2012 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Kernenergie

Nathal Severijns Lessen voor de XXIste eeuw 27/02/2012

KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

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

1. Inleidende begrippen

2. Energie uit atoomkernen 3. Soorten ioniserende straling - stralingsdosis 4. Belgische kerncentrales

5. Veiligheid – Fukushima/Tsjernobyl 6. Kernafval 7. Kernfusie 8. Energie in de XXIste eeuw

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

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

e.g.

hebben hetzelfde aantal protonen maar een verschillend aantal neutronen

waterstof:

1 H 1

/ deuterium 21H / tritium 31H

uranium:

uranium-235

235 U 92

/ uranium-238


238 U 92


Nuclidenkaart een rij voor elk element,

protonen (elementen)



met de isotopen van dat element

 uranium lood 

tin 

zwart : stabiele isotopen nikkel 

(niet radioactief)  calcium

kleuren: vervalmodes van de radioactieve isotopen

 zuurstof  waterstof

neutronen (isotopen) 


2. Hoe energie halen uit atoomkernen?

1

kernsplijting

0n

102 134

235

38Sr

54Xe

92U

1

0n

kernfusie 2

1H 1

4 3

1H

2He


0n

Nuclidenkaart een rij voor elk element,

protonen (elementen)



met de isotopen voor dat element lood 

fissie van uranium-235 tin 

fissieproducten

nikkel 

zwart : stabiele isotopen (niet radioactief)

 calcium

kleuren : vervalmodes van de radioactieve isotopen

 zuurstof  waterstof

neutronen (isotopen) 

fusie Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

Energie uit kernsplijting

proces energie-opbrengst __________________________________________________________________ verbranding van 1 kg steenkool

3 x 107 J (Joule)

(chemisch proces; verbinding van koolstof met zuurstof)

fissie van 1 kg

235U

factor 2 tot 3 miljoen !

8 x 1013 J

(deeltjes na splijting zijn samen iets lichter dan 235U+n; dit verschil in massa is omgezet in energie via E = mc2)

( noteer: een persoon verbruikt dagelijks ongeveer 2000 calorieën, of ong. 8000 kiloJoule; dit is ongeveer evenveel als er vrijkomt bij de verbranding van 250 g steenkool)

Dit betekent:

om de energie die vrijkomt bij splijting van 1 kg verrijkt uranium met steenkool op te wekken heb je ongeveer 90.000 kg steenkool nodig 1.000 Mwatt kerncentrale:

4 wagons uranium per jaar

versus

54.000 wagons steenkool


3. Soorten straling in het verval van radioactieve isotopen

alfastraling (, 4He)

papier, opperhuid (langlevend kernafval)

bètastraling (e-, e+) Al plaatje, ~cm in lichaam (splijtingsproducten)

gammastraling ()

lood, ganse lichaam (splijtingsproducten)


Stralingsdosis Eenheid: Sievert (Sv)

mSv = milliSievert ( 1 / 1.000ste )

Sv = microSievert ( 1 / 1.000.000ste)

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

bevolking (excl. natuurlijke achtergrond & medisch)

20 mSv / jaar

professionelen

250 mSv / jaar

professionelen in noodsituaties

Kans om aan kanker te sterven t.g.v. opgelopen dosis straling: 5% per Sievert Stralinsgziekte:

bij extreme stralingsdosis opgelopen op korte tijd

vanaf 1 Sv : stralingsziekte nog wel te behandelen

vanaf 4 Sv : stralingsziekte met dodelijke afloop (cf. Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

210Po

case)

Verdeling van de stralingsdosis in Vlaanderen

Totaal: ~4.1 mSv / jaar Noteer: - radon: ~1 mSv / jaar (in Ardennen x 3 !!) - dosis voor medische toepassingen stijgt !

Source: UNSCEAR 2000

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns 27/02/2012

Stralingsdosis - Voorbeelden

10 mSv/jaar 2 tot 15 mSv/keer

2,4 mSv/jaar 1 mSv/jaar pakje sigaretten per dag:

0,35 mSv/jaar 0,1 mSv/trip Europa

0,05 mSv/keer

VS


137Cs

concentratie in België van 1957 tot 2005

na 2 jaar : - 80%

na 5 jaar : ~ achtergrond Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

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

1: 2: 3: 4: 5:

reactorvat branstofstaven controlestaven drukregelvat warmtewisselaar

10, 11: 14: 16: 17:

turbines alternator transformator hoogspanningslijn

12: 18: 22: 23: 24:

condensor waterloop koeltoren opwaartse luchtstroom waterdamp

Pressurized Water Reactor - PWR

Lessen XXI-ste eeuw Doel; - N.bijgewerkte Severijns - 27/02/2012 bron: E. Devoor Clecrqde (uitg.), Kerncentrale Milieuverklaring 2011, Electrabel-GDF SUEZ Groep, Doel, 2011

Binnenzicht van een kernreactor

blauwe gloed = Cerenkovstraling

(als geladen deeltjes sneller bewegen dan het licht in het water)


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

Ook: - batterijen + dieselgeneratoren (op +60 m) - van alle cruciale componenten zijn minstens twee reserve-exemplaren permanent beschikbaar

- primair omhulsel: belet dat radioactieve stoffen uit het reactorgebouw kunnen ontsnappen; bestand tegen sterke druk van binnenuit - secundair omhulsel (gewapend beton): beschermt de installaties tegen externe ongevallen (o.a. vliegtuigimpact)

- om de tien jaar een veiligheidsherziening Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

5. Veiligheid van kerncentrales

Voornaamste mogelijke problemen: - verlies van stroom (extern, intern, back-up stroomvoorziening) - verlies van koelvermogen (Fukushima) - reactor wordt superkritisch (meltdown – Tsjernobyl) Mogelijke oorzaken (cf. stress-tests):

- menselijke fout - aardbeving (België tot 6,5 op Richterschaal) - overstroming (Doel gebouwd op 4m boven waterstand bij storm van 1953)

- extreme weercondities - terroristische aanslag - vliegtuigcrash (lijnvliegtuig - straaljager) - giftige gassen - cyber-attack


Wat is er gebeurd in Fukushima ? - 11/03/11, 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 in Fukushima uitgeschakeld - 11/03 – 12/03: evacuatie 20 km zone - 13/03 – 15/03: verschillende H-explosies en 3x partial meltdown  vluchtige radioactieve stoffen ontsnappen (I, Cs)

- einde maart 2011: reactoren stabiel - juli 2011: nieuwe gesloten koelwatercircuits - geen doden of personen met stralingsziekte - ong. 100 personen met dosis v.100-250 mSv Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

De kernreactoren van Fukushima vs. de Belgische

Fukushima Boiling Water Reactors het water dat de reactorkern koelt drijft rechtstreeks de turbines aan

België Pressurized Water Reactors het water dat de reactorkern koelt veroorzaakt stoom in een tweede circuut die dan de turbines aandrijft  extra koelwatercircuit zodat radioactiviteit in reactorgebouw blijft Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

22/09/2011


Fukushima was Tsjernobyl niet - verschillende menselijke fouten - reactortype internationaal niet aanvaard - reactorvat door explosie vernietigd - splijtstof 10 dagen open aan lucht gebrand  zeer veel radioactief materiaal (~10 x meer dan in Fukushima)

via de lucht verspreid over groot gebied (in Fukushima werd vooral de site zelf zwaar gecontamineerd)

Tsjernobyl: - 40 personen gestorven aan stralingsziekte - verwacht wordt bijkomend ~4.000 van in totaal ~650.000 blootgestelde personen Versus: per JAAR 1.000 verkeersdoden in B ! per JAAR ~90.000 doden in VS alleen door ziekenhuisinfecties ! Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

kernafval 6. Kernafval

Fissie producten

Actinides

nu: scheiding in La Hague (F) + bovengrondse opslag in Dessel en later mogelijk in kleilagen op 225 m diepte in Mol

toekomst: ADS-principe (Accelerator Driven System)  langlevende actiniden splijten in (korter levende) splijtingsprodn met energetische protonbundel  opslag gedurende 250 jaar i.p.v. 100.000 jaar Europees testproject: MYRHA (SCK-Mol)

vrijgekomen energie van kernafval uit een 1000 MW centrale die 1 maand operationeel was Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

MYRRHA project StudieCentrum voor Kernenergie; SCK-CEN in Mol

• kernreactor aangedreven door een deeltjesversneller (ADS – Accelerator Driven System) • enkel fissie wanneer protonen op de splijtstof vallen  geen ‘meltdown’ mogelijk • brandstof: uranium, afval van uraansplijting, thorium • doel: - omzetten van langlevend kernafval van kernreactoren in kortlevend afval (~250 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) Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

kernafval 7. Kernfusie

deuterium: -

2 H 1

(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 te bestralen met neutronen in een kernreactor

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


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

D + T  4He + n

6Li

+ n  T + 4He

(bijproduct)

lithium: uit zeewater

energie van neutronen gebruikt om stoom te produceren Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns -

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

ITER

ITER (Cadarache in Zuid-Frankrijk) - 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


kernafval 8. Bedenkingen bij het elektriciteitsvraagstuk Er is nood aan gecoördineerd en verantwoord elektriciteitsbeleid ! dit houdt rekening met: - kunnen voldoen aan de vraag - elektriciteit moet betaalbaar blijven voor iedereen - veiligheid en CO2 uitstoot - zo veel hernieuwbare energie gebruiken als redelijkerwijs mogelijk is

opm. : - manier van subsidiëring van zonnepanelen was totaal onverantwoord !! - wind- en zonne-energie zijn in ons land niet constant beschikbaar  extra (‘back-up’) centrales bouwen  duurdere stroom  in België kan max. 15 à 20% van de elektriciteit uit hernieuwbare energie komen - gas- en stroomcentrales (STEG) zijn geen volwaardig alternatief voor kernenergie (verbranding van methaangas produceert nog steeds 55% van de hoeveelheid CO2 die bij de verbranding van steenkool vrijkomt !! ), maar zijn wel flexibel wat productie betreft

- mits goed energiebeleid kan percentage kernenergie (nu ~50 %) verminderd worden

als dit door het democratisch proces gevraagd wordt; kernuitstap nu is niet slim Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

kernafval 8. Een voorstel voor elektriciteitsvoorziening in de XXIste eeuw

- middellange termijn: - hernieuwbare energie - nieuwe (veiliger) kernreactoren - ADS-systemen die kernafval verbranden - STEG centrales - lange termijn :

naar een CO2-vrije productie van elektriciteit aan het einde van de XXIste eeuw - hernieuwbare energie - kernfusie


2012 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN

Recommend Documents