Kernreactor voor onderzoek

Jan Leen Kloosterman Technische Universteit Delft Toegepaste NatuurWetenschappen 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


Kernenergieproductie in de wereld

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

8


4

Aantal kerncentrales in bedrijf (2006)

9



Aandeel kerncentrales (2005)


10


5

Aantal kerncentrales in aanbouw (2003)

2005: 7 nieuwe reactoren Met totaal vermogen van 8000 GWe (18xBorssele) Jan Leen Kloosterman

11



12


6

Electriciteitsproductie in de EU-15


13


Aantal kernreactoren binnen 500 km


14


7

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 en voor circa 8% van de totale energiebehoefte. • Groei van kernenergie vooral in het Verre Oosten.


15


Werking van Kerncentrales


16


8

Uranium

U-238

U-238

U-235

92 p en 146 n

92 p en 143 n

Niet splijtbaar

Goed splijtbaar 17


99,3% voorkomen

0,7% voorkomen


Moderatie van neutronen 4

-6

10

10

2

0

-7

10

10 U-235 Pu-239 U-238

-2

10

-4

-8

10

Fission spectrum

Fission cross section (barn)

10

10

-6

10

-8

10

-9

-2

10


0

10

2

10 Energy (eV)

4

10

6

10

10

18


9

neutron U-235

Moderator

U-235

U-238

U-239

Moderator

Np-239 Jan Leen Kloosterman

U-238

Pu-239

19

Physics of Nuclear Reactors Pu-239

Energie dichtheid: equivalent van 1 gram U5 Gary’s benzine

2500 liter Jan Leen Kloosterman

Kolen

3000 kg 20


10

Werking van een drukwaterreactor (PWR)

21



Kerncentrale Borssele


22


11

Splijtstofelement van een DWR

23



Splijtstoftabletten

Per tablet genoeg electriciteit voor een gezin per jaar


24


12

Reactorvat van een DWR

12 m

4m


25


Werking van een kokendwaterreactor (BWR)


26


13

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


27


Veiligheid van Kerncentrales


28


14

Inherent veilige terugkoppeleffecten

U-235

Moderator

U-235

U-238

U-239 29


Np-239 Physics of Nuclear Reactors

Verschuiving Maxwell spectrum 14 12

σ a ,th = σ a 0

Flux(E)

10 8

π Ta 0 4Tn

Neutron slowing down

6 4 2 0 0.001

0.010

0.100

1.000

Energy (eV) Jan Leen Kloosterman

30


15

Inherent veilige terugkoppeleffecten

Kettingreactie dooft vanzelf uit als temperatuur toeneemt Dit 1) 2) 3)

betekent: stabiel systeem (zelfregeling) verlies van koelcapaciteit schakelt de reactor af verlies van moderatie schakelt de reactor af

31



vervalenergie / MWd

vervalvermogen / MW

Nawarmte: verval splijtingsproducten

Tijd / dagen

koeling noodzakelijk na afschakeling Jan Leen Kloosterman

32


16

Reactorgebouw

waterbassins

33



Veiligheid van kerncentrales meerdere barrières om radioactief materiaal binnen te houden

Splijtstof (tablet en bekleding) Primair systeem (staal) Veiligheidsomhulling (2x beton + staal) Jan Leen Kloosterman

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

minimaal aantal doden

1000

(individueel risico is toelaatbaar als < 1.10-6 per jaar per activiteit) Jan Leen Kloosterman

35


Conclusies veiligheid kerncentrales • Alle Westerse kerncentrales zijn ontworpen met inherent veilige temperatuurterugkoppeling • De reactorkern van een centrale moet altijd worden gekoeld, ook als de kettingreactie al 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.


36


18

Economie van Kerncentrales


37


(source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman

38


19

(source: Lappeenranta University of Technology) 39



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 !


40


20

Nieuwe typen Kerncentrales

41



De evolutie van kernenergie Generation I Generation II Generation III

Early Prototype Reactors

Commercial Power Reactors

- Highly Economical

- Enhanced

1980


Waste

- Proliferation Resistant

Gen III

Gen II 1970

- Minimal

- ABWR - System 80+ - AP600 - EPR

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

Gen I 1960

Generation IV Evolutionary Designs Offering Improved Economics

Safety

- Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox

1950

Advanced LWRs

1990

2000

2010

Gen IV 2020

2030

42


21

Zes reactortypen binnen Generatie-IV

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

45



Splijtstof van een HTR

PBMR (110 MWe) 440.000 stuks


15.000 x

46


23

Splijtstof van een HTR

47



Veiligheid van een HTR


48


24

Splijtstofcyclus en Afvalproduktie

49



U-235

Moderator

U-238

Actiniden

U-235

U-239

Kernsplijtingsafval Np-239 Jan Leen Kloosterman

50

Physics of Nuclear Reactors Pu-239

25

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

3

10

4

5

10 10 Storage Tijd /time jaar(a)

6

10

10

51



Radiotoxiciteit van de actiniden 8

10

plutonium (100 kg)

7

Radiotoxicity (Sv)

10

americum (6 kg)

6

10

5000 jaar erts

200.000 jaar

5

10

4

10 1 10

2

10

3

4

10 10 Storage time (a)

5

10

6

10

plutonium is splijtstof americium is echt afval Jan Leen Kloosterman

52


26

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

53



Gebruikte splijtstof: slechts 4,5% is echt afval

1%

94%

opwerken

4,5%


54


27

Splijtstofcyclus


55


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 Jan Leen Kloosterman

56


28

Nucleaire expansie in Verre Oosten

Source: International Energy Outlook, 2002, Energy Information Administration 57



Nucleaire expansie in China (in bedrijf) Units

Type

Net Capacity (MWe)

Start up

Daya Bay 1&2

PWR

944

1994

Qinshan-1

PWR

279

April 1994

Qinshan-2&3

PWR

610

2002, 2004

Lingao-1&2

PWR

935

2002, 2003

Qinshan-4&5

PHWR

665

2002, 2003

Totaal (9) Jan Leen Kloosterman

6587 58


29

Nucleaire expansie in China (in aanbouw) Units

Type

Net Capacity (MWe)

Start up

Tianwan-1&2

PWR (VVER)

1000

2007

Lingao-3&4

PWR

935

2010, 2011

Qinshan-6&7

PWR

610

2010

Totaal (6)

5090

59



Nucleaire expansie in China (in aanbesteding) Units

Type

Net Capacity (MWe)

Lingao-5&6

PWR (VVER)

935

Qinshan-8&9

PWR

650

Sanmen-1&2

PWR

1650

Yangjiang-1&2

PWR

1650

Totaal (8)


9670

60


30

Nucleaire expansie in China (in planning) Units Totaal (69)

Net Capacity (MWe) 53-58,000


61


Nucleaire expansie in China (HTR technologie) HTR-10 •Designed by Institute for Nuclear and New Technologies (INET) at Tsinghua University in Beijing •Full power in 2003 •Outlet temperature 700-950 deg C •Coupled to steam turbine power generator •Second phase direct cycle Jan Leen Kloosterman

62


31

Nucleaire expansie in China (HTR technologie) HTR-PM (Pebble-bed Module) •Designed by INET, Chinese Nuclear Engineering & Construction (CNEC), and Huaneng constructors •190 MWe •Coupled to steam turbine power generator •Second phase direct cycle •Plans for 3x6 units with steam cycle

63



Vragen ?


64


32

Kernreactor voor onderzoek

Recommend Documents