Kernreactor voor onderzoek

Jan Leen Kloosterman Technische Universteit Delft Toegepaste Natuur Wetenschappen Jan Leen Kloosterman

1

Physics of Nuclear Reactors

Kernreactor voor onderzoek

Jan Leen Kloosterman

2


1

1. Het Mondiale Energievraagstuk 2. Werking van Kerncentrales 3. Veiligheid van Kerncentrales 4. Nieuwe typen Kerncentrales 5. Splijtstofcyclus en afvalproduktie


3


Het Mondiale Energievraagstuk


4


2

Energieverbruik per inwoner


5


Voorspelling groei wereldbevolking

1995-2025: India +400, China +260, Pakistan +130, Nigeria +130 miljoen inwoners! Jan Leen Kloosterman

6


3

Voorspelling mondiaal energieverbruik

x5

x2


7


Voorspelling olieproduktie (ASPO 2004)


8


4

CO2 concentratie in de atmosfeer

9



Duurzame energiebronnen

Afvalverbranding!


10


5

Voorbeeld biomassa

⇒ 3 vrachtwagens per dag

⇓

Opschalen naar 500 MWe 1 vrachtwagen per 3 min


11

PhysicsTechnisch of NuclearWeekblad Reactors 14 oktober 2005

Kernenergieproductie in de wereld

2002: nucleair +2.5%; mondiaal energieverbruik +2.6%; China +20% Jan Leen Kloosterman

12


6

Aantal kerncentrales in bedrijf (2003)

Totaal 441

Nederland

13



Aantal kerncentrales in aanbouw (2003) 2005: 7 nieuwe reactoren Met totaal vermogen van 8000 GWe (18xBorssele)

Total 31


14


7


15


Electriciteitsproductie in de EU-15


16


8

Aantal kernreactoren binnen 500 km


17


Conclusies energievraagstuk • Mondiale energieverbruik groeit sterk door • Groei wereldbevolking • Groei energieverbruik per inwoner • Circa 40% van energieverbruik wordt gedekt door olie. • Naast zon, wind en waterkracht, vooral meer gas, kolen en kernenergie. • Kernenergie goed voor 17% van electriciteitsproductie. • Groei van kernenergie vooral in het Verre Oosten.


18


9

Werking van Kerncentrales

19



Uranium

U-238

Electronen

U-238 92 p en 146 n Niet splijtbaar Jan Leen Kloosterman

99,3% voorkomen

Atoomkern met protonen en neutronen

U-235 92 p en 143 n Goed splijtbaar 20

0,7% voorkomen


10

neutron U-235

Moderator

U-235

U-238

U-239

Moderator

Np-239 Jan Leen Kloosterman

U-238

Pu-239

21

Physics of Nuclear Reactors Pu-239

Energie dichtheid: equivalent van 1 gram Gary’s benzine

2500 liter Jan Leen Kloosterman

Kolen

3000 kg 22


11

Werking van een drukwaterreactor (PWR)

23



Centrales in Borssele


24


12

Kerncentrale Borssele


25


Splijtstofelement van een DWR


26


13

Splijtstoftabletten

Per tablet genoeg electriciteit voor een gezin per jaar

27



Reactorvat van een DWR


28


14

Werking van een kokendwaterreactor (BWR)


29


In bedrijf zijnde commerciële vermogensreactoren in 2000 (bron: Nuclear Engineering International Handbook 2000) Totaal vermogen: 364 GWe 57,9% Drukwaterreactor (PWR) 21,4% Kokendwaterreactor (BWR) 7,8% Gasgekoelde grafietreactor (GCR) 7,6% Zwaarwaterreactor (PHWR) 3,2% Lichtwatergekoelde grafietreactor (LWGR) 0,9% Snelle kweekreactor (FNR) 1,2% Andere reactoren


30


15

Veiligheid van Kerncentrales

31



Inherent veilige terugkoppeleffecten Kettingreactie dooft vanzelf uit als temperatuur toeneemt

U-235

Moderator

U-235

Dit betekent: 1)

stabiel systeem (zelfregeling)

2)

verlies van koelcapaciteit schakelt de reactor af


3) verlies moderatie Physics of Nuclearvan Reactors

32

schakelt de reactor af

16

Veiligheid van kerncentrales meerdere barrières om radioactief materiaal binnen te houden

Splijtstof (tablet en bekleding) Primair systeem (staal) Veiligheidsomhulling (2x beton + staal) 33



Reactorgebouw

waterbassins


34


17

Groepsrisico’s energievoorziening 1,E-02 10-2

kans per jaar

1,E-03 10-3

Schiphol (RIVM 2005)

1,E-04 10-4

onaanvaardbaar

1,E-05 10-5

ALARA

1,E-06 10-6 1,E-07 10-7

verwaarloosbaar kernreactoren

1,E-08 10-8

1

10

100

1000

minimaal aantal doden

(individueel risico is toelaatbaar als < 1.10-6 per jaar per activiteit) 35



Groepsrisico’s energievoorziening EU: totaal aantal doden (schatting) voor bestaande systemen Aantal doden / TWh

kolen bruinkool turf

olie

gas nucleair bio

water

wind

Nederland: 100 TWhe / jaar wereld: 16.000 TWhe / jaar Jan Leen Kloosterman

36


18

Conclusies veiligheid kerncentrales • Alle Westerse kerncentrales zijn ontworpen met inherent veilige vermogensterugkoppeling • De reactorkern van een centrale moet altijd worden gekoeld, ook als de kettingreactie is gestopt • Het aantal slachtoffers t.g.v. kernenergie is verwaarloosbaar klein • Het risico van kerncentrales is veel kleiner dan alledaagse activiteiten als autorijden, vliegen, etc.


37


Economie van Kerncentrales


38


19

(source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman

39


(source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman

40


20

Uraniumvoorraden •

de aardkorst bevat 40 x zoveel uranium als zilver; evenveel uranium als tin

•

goedkoop uranium (tot 80$ per kg; 3 x 106 ton) is er voldoende voor 50 jaar bij gebruik van snelle reactoren: 5.000 jaar

•

uranium uit zeewater (450$ per kg; 4 x 109 ton) is er voldoende voor 6.000.000 jaar

•

bij gebruik van thorium en uranium: 30.000.000 jaar

De uraniumvoorraad is onuitputtelijk !


41


Nieuwe typen Kerncentrales


42


21

De evolutie van kernenergie Generation I Generation II Generation III

Early Prototype Reactors

Commercial Power Reactors

Generation IV Evolutionary Designs Offering Improved Economics

- Highly Economical

- Enhanced Safety

- Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox

1970

1980

Waste

- Proliferation Resistant

Gen III

Gen II

1960

- Minimal

- ABWR - System 80+ - AP600 - EPR

- LWR-PWR, BWR - CANDU - VVER/RBMK

Gen I 1950

Advanced LWRs

1990

2000

2010

Gen IV 2020

2030

43



Hogere temperaturen: hogere efficiency Percent of current standard (%)

100 Power cost 80 60

Fission product waste

40

Reject heat cooling water consumption

20 0 30

40

50

60

70

Thermal efficiency (%) Jan Leen Kloosterman

44


22

Gas-gekoelde Hoge Temperatuur Reactor


45



46


23

Splijtstof van een HTR

PBMR (110 MWe) 440.000 stuks

15.000 x

47



Splijtstof van een HTR


48


24

Veiligheid van een HTR


49


Splijtstofcyclus en Afvalproduktie


50


25

U-235

Moderator

U-235

U-238

U-239

Actiniden

Kernsplijtingsafval Np-239 51


Physics of Nuclear Reactors Pu-239

Twee soorten radioactief afval 9

10

Actinides Fiss Prods Ore

actiniden (110 kg per jaar)

8

10

Radiotoxiciteit / Sv Radiotoxicity (Sv)

7

10

6

10

erts 5

10

250.000 jaar

250 jaar

4

10

splijtingsproducten (450 kg per jaar)

3

10

2

10 1 10

2

10


3

4

10 10 Storage Tijd /time jaar(a)

5

10

6

10

52


26

Radiotoxiciteit van de actiniden 8

Radiotoxicity (Sv)

Radiotoxiciteit / Sv

10

Pu Am Cm U Np Ore

plutonium (100 kg)

7

10

americum (6 kg)

6

10

250.000 jaar

5000 jaar

5

10

erts

4

10 10 1 10

curium uranium 10 2

3

10 St

10

4

10

5

10

6

Tijd /tijaar( )

plutonium is splijtstof americium is echt afval 53



Radioactief afval: gebruikte splijtstof andere actiniden 6 kg plutonium 100 kg

splijt- en kweekstof

splijtingsproducten afval 450 kg

uranium 9440 kg

getallen: jaarlijkse productie Borssele


54


27

Gebruikte splijtstof: slechts 4,5% is echt afval

1%

94%

opwerken

4,5%

55



Splijtstofcyclus


56


28

Conclusies splijtstofcyclus • Gebruikte splijtstof bestaat uit ¾ Splijtingsproducten (450 kg) ¾ Ongebruikt Uranium (9440 kg) ¾ Plutonium en Americium (100+6 kg) • Splijtingsproducten zijn na 250 jaar onschadelijk • Americum is na circa 5000 jaar onschadelijk • Plutonium is voornamelijk bruikbare splijtstof • ‘Borssele’ genereert 1,3 m3 hoog-radioactief afval per jaar (verglaasd en al) ⇒ 2 cm3 per inwoner als alle electriciteit met kernenergie zou worden opgewekt • Hoe sterker afval straalt, hoe sneller het is uitgewerkt 57



Vragen ?


58


29

Kernreactor voor onderzoek

Recommend Documents