1,7
15,4
-
15,4
-ber8in, netverlies
- 17,4
-
- -
0,2
1,7
1,7
17,4
0,2
1,7
1.7
11,4
0,2
i,7
1,7
17,4
0,2
1,7
1,7
17,4
0,2
1,7
1,7
17,4
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
15,4
-
J 5,4
-
TO'!AAL
E. 1n T.in
58,2
I': •
512,5
un
Il. 1U
61,2 1I 5, I
4501 tou
50,9
47,9 147
512,5 4501 ton
69,4
37,S 512,5 3738 ton
56,1
512,5 3738 ton
59,1
102,9
512.5 3608 ton
3601
. ,t2.S toll '
12,6'
. 40.7
'1)4,.
SI2,S
44',8
SO,.l
47,8
47.8
41,8
38.8
,
2990
.
ton
tabel 5 Beaulterende energiebalansen
512.5 2990 ton
.~
"
84,0
512,5
512,5 2649
115,9
ton
264t ton
38,4 512,5 2194 ton
7'0.3
512,5 2194 ton
,
I
- 32 -
Bij wijze van voorbeeld zullen we de post Raffinage berekenen bij de variant: geen recycling, lage afvalkosten, 0,006 % erts. Uit fig. 7 en tarel 2 volgt dat er 216 x 25 x 0,65 - 3510 ton uranium de raffinaderij ver1aat. Uit tabel 4 vo1gt dat raffineren 1,744 TJ(e)!ton en 18,535 TJ(th)!ton kost. De raffinage kost dUB in totaa1 6,1 PJ(e) + 65,1 PJ(th). Uit deze tabel tlJn een aanta1 interessante dingen af te lezen. In a11e varianten b1ijken verrijking, netverliezen en de bouw van de centrale dominerende posten. Bij de 0,006 % ertsvarianten zijn daarnaast de raffinage en in mindere mate de winning van groot belang. Ook is duidelijk te zien dat bij de hoge afvalkostenvarianten de ontmante1ing van de centrale en de afvalverwerking be1angrijk zijn. Zoals te verwaehten viel op grond van de massabalans zijn de uranium- en plutoniumstromen bij de recyclingstrategie3n k1einer dan bij de once through-varianten. De energiekosten die met deze stromen evenredig zijn (winning, raffinage, eonversie en min of meer verrijking) zijn daarom in de eerst genoemde varianten dan ook lager. Door een combinatie van bovengenoemde variaties treden in de energieba1ansen belangrijke versehuivingen oPe net verbruik van electrische energie varieert bijvoorbeeld van 38,8 PJ(e) tot 61,2 PJ(e). Het loont de moeite om deze omvangrijke tabel nader te bestuderen op allerlei andere verschuivingen. Een eenvoudigere, maar daarom ook minder volledige presentatie van de energiehalansen bespreken we in het volgende hoofdstuk. We spreken hier geen waardeoordeel uit over de verschillende balansen. net is, zoals reeds aangegeven, nauwelijks mogelijk een uitspraak te doen over de vraag welke energiebalans in de toekomst eventueel gerea1iseerd zou kunnen worden. De onzekerheden zijn te groot om een voorkeur voor een bepaalde halans uit te spreken. Men moet met elke hier gepresenteerde variant serieus rekening houden.
- 33 5. BET· RENDEMENT VAN EEN KERNCENTRALE
5.1 Rendementsdefinities In het vorige hoofdStuk is de energiebalans uitvoerig aan de orde geweest. Uit de energiebalans kunnen opbrengsten en verbruik van energie bepaald worden. Men is echter naast de volledige energiebalans,die veel informatie verschaft, geinteresseerd in een eenvoudiger uidrukking van de getallen: het rendement. Dit om de kosten en baten van het ene systeem met die van het andere te vergelijken. Onder het rendement van een electrieiteitsopwekkingsproces verstaat men de verhouding van de opgewekte en de verbruikte energie. Op het eerst gezicht is deze omschrijving nauwelijks voor verscbillende uitleg vatbaar. Bij nadere bestudering van de energiebalans van een kerncentrale blijkt dit echter weI degelijkmogelijk. In fig. 12 is de energiebalans sterk vereenvoudigd weergegeven.
L WR SPLljTSTOFCYCLU~
T .
Ult
fi8. 12 Essentie van de LVR splijtltoicyclu8
Tabel 5 vermeldt de getallen
voor de verscbillende besproken energiebalansen.
AIle ingaande pijlen vertegenwoordigen toegevoerde energie in de vorm van fossiele brandstoffen (kolen, olie of gas), electriciteit of uranium. De uitgaandepijlen staan voor de opgewekte energie, de afvalwarmte (T . ) en U1t
het niet verbruikte uranium en andere afvalprodukten van de reactor (U . ). U1t
We nemen hier aan dat de afvalwarmte niet toegepast wordt voor stadsverwarming e.d. en dus als verloren energie beschouwd kan worden. Ook de mogelijkheid om het niet verbruikte (verarmde) uranium later in een kweek-
- 34 -
reactor toe te passen laten we buiten beschouwing. Het is daarom
co~rect
om het niet verbruikte uranium als afval te beschouwen. In het type reactor waartoe we ons hier beperken, de LWR, is het immers principieel onmogelijk om al het ingevoerde uranium te versplijten. Met enige fantasie zijn er nu vele rendementsdefinities te bedenken die elk een bepaalde,specifieke informatie geven. De meest relevante definities staan in tabel 6.
E
.uit
- E.
In
- T.In
U.In E uit
1 - E.In - 1'T. In
U. In
R1 :
E uit - E.In
R : 2
- T.In
E. - E.In Ult T.
+ U.
E..
- E.
lilt
E .
I
-3 1n •
-
E .
R4 : · -ult ---
E.In
In
1 - E.In - -T 3 in
-roouin
- E. In T. o •
1n
U1t
iT
"
+
T.In
Huh
1\.5'
••••
. IT'
~ +'~
E.
+
E.
+
E1n .
+ "JI'T.
In
.
,,1U'
1n
1 T.1n~10 lUUU.1n
-u. ·100 1n uit
.3'
In
1
E
E.
R • Ult
1n
T.
+
1n
U.
1n
- E.
1n ... U. 1n
E. - E.1n U1t
1 1 '3T in+-roaUin
1
''In
+ U.
1n
EU1' t
E. + Tin 1n
+
1U TIiO in
E .
U1t
I E. + -T. 1n 3 1n
tabel 6 Rendementsdefinities
Essentieel hierbij is dat geen enkele definitie al.l€'n a1le gewenste informatie kan verschaffen. Het rendement is een vereenvoudiging van de totale energiebalans. Bij dit vereenvoudigen richt men de aandacht op een zeer beperkt aanta1 aspecten en er gaat onherroepelijk andere infor-
- 35 -
matie verloren. Men "overbelicht" bepaalde aspecten, terwijl andere juist "onderbelicht" worden. Een groot probleem
~it
in het vergelijken van de verschillende
soorten energie. Het is onmogelijk om eenduidig de thermische energie uit fossiele brandstoffen, de electrische energie en de potentiile energie in uranium met elkaar te vergelijken. Electrische energie is een zgn. hoo~waardige
energiesoort, thermische energie (warmte) een laagwaardige.
Thermische energie (die uit de chemische energie van de brandstoffen door verbranding vrijkomt) kan slechts voor 30 tot 40 % worden omgezet in electrische energie. We hanteren hier 33,3 %. Er aaat bij deze omzetting dus energi.e verloren in de vorm van afvalwarmte. Daartegenover staat dat electrische energie veelzijdiger toepasbaar is dan thermische energie en dus meestal begerenswaardiger is. Het is dus mogelijk om in een aantal gevallen te stellen dat een bepaalde hoeveelheid electrische energie overeenkomt met een driemaal zo grote hoeveelheid thermische energie.
V~~r
andere
toepassingen, met name verwarming, is er geen bepaalde voorkeur voor "n van beiden. Men kan dan
dUB
stellen dat electrische en thermische energie
even zwaar meetellen bij het berekenen van een rendement. Beide mogelijkheden zijn toegepast in de verschillende definities. 001 wanneer men de potentiele enersie in uranium wil beschouwen
komt men in de problemen. Bij versplijting van uranium kamt 83 PJ per ton verapleten uranium vrij. Men kan daarom de potentiile eneraie van uranium defini~ren
als de energie die vrij
zou\~omen
wanneer al het ingevoerde
uranium verspleten zou worden. Uranium bestaat van nature echter maar voor 0,7 % uit het gemakkelijk splijtbare 235U en voor de rest uit het veel .. k er sp 1"lJt b are 238 U. Ult . d e reactor f ' moel. 1 lJ YSlca vo 1gt d at van h et ( vo 1gens
de kernfysica voor JOO % splijtbare) natuurlijke uranium in een LWR slechts ca. 1 % verspleten kan worden, nl. het 235 U en een klein deel van het 238U (voornamelijk via de vorming van 239pu en 241 pu). In een kweekreactorcyclua is het wei moge.lijk am het natuurlijk uranium vrijwel volledig te versplijten. Hier zijn dus twee realistische keuzes mogelijk. Wanneer men aIleen LWR's onderling vergelijkt en geen andere reactortypes
bekijkt~
kan men als
ingevoerde potentiele energie beschouwen: 1 % van de energie die vrijkomt bij volledige versplijting van het ingevoerde uranium. Wanneer men ook andere reactor types bekijkt moet men glle vrijkomende energie bekijken. Het is ook mogelijk de potentiUle energie in het uranium helemaal niet mee te rekenen. Men beschouwt dan aIleen de thermische en electrische energie als in- en uitvoer en ziet het uranium als inherent onderdeel van het opwekkingsproces. Men verlegt dan de systeemgrenzen zodat het uranium van ext erne tot interne variabele wordt. Ook voor deze zienswijze is veel
- 36 te zeggen, met name wanneer men conventionele centrales met kerncentrales wil vergelijken. Ook de plaats waar de thermische energle opgevoerd wordt kan men
vari~ren.
Zowel plaatsing in de teller ala in de noemer zijn te
verdedigen. Het hanteren van 15 (of nog meer) verschillende definities komt natuurlijk de overzichtelijkheid bepaald niet ten goede. Tevens is het zo dat een uibreiding van het aantal definities de informatieoverdracht niet vergroot. Verschillende definities overlappen elkaar geheel of gedeeltelijk en andere leveren vrij onhandelbare getallen op. Daarom beperken we ons hier tot enkele definities, die ieder
een wetenlijk andere kant van het
probleem belichten. De gehanteerde definities zijn in tabel 6 met R] tIm RS aangegeven. Storm van Leeuwen hanteert de definitie linksboven in tabel 6 • .Omdat deze definitie echter vrij onhandelbare getallen oplevert en exact dezelfde informatie geeft als Rl geven we de voorkeur san deze laatste definitie. Het Ministerie van Economische Zaken kiest voor R4 ala de alle.enzaligmakende definitie. Een bijzonder interessante definitie is verder nog R • Deze beantwoordt de vraag: IfHoeveel electriciteit kun je uit een be3 paalde hoeveelheid fossiele brandstoffen halen?". R, en R2 zijn aIleen van toepassing op een LWR, terwijl R , R4 en RS ook op conventionele centra3 les en andere kerncentrales betrekking kunnen hebben. Ten slotte moet nogmaals benadrukt worden dat het zinloos en zelfs onmogelijk is om een voorkeur uit te spreken voor
een
bepaalde defi-
nitie van het energierendement van Qen kerncentrale. 5.2.Resultaten De complete energiebalansen in tabel 5 kunnen met behulp van de gekozen rendementsdefinities uit de vorige paragraaf vereenvoudigd
weersegeveii
worden zoals in tabel 7. Uit deze tabel zijn weer een aantal interessante conclusies te trekken. Eerst voeren "fe echter een notatie in om de verschillende
varia~en
eenvoudig aan te kunnen duiden. We hanteren de volgende
afkorting: R (recyclingstrategie, ertsgehalte, x
x staat voor 1 tIm 5. bij
afvalko~tenvariant).
waarbij
recyclingstrategie OT (once through), UR (uranium
recycling) of UPR (uranium/plutoniumrecycling) •. R3(OT,0,17,hoog) betekent dus de rendementsdefinitie R3 toegepast op de variant- once through, 0,17 % erts, hoge afvalkosten. De once through energiebalansen van Storm van Leeuwen en Rotty e.a. geven we aan met R (SvL) en R (Ratty). x
x
- 37 -
rendement
0,006% 0,006% lup; hoog
0,17%0,17% hoog laall
U+Pu - RECYCLING
U-RECYCLINf:
CEEN RECYCLING Storm 1'.otty vL ea
0,006% 0,006% 0,17 % 0,17 % 0,006% 0,006% 0,17 % 6,17 % haag hoog laag hoog lug laag lug hooB
R
D,fl
0,082
0,14
0,13
-0,11
0,13
'0,12
0, II
0,17
0,16
0,18
0,16
0,24
0,22
R2
0,11
0,11
0,15
0,14
0,17
0,16
0,14
0,14
0,1 A
O,I!!
0,20
0,20
0,26
0,25
R3
3,9
3,1
12,4
6,7
0,43
4,8
4,4
3,4
11 .~
6,4
5,6
4,0
12,3
6,7
114
3,0
2,5
6,0
4,3
0,57
3,7
3,2
2,6
5,8
4,2
4,0
3,1
6,6
4,6
RS
5,3
4,7
8,5
6,9
1,1
7,1
5,7
4,9
8,4
6,8
7,0
5,9
9,9
7,9
J
~.
tabel 7 Rendementen voor de opwekking van electriciteit met een LWR We bestuderen deze tabel iets nader: R (SvL) is negatief. Nu is R de J 1 door Storm van Leeuwen zelf gehanteerde definitie (behoudens een factor 100), Op basis van dit negatieve getal komt hij tdt de concluaie dat een "all nuclear society" niet mogelijk is. Aan de hand van lijn eigen energiebalans is deze interpretatie inderdaad te verdedigen, maar op grond van aIle overige energiebalansen moet deze concluaie verworpen worden. Het is dus niet zo dat, =oals in de media nasr voren gebracht is, een kerncentrale meer energie verbruikt dan hij .bpwekt. Hier dient ook opgemerkt te worden dat de waarde R1(SVL) niet overeenkamt met het rendement dat Storm van Leeuwen zelf opgeeft. nit vindt zijn oortaak in ankela fouten van hem bij het opstellen van zijn figuren. Daze kwestia kamt verder aan bod in paralraaf 6.1. 1:l~draa~t
Interessant is ook R (SVL). Voor een conventionele centrale 3 .~. cli, 0,35 wat lager is dan- de wsarde van Storm van Leauwe!!.
(0,43). In de analyse van Storm van LUuwen ltespaart" een kerueentT"'''' dUB, ondanks het negatieVeRt(S.v~),.~el_~_een kle~ne hoe'{ulheid) fossiele , brandstoffen. lHi de ~veri~e energiebalanst!'l'l is R~ ste«tds grater dan I. Dit betekent dat een kerncentrale altijd economiseher met lossiele brandstaffen omgaat dan een conventionele centrale, waarbij uit de aard.der zaak R3 hooguit 1 kan worden. Zoals op grond van het voorgaande te verwachten viel zijn de rendementen R] tIm R£ van Storm van Leeuwen allemaal kleiner dan bij de andere energiebalansen. De oorzaak is te vinden in hat te hoge energieverbruik waarmee Storm van Leeuwen in een eantal fesen rekent (zie hoofdstuk 4) •
Wanneer we bijvoorbeeld R (OT,o,oo6,laag), Rt(UR. 0,006. laa8) 1 en RJ(UPR. 0,006, laag) vergelijken vinden we, zoals verwacht, een opgaande
- 38 -
lijn. Het bevestigt dat bij recycling zuiniger gebruik wordt gemaakt van uranium. Bij volledige recycling van a1 het uranium en plutonium 8chee1t dit ongeveer een factor 2. Wanneer we echter varwachten dat dit ook betekent dat recycling dan ook energetisch gunstiger is, b1ijkt dit niet het geva1 te zijn. Verge1ijk daartoe bijvoorbee1d R (OT, 0,17, hoog) en R (UPR, 3 3 0,17, hoog): beiden zijn even groat. l~anneer we R (OT, 0,17, 1aas) en 3 R (UPR, 0,17, 1aag) verge1ijken is het ze1fs gunstiger am het uranium 3 niet opnieuw te gebruiken. In het a1gemeen kunnen we ste11en dat bij gebruik van erts met 1age ertsgeha1tas de recyc1ingstrategieln wat betreft
R3 , R4 en RS een 1icht voordee1 hebben ten opzichte van de once throughstrategieHn. Wanneer ar echter rijker arts gebruikt za1 worden, verdwijnt dit voordee1 nagenoeg gehee1. nit gaat zelfs 20ver dat in dit geva1 de once throughstrategieHn over de gehe1e 1inie hogere tendementen bereikt dan bij uraniumrecyc1ing en dat ook opnieuw gebruik van opgewerkt plutonium praktisch geen voordee1 op1evert. Het is dus vo1strekt nutte100s om op korte termijn, wanneer ar nog rede1ijke voorraden rijk erts voorhanden zijn, afgwerkte sp1ijtstofstaven op te werken om het uranium en plutonium opnieuw te kunnen gebruiken. Wanneer ar seen recycling pleats vindt is daze opwerking niet meer noodzake1ijk. nit betekent dat dan de rendementen voor de once throughvarianten nag ieta gunstiger uitkomen. Het be1angrijkste voordea1 hierbij is echter dat er geen
p1utoniumkring~
loop hoeft te ontstaan. Zoals bekend is het bestaan van .en derge1ijke kring100p aen bijzonder gevaar1ijke basis voor de pro1iferatie van kernwapens en een gevaar voor de volksgezondheid. Hoewe1 recycling we1 een basparing van uranium veroorzaakt. kunnen we ste11en dat recycling. zeker bij gebruik van rijkere ertsen. geen fossie1e brandstoffen beapaart. Opwerking van afgewerkte sp1ijtstof en opnieuw gebruik van uranium en plutonium is daarom de eerste decennia niet noodzake1ijk en,gazien de genoemde gevaren.daarom af te raden. 5.3 Andere varianten Om de overzichte1ijkheid nog enigszins te bewaren, hebben we ons in deze
studie moeten beperken tot de twaalf genoemde energieba1ansen. Het is echter zeker interessant am aaast de parameters die hier gevarieerd zijn (reactorstrategie, ertsgehalte, afva1kosten) de invloed van andere variabe1en te bestuderen. We zullen hier nog twee zaken in kort bestek bekijken: de inv10ed van het aanta1 effectieve reactorjaren (m 1evensduur x be1astingsfactor) en van de verrijkingskosten.
- 39 ~.3.1,
Invloed van het
~ant.l
effeetiave ructorjaren
In paragraaf 4.4 is voor deze studie gekozen voor een aantal effectieve reactorjaren K
= levensduur
x belastingsfactor = 25 x 0,65
= 16,25
(zie
tabel 2). Storm van Leeuwen en Rotty e.a. kiezen hier echter voor K
= 12
resp. K = 22,5. Het valt te verwachten dat bij een groter aantal effectieve reactorjaren de rendementen zullen stijgen omdat de constant blijvende energiekosten voor bouw en ontmanteling van de centrale over een groter aantal jaren (en dUB ook over een grotere hoeveelheid opgewekte energie) verdeeld
worden. We berekenen de rendementen voor een aantal
gevallen (zie tabel 8).
K=12
K=16,25 K-22,S
Rl
0,12
0,13
0,13
R2
0,14
0,14
0,14
R3
5,6
6,7
7,9
R4
3,8
4,3
4,7
R5
6,4
6,9
7,4
tabel 8
Rendementen bij
vari~rend
aantal effectieve reactorjaren (K) in het gevsll geen recycling, 0,17 % erts hoge afvalkosten.
Het verloop van de rendementen is ongeveer naar vertonen nauwelijks variaties, terwijl bij
verwachtin~.
opkl~end
R, en R2
aantal effectieve
reactorjaren R4 en R5 enigszins etijgen en R3 duidelijk meer groei vertoont. Vergeleken met tabel 7 zijn de variaties kleiner dan bij de overgang van lage naar hoge afvalkosten, maar grater dan bij vergelijking van de verschillende
reactorstrategie~n.
Hieruit kan voorzichtig geconcludeerd
worden dat het aantal effectieve reactorjaren een middelmatige invloed heeft verFeleken met de andere beschouwde factoren.
- 40 -
,5.3.2 l,nvload van de verr:ijkinls'kosten Het meest gebruikte procide voor het verrijken van natuurlijk uranium is de gasdiffusie. Naast dit proces is er in Nederland door Kistemaker (zie ook hoofdstuk 2) de ultracentrifugetechniek ontwikkeld. Ook deze . 235 238 techniek maakt gebruik van het massaversch1l tussen UF en UF ' Het 6 6 grote voordeel van dit procld' is dat het aanzienlijk minder energie vergt dan verrijking door middel van gasdiffusie. Men kan hierbij volstaan met 10 % van de energie die voor het gasdiffusieproced' vereist is, We verge-
lijken de rendementen in beide gevallen (tabel 9).
gasdiffusie
ultracentrifuge
Rl
0,13
0,14
R2
0,14
0,15
R3
6,7
7,3
R4
4,3
5,6
RS
6,9
10.8
tabel 9 Rendementen bij verschillende manieren van verrijking in het geval: geen recycling, 0,17 X erts, hoge afvalkosten
De
energie die tijdens de verrijking wordt verbruikt bestaat voornamelijk
uit electrische energie. Daarom is het niet verwonderlijk dat R ' waar S de electrische energie 2waarder weegt dan de thermiache, de meeste invloed ondervindt van de keuze van het verrijkingsproces. De varieties in RI tim R4 zijn minder groot. Hieruit blijkt dui.delijk det de manier waarop
het natuurlijk uranium verrijkt wordt van groot belang is, met name wat betreft het electrisch energieverbruik.
- 41 -
6. 'KRITIER In dit hoofdstuk vat ten we de kritiek s&men die in de vorige hoofdstukken geuit werd op Storm van Leeuwen, Ratty e.a. en het ministerie van Economische Zaken. Daarnaast worden enkele punten belicht die nog niet ter sprake zijn gekomen en laten we de kritiek van het ministerie van Economische Zaken de revue nag eens passeren. 6.1 Kritiek op de enerBieanalxse van Storm van Leeuwen We gaan puntsgewijs op een aantal zaken in. 1) Bij de berekening van het energieverbruik in aan aantal lasen maakt Storm van Leeuwen gebruik van de Bullard-Herendeenfactor. Omdat deze methode tamelijk onbetrouwbare resultaten oplevert dient men gebruik hiervan te beperken tot die gevallen waarin men niet over voldoende geievens beschikt om de input-outputmethode te
hanteren (zie 4.1 en
4.5~
2) De energieanalyse van Storm van Leeuwen omvat geen gevoeligheidsanalyse. Hij berekent een enkele energiebalans voor een LWR en verzuimt om de invloeden van een aantal factoren te onderzoeken. 3) De energiebalans van Storm van Leeuwen zoals die in tabel 1 is weergegeven, is niet in deze vorm in zijn boek terug te vinden. Hij geeft de balans in de vorm van een figuur (28) waaruit de waarden in tabel I te berekenen zijn. Deze figuur vertoont echter ernstige gebreken. Ten eerste is in deze figuur op een bijzonder vreemde Manier een plutoniumrecycling opgenomen. Zoals in 3.2.1. aangegeven is, is Storm van Leeuweru.uitgegaan van de massabalans van .eft once throughstrategie. Bij het opstellen van de energiebalans gaat hij er echter opeens van uit dat het plutonium teruggewonnen wordt .in-opnieuw gebruikt. Op deze Manier voert hij meer splijtstof aan de reactor toe, waardoor hij de massabalans volledig verstoort. Als hij plutoniumrecycling in rekening had willen brengen. had hij een andere massabalans op moeten stellen (zie 3.3.2 en de appendix), Bij de bestudering van zijn analyse dient het "aangeplakte ft plutoniumgedeelte daarom volledig buiten beschouwing gelaten te worden. Een tweede belangrijke fout betreft de weerg8ve van de uraniumstromen. WaarsclHjnlijk om esthetische redenen heeft Storm van Leeuwen ervoor gekozen om de hoeveelheden uranium niet aan te geven in gewichtseenheden, maar in eaergie-eenheden,waarbij hij de energie niet in Joules
- 42 -
opgeeft maar normeert op de hoeveelheid ingevoerd uranium (aan de hand van de totaal opgewekte energie is te berekenen dat 1 eenheid overeenkomt met 4,07 PJ). Hierdoor ontstaat a1 vroeg en de energieanalyse het probleem hoe men de energie-inhoud van het uranium definieert. In het gaval van een LWR is deze energie-inhoud Rehter niet eenduidig te definiiren (zie 5.1). Welke keuze Storm van Leeuwen heeft gedaan bij het vervaardi.gen van zijn figuur is vo1komen onduidelijk. Volgens zijn (correcte)
ma8sa~
· ba l ans levert versplijt1ng van 14,12 ton zware metalen ( voorname l'1J'k 235U)
1183 PJ(th) op,dus 83,8 PJ/ton. De 3243 ton te winnen uranium (zie fig. 15) worden in zijn figuur echter voorgesteld door 100.000 eenheden
~
4,07
PJ/eenheid. Dit 1evert een energie-inhoud op van 125,5 PJ/ton. Deze waarde wijkt erg veel van de genoemde 83.8 PJ!ton af en is daarom duedanig ongeloofwaardig dat we er van uit moeten gaan dat Storm van Leeuwen bij het vervaardigen van zijn figuur een ernstige rekenfout gemaakt heeft. Door deze fout ontstaat ook een volstrekt onbegrijpelijke overgang in de reactor. De omzetting van de potentille energie van het uranium zou volgens zijn figuur met een rendement van 48,6 % geschiedeJil..Aan de waarde van dit reactorrendement ken gezien het voorgaande geen enkel belang worden gehecht. Storm van Leeuwen heeft waarschijnlijk 09k op geen enkele manier met dit getal gewerkt. De opgewe-,. thermische en electrische energie liggen vast door de keuze van vermogen, levensduur, belastingsfactor en het turbinerendement van de centrale. Deee berekeningen zijn door Storm van leeuwen correct uitgevoerd. De messabalans die door deze facoren hepaald wordt is eveneens correct, dUB ook de hoeveelheid te winnen uranium. Wanneer men over de genoemde gegevens beschikt. is het berekenen van het;reactorrendement helemaal niet noodzakelijk meer om de energiebalans op te stel1en. De
invoer van thermische en electrische
energie is innners bekend, evenals de invoer van uranium en de u1.tvoer van electrisc~e
energie. Storm van Leeuwen heeft waarschijnlijk beida stukken
van de energiehuishouding afzonder1ijk berekend en bij de reactor zonder controle aan elkaar gekoppeld. Door een omrekeningsfout in het eerste stuk ontstaat dan een fout bij de overgang nsar het correcte tweede stuk. Door deze fout is ook de waarde van het rendement det hij opgeeft verkeerd, aangezien hij dit aan de hand van zijn figuur berekend heeft. Storm van Leeuwen had deze moeilijkheden kunnen voorkomen, door niet in zijn figuur een bepaalde energie-inhoud aan het uranium toe te kennen. Dit dient pas te gebeuren bij het opste1len van de rendementsdefinities, waar men de verschillende energiestromen tagen a1kaar afweegt (zie 5.1).
- 43 -
4) In zijn energiebalans brengt Storm van Leeuwen tweemaal het eigen verhruik van de centrale in rekening (zie 4.5.6). 5) De netverliezen volgens Storm van Leeuwen zijn niet in overeenstemming met de Nederlandsesituatie (de 4.5.7). 6) Storm van Leeuwen hanteert slechts een rendementsdefinitie. Dit is essentieel te weinig om tot een verantwoorde afweging van zaken te komen (zie 5.1). 7) Bij vrijwe1 a11e gegevens die Storm van Leeuwen in zijn boek opgeeft ontbreekt een bronvermelding. Samenvattend kunnen we ste11en dat de getallen in de energiebalans van Storm van Leeuwen niet betrouwbaar zijn, als gavolg van een aantal tamelijk grote tekortkomingen. 6.2 Kritiekop de energieana1zse van Rotty e.a. Zoals al eerder opgemerkt is zijn de berekeningen van Rotty e.a. op een aantal punten veel betrouwbaarder dan die van Storm van Leeuwen. Toch zijn er ook in het werk van Rotty e.a. enkele ernstige tekortkomingen te constateren; De belangrijke posten ontmanteling centrale en netverliezen ontbreken volkomen, terwijl voor de afvalverwerking slechts minimale voorzieningen in rekening zijn gebracht. De rendementen die zij berekenen zijn daarom zonder uitzondering te hoog. 6.3 Kritiek 02 de kritiek van het ministerie van Economische Zaken oR S~orm_van
Leeuwen
We zullen hier enkele punten belichten uit het rapport van het ministerie van Economische Zaken over het werk van Storm van Leeuwen.
I) B-14,B-15: Men heeft bijzonder zware kritiek op de rendementsdefinitie van Storm van Leeuwen, waarna men zelf ~ vervangende definitie voorstelt die men alleenzaligmakend acht. In 5.1 is voldoende beargumenteerd dat elke keuze van slechts een enkele definitie vo1strekte onzin is. Men dient een aanta1 definities :in de beschouwingen te betrekken, omdat iedere definitie zijn eigen specifieke informatie verschaft. 2) C-4 e.v.: AIle massahalansen en tabellen die men presenteert zijn weI
- 44 -
op de levensduur van de centrale g.normeerd, Aaar niat op de belastingsfactor. Dit maakt de waarden in de tabellen onvergelijkbaar en beinvloedt de beschouwingen die hieraan worden opgehangen. Er kunnen alleen objectieve vergelijkingen @emaakt worden wanneer men uitgaat van de uitgangsgegevens en niet van (tussen-) uitkomsten, die behalve door het aspect dat men wil besehouwen ook nog door andere factoren beinvloed wordt. Normeren op een effectief reactorjaar is daarom een voor de hand liggende gedachte. 3) C-4b: Het verrijkingspercentage in de massabalans van Rotty e.a. is 3,1 % i.p.v. 2,8 %. Dit is niet direct uit hun rapport te halen, maar kan uit hun tabellen berekend worden (29). 4) C-6: Zoals.in 3.2.2.1 besproken, is op dit moment een ertsgehalte van
0,12 % de meest voorkomende waard. De 0,2 % van het ministerie van Economische zaken is duidelijk te boog. Tevens laat men bier de grote voorraden Chattanooga ertsen buiten beschouwing. 5) C-7: In fig. 4 is bij de ontwikkeling van de vraag naar uranium de hoogste
tak in de groei weggelaten. Weliswaar is de realisatie van de groei volgens deze tak volgens INFCE niet erg waarschijnlijk, maar hij vertegenwoordigt
weI de situatie die op dit mOMent bestaat: vrijwel uitsluitend LWR's zander recycling. Door het weglaten van deze tak komt men tot een verkeerde voorstelling van zaken. 6) C-14 e.v. Hier gaat men in op het onbegrijpelijke reactorrendement van Storm van Leeuwen van 48,6 i.. We hebben deze kwesti in 6.1.3
uitvoerig behandeld.
We hebben daar aangetoond dat de fout van Storm van Leeuwen
pas ontstaan
moet zijn bij het maken van de figuur van de energiebalans. Door simpelweg een andere presentatievorm te kiezen, had hij deze fout kunnen vermijden. De suggestie van het ministerie van Economische Zaken dat volgens Storm van Leeuwen de potenti@le energie in het uranium evenredig is met de hoeveelheid 235 u enplutonium is dan ook uit de lucht gearepen. Er is hier niet sprake van ernstige reactorfysische fouten, maar van een ongelukkige en foutieve grafische weergave van de energiebalans. De berekening die men 8eeft op C-15 is daarom ook zin100s. omdat daze helemaal overeenstemt met de massabalans van Storm van Leeuwen. 7) C-lS: Uit de uranium/plutoniumrecycling-masssba1ans (fig.9) blijkt dat, zelfs wanneer men zoveel mogelijk opgewerkte splijtbare materialen opnieuw gebruikt, er slechts een klein percentage van het ingevoerde uranium ver-
- 45 -
spleten kan worden. Het is daarom volkomen tarecht om te stellen dat het principieel onmogelijk~is om het uranium in een LWR helemaal in energie om te zetten. De overblijvende zware metalen ken men in een LWR niet meer gebruiken. Men kan het verarmde uranium natuurlijk weI in een kweekreactor gebruiken, maar aangezien we principi~le
aIleen een LWR
beschou~~u,is
het zeker geen
fout om in die gevel de resterende zware metalen als afval te
beschouwen. 8) In C-26 en C-27 komt de kwestie van de rendementsdefinitie weer aan.de orde.
~oals
in 5.1 en 6·.3.1 beargumenteerd is, berusten de beschouwingen
op de genoemde bladzijden op de foutieve veronderstelling dat de keuze van een rendementsdefinitie eenduidig kan zijn.
6.4 Evaluatie van de kritiek van het minister!e van Economische Zaken Of Storm van Leeuwen J
:
Het ministerie van Economische Zaken verwijt Storm van Leeuwen.het volgende (zie hoo£dstuk 2): 1) onjuiste overname van gegevens uitbronnen; 2) onvolledige inf~rmatie over herkomst van geg.vens en gevolgde
berekeningsmethoden; 3) eenzijdige benadering van bronnen. 4) het poneren van stellingen zonder argumentering; 5) onvoldoende deskundigheid.
Hieruit concludeert men dat het werk van Storm van Leeuwen geen·zinnige bijdrage aan de BMD is. We lopen de diverse punten nog eens na. ad 1) In het gedeelte van het boek van Storm van Leeuwen dat door deze studie bestreken wordt, is daar niets van gebleken. Zie echter ook ad 2). ad 2) Dit punt van kritiek is volkomen terecht. Het blijft zeer vaak onduidelijk vanwaar Storm van Leeuwen zijn aegevens betrokken heeft en hoe hij bepaalde waarden berekend heeft. Hierdoor is het bijzonder lastig (en vaak onmogelijk) deze gegevens en berekeningen na te trekken. ad 3) Zo terecht als het vorige punt van kritiek was, zo misplaatst is het verwijt dat Storm van Leeuwen zijn bronnen steeds eenzijdig benaderd zou hebben. In deze studie is duidelijk nsar voren gekomen dat hij een groot deel van gegevens overgenomen heeft ut het werk van Ratty e.s. of waarden opgeeft van vergelijkbare !rootte. Zo zijn
- 46 -
de massabalans en de posten canversie, verrijking (erg belangrijk), elementenfabricage en transport bijzonder goed met elkaar in overeenstemming. Daar waar er minder overeenstemming bestaat. list soms het gelijk aan de kant van Ratty e.a., maar ook vaak genoeg aan de kant van Storm van Leeuwen. ad 4) Dit punt heeft voornamelijk betrekking op het gedeelte van het boek van Storm van Leeuwen dat niet in dit rapport behandeld wordt. We kunnen daarom hierover
geen~itspraak
doen.
ad 5) In de loop van deze studie is duidelijknaar voren gekomen hoe veelomvattend het terre in van de energieanalyse is. Wanneer het onderzoeksterreinendan nog eens uitgebreid wordt met de gebieden die ook Storm van Leeuwen er nog nsast bahandelt, wordt de materie bijzonder complex. Het lijkt nagenoeg onmogelijk om op a11e terreinen eenuit~ebreide deskundigheid te verkrijgen. Dat Storm van Leeuwen
dit, ondanks de enorme omvang van het werkterrein, geprobeerd heeft wijst misschien op enige mate van ze1foverschatting, maar het feit dat hij als eenling, met bijzonder beperkte faciliteiten, een dergelijk onderwerp aangepakt beeft, getuigt bovenal van een flinke dosis moed. Samenvattend kunnen we stellen dat in de energieanalyse van Storm van Leeuwen een aantal duidelijke tekortkomingen zijn aan te wijzen. Hierdoor zijn de getallen in zijn energiebalans niet betrouwbaar. Dit betekent echter niet dat zijn werk daarom geen zinnige bijdrage tot de BMD is. Hij geeft op diverse plaatsen in zijn analyse terechte kritiek op vrij grote tekortkomingen in gezaghebbende studies als die van Rotty e.a •• Deze nieuwe gezichtspunten kunnen wel degelijk gezien worden als zinnige argumenten in de BMD. Het is te hopen dat Storm van Leeuwen in zijn vervolgstudie zijn
kwalitatief goede argumenten kan voorzien van een gedegen
kwantitatieve basis.
- 47 -
7. CONCLUSIES 1) De energiebalans van een once through LWR-serategie, die Storm van Leeuwen berekend heeft, berust deels op onjuiste gegevens en berekeningen. De kwantitatieve resultaten van zijn energieanalyse zijn daarom niet betrouwbaar. 2) De energieanalyse van Storm van Leeuwen heaft echter zeer zeker nieuwe gezichtspunten naar voren gebracht en is daarom beslist te zien als een positieve bijdrage aan de Brede Maatlchappelijka Di.cuasi ••
3~
Toepassen van een LWR voor het opwekken van electriciteit bespaart fossiele brandstoffen ten opzichte van conventionele centrales. Er wordt echtet minder bespaard dan uit de studie van Rotty e.a. blijkt. Deze besparing aIleen is echter onvoldoende om op grond hiervan een beslissing te nemen over het al dan niet gebruiken van kernergie. Er spelen nog meer zaken een belangrijke rol, die niet in daze stud!e aan de orde zijn geweest.
4) Recyclin8 van uranium en plutonium levert aeen bijdrage aan de verlaging van het gebruik
~an
fossiele brandstoffen in een LWR-cyclus, vooral bij
gebruik van rijkere ertsen. Gezien het feit dat de eerste decennia deze ertsen nog voorhanden zullen zijn en gezien de gevaren die met opwerking en recycling verbonden zijn, is momenteel het opwerken van afgewerkte splijtstoffen beslist af te raden.
- 48 VOETNOTEN (1)
J.W. Storm van Leeuwen, Tussen kernenergie en kolen: een analyse, Ekologische uitgeverij/lntermediair Bibliotheek, Amsterdam, november 1980
(2)
Ministerie van Economische Zaken, Commentaar op het boek "Tussen kernenergie en kolen, een analyse" van ire J.W. Storm van Leeuwen, 1981
(3)
R.M. Rotty, A.M. Perry en D.B. Reister, Net energy from Nuclear Power, Institute for Energy Analysis Oak Ridge Associated Universities, Oak Ridge Tenn. U.S.A, mei 1976
(4)
J.W. Storm van Leeuwen, Ook kerncentrales draaien op olie, Intermediair 37, 1980
(5)
J.W. Storm van Leeuwen, De Titanic was toch ook onzinkbaar, Intermediair 47, 1980
(6)
dive auteurs, Intermediair Ingezonden, Intermediair 46, 1980
(7)
dive auteurs, Intermediair Ingezonden, Intermediair 5, 1981
(8)
Uranium Supply and Demand, Proceedings of the Third International Symposium held by the Uranium Institute, July 12-14 1978, Mining Journal Books Ltd., Gr. Brit, bIz 113
(9)
International Nuclear Fuel Cycle Evaluation (INFCE), Summary Volume, I.A.E.A., Wenen 1980
(10) Nuclear (11) INFCE
N~s,
O.C.
februari 1980
blz. 71
(12) INCFE o.c. bIz. 69 (13) Nota Energiebeleid deel 3 bIz. 142-144 (14) M. Willrich, T.B. Taylor, Nuclear Theft: Risks and Safeguards, Ballingen Publishing Company,Cambridge Mass. U.S.A., 1974 (15) H.J. Blaauw, De energieanalyse voor de kernenergie, Energiekroniek 5-8-1981 (16) Nuclear News, februari 1980 (17) ministerie van Economische Zaken o.c., bIz. C-2 (18) J.W. Storm van Leeuwen, Borssele niet zo goedkoop, Beta 8, 1981 (19) Nuclear News, juli 1979, bIz. 34 (20) The Bulletin of the Atomic Scientists, november 1980, bIz. 53 (21) Ministerie van Economische Zaken o.c. bIz. 5 (22) Rotty e.a. o.c. bIz. 52 (23) T.S. La Guardia, Nuclear Power Reactor Decommissioning, Nuclear Safety vol. 20, jan.-feb. 1979
- 49 (24) Ministerie van Economisehe Zaken o.c. bIz. C-20 (25) Minhterie van Economische Zaken o.c. bb. C-24 (26) M:b:ilstede van Economische Zaken o.c. bb. C-27 (27) Energienota deel 3, blz, 15 (28) Tussen kernenergie en kolen a.c. bIz. 46 (29), Rotty e.a. o.c. blz. 22-23 (30) Uranium Supply and Demand o.c. bIz. 300
- 50 -
APPENDIX: BEREKENING VAN MASSABALANSEN ,BIJ RECYCLING I) Uraniumr~cycling
Met behulp van fig. 7 en fig. 15 en enkele behoudsregels kan men een nieuwe massabalans berekenen voor het geval dat men het uranium, dat de
react~r
verlaat en nog 0,85 % 235u bevat, opnieuw wil gebruiken. Na opwerking van de afgewerkte splijtstof en omzetting van het teruggewonnen uranium in .. 424 60 2581 • 235 UF 6 blLJft er 36,22 • 428:889 • 2594 = 35,68 ton uranLum (0,85 % U) over als invoer voor de verrijkingsfabriek (zie fig. 13).
VERRIJKING 35,7 0,85%
38,3
3,1%
~------,
fig. 13
Mathematisch model verrijiing
De uitvoervan de verrijkingsfabriek dient constant te blijven. Uit het 235 U voIgt: behoud van de massa van het tatale uranium en van de massa van
x
+
35,7
=
Y + 38,3
X'O,71 + 35,7-0,85 = Y·O,2 + 38,3 3,1 0
Hieruit voIgt: X = 172 en Y = 170. Waar nodig moeten ook de andere hoeveelheden verhoudingsgewijs aangepast worden. Het resultaat is dan fig. 8. Hieruit blijkt dat uraniumrec,cling een besparing aan uranium oplevert van 20 %. Dit stemt uitstekend overeen met een besparing van 19 % volgens Rotty e.a. (zie tabel 9~
- 51 2) Uranium/plutoniumrec~clins
De berekening van een massabalans wordt veel ingewikkelder wanneer ook het opgewerkte plutonium opnieuw gebruikt wordt. Wanneer men een massabalans zonder discontinutteiten wil opstellen, is het essentieel dat men uitgaat van een evenwichtssituatie. Deze evenwichtssituatie is echter niet zonder meer uit uit fig. 7 af te leiden. Naast de gegevens uit £ig.7, fig, 15 en fig. 16 zullen we enkele kunstgrepen moeten gebruiken. We gaan uit van de volgende punten:
I) Bij iedet'e cyclus wordt er steeds evenveel gemakkelijk splijtbaar materiaal
~235U,
239 pU ,
2~lpu)
de reactor ingevoerd, onafhankelijk
van de samenstelling van de splijtstof, n1. 1,159 ton. Met ande.re woorden: wenemen aan dat 239pu en
2~lpu
zich exact hetzelfde ge-
dragen als 235 U• 2) Plutonium wordt vermengd met natuurlijk uranium en weI zo dathet
uranium 3,2 % gemakkelijk splijtbaar plutonium bevat. 3) De hoeveelheid gemakkelijk splijtbaar materiaal, die naast boven-
genoemd uranium/plutoniummengsel nog moet worden toegevoerd, is in de vorm van 3,1 % verrijkt uranium. 4) Per cyclus wordt er steeds evenveel
~
gemakkelijk splijtbaar
plutonium gevormd, ongeacht de samenstelling van de splijtstof, n1. 0,2351 ton. Aannamen I en 4 zijn niet gehee1 correct. Toetsing van de uiteindelijke resultaten aan de gegevens van Rotty eta. za1 echter leren dat we op deze manier wel tot betrouwbare resultaten komen. Om de hoeveelheid gemakkelijk splijtbaar plutonium, die in een evenwichtssituatie de reactor ver1aat, te berekenen stel1en we het volgende model op (zie fig. 14). -
.-
)
-=-
.-.
REACTOR
v
RECYCLING k:=k+l
~...
fig. 14 Mathematisch model plutoniumrecycling
- 52 AIle symbolen betreffen gemakkelijk 8plijtbaar plutonium e Zk = hoeveelheid uitgevoerd plutonium na de k cyclus q
- fractie van het plutonium dat na opwerking, opslag en elementenfabricage overblijft om onieuw gebruikt te worden
p - fractie gemakkelijk splijtbaar plutonium dat weI de reactor ingevoerd wordt maar niet verspleten wordt uit de figuren 7, IS en 16 voIgt: 3,683 _ 13,894 - 0,265
p q
qopwerking • qopslag • qelementenfabricage
= 4rO~ • 74,1 • 21,06 • 4,0 5
74,55· 21,43
~
22,20
= 0,959
°°
z-
Z1= 0,7012 • 0,335 (70 % van 0,34 ton plutonium is splijtbaar) =
0,235
Omdat bij iedere cyclus opnieuw ZI gevormd wordt en van de vorige cyclus een fractie pq is overgebleven, geldt er:
= pq(pq.Zk-2 k = ZI
!
•
n=1
(pq)
+ ZI) + ZI
n-I
Voor het stationaire model geldt: lim Z k~ k
00
=
tn-I
ZI • l
(pq)
n=1 Zl
- pq 0,315 De uitvoer van de reactor aan gemakkelijk splijtbaar plutonium is nu dus bekend. Door nu op vergelijkbare wijze ale bij de uraniumrecycling een aantal maal behoudsregels toe te passen en gebruik te maken van verhoudingen van getallen uit fig. IS en fig. 16 is nu fig. 9 te
berekene~
- 53 -
Uranium/plutaniumrecycling levert dUB een besparing van 41 % aan uranium op ten apzichte van een once through-strategie. Uit tabellO voIgt dat dit volgens Rotty e.a. 37 % is, hetgeengaed met elkaar in avereenstemming is, Ret kamt oak overeen met andere bronnen, waar gesteld wardt dat plutoniumrecycling 20 % bespatrng toevoegt aan de besparing van 20 % wanneer aIleen uranium opnieuw gebruikt wardt (30).
Fuel Cycle
Ln
!-..-----PWR
No recycle
"Lifetime" Requirements-
richment
.20%
.21S%
U+Pu Recyc Ie
aWR
MT
4732
3790 :n8l
822 822 822
3825]
3022
---3639---Bi2
.275:
4469-
3075
822
• )0%
47182911
822
[20;;::"
:n29~0i----- ;6S;~"-'
.27~
541r'
.- $,-;-
.301
3643
2240 2127
.20% .30%
4670 5)01;; 5569
2885 2735
964 964 964
U Recycle
.20% .275% .30%
3715 4329 4567
3340 2801 2651
964 964 964
U+Pu Recycle
.20r.
2887 3347 3500
2402 2011 1906
946 94f, 946
2278 2668 2829
2955 2601
257 257 257
No Recycle
.2n%
.215% .30%
RTCR
Fuel Load
SWU(lOlk,)
~682
._-- ( .26%
*
MT
SliOt
• 30X U Recycle
Work
Uranium
Ta iIs Assay
I
Ml~v (e) Separative
22.500 Natural
Standard
.20% .215% .30%
--------_.H1gh Cain .20%
tabel 10
3462
_----_ . _------_.
2509
.30%
1584
NA NA
3831 1888
~A
)831
~A
1888
Massabalansen volgens Rotty e.a. ( ongenormeerd)
1866
802
1439 1685 1787
.275% HWR No Recycle (Candu) Pu Recycle
..
. 802
IM4
·257 257 257
- 54 -
4311._ 13....
..Is 0f-"U a.t:M-., ...
l'IItI.utijll .......
PI!
U-:za lJ..:za lJ..u. SP
..,+M.r.n.
3,04,-1. u-t.
C'IIttU
32Q IaIt
nat.U 2581
vlII'I'ijkt U 4110
2,0111 .... 12
\/III"rlJl!tU 453 ....
Pu
fig. 15LWR massaoilans volgens Storm van Leeuwen
Pu
I
---"1
14,12 0,323
0,»3
U"'.!3111 U-,3111
, I,M
4,H 0,031 0,021
3.683
lr2llJ
L~~.:- . pI'
G.1M1
4.01& CfI ....
424. GO 3,847 2,038 4.024
.(ongenormeerd)
340,0 U
"'1
fig. 16
Massabalans van een snelle kweekreactor volgens Storm van Leeuwen (on$enormeerd)
- 55 -
LIJST VAN TABELLEN tabel I
Energiebalansen van een once throush LWR splijtstofgang volgens Storm van Leeuwen en Rotty e,a,
tabel 2
Basisgegevens voor de energisanalyse
tabel 3
Overzicht van de tot nu toe gebouwde centrales
tabel 4
Energieverbruik per fase in de splijtstofgang
tabel 5 tabel 6
Resulterende energiebalansen
tabel 7 tabel 8 tabel 9 tabel 10
Rendementsdefinities Rendementen voor de opwekking van electriciteit1met een LWR Rendementen bij variirend aantal effectieve reactorjaren Rendementen bij verschillende manieren van verrijking Massabalansen volgens Rotty e.a,
- 56 -
LIJST VAN FIGUREN fig. ]
Schematisch overzicht van de splijtstofgang van een licht water reactor
fig. 2
Genormeerde massabalans van Storm van Leeuwen voor een once through
fig. 3
fig. 4
I
GW(e) LWR strategie
Genormeerde massabalans van Rotty e.a. voor een once through 1 GW(e) LWR strategie Ontwikkeling van vraag(lage variant) en aanbod van uranium volgens INFCE
fig. 5
Ontwikkeling van vraag (hoge variant) en aanbod van uranium volgena INFCE
fig. 6
Verband tussen ertsgehalte en raffinagerendement
fig. 7
Resulterende once through massabalans voor een LWR
fig. S
Massabalans bij uraniumrecycling
fig. 9
Massabalans bij uranium/plutoniumrecycling
fig. 10
Schematische weergave van de opbouw van het energieverbruik van een willekeurig systeem
fig. 1 1
Schematische weergava energiebalans
fig. 12
Essentie
fig. 13
Mathematisch model verrijking
fig. 14
Mathematisch model plutoniumrecycling
fig. 15
LWR massabalans vol gens Storm van Leeuwen (ongenormeerd)
fig. 16
Massabalans van een snelle kweekreactor volgens Storm van Leeuwen (ongenormeerd)
~an
de UlR splij tstofeyclus
