Kernreactor voor onderzoek

Transcriptie

1 Jan Leen Kloosterman Technische Universteit Delft Toegepaste Natuur Wetenschappen Jan Leen Kloosterman 1 Kernreactor voor onderzoek Jan Leen Kloosterman 2 1

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

3 Energieverbruik per inwoner Jan Leen Kloosterman 5 Voorspelling groei wereldbevolking : India +400, China +260, Pakistan +130, Nigeria +130 miljoen inwoners! Jan Leen Kloosterman 6 3

4 Voorspelling mondiaal energieverbruik x5 x2 Jan Leen Kloosterman 7 Voorspelling olieproduktie (ASPO 2004) Jan Leen Kloosterman 8 4

5 CO 2 concentratie in de atmosfeer Jan Leen Kloosterman 9 Duurzame energiebronnen Afvalverbranding! Jan Leen Kloosterman 10 5

6 Voorbeeld biomassa 3 vrachtwagens per dag Opschalen naar 500 MWe 1 vrachtwagen per 3 min Jan Leen Kloosterman 11 Physics Technisch of Nuclear Weekblad Reactors14 oktober 2005 Kernenergieproductie in de wereld 2002: nucleair +2.5%; mondiaal energieverbruik +2.6%; China +20% Jan Leen Kloosterman 12 6

7 Aantal kerncentrales in bedrijf (2003) Totaal 441 Nederland Jan Leen Kloosterman 13 Aantal kerncentrales in aanbouw (2003) 2005: 7 nieuwe reactoren Met totaal vermogen van 8000 GWe (18xBorssele) Total 31 Jan Leen Kloosterman 14 7

8 Jan Leen Kloosterman 15 Electriciteitsproductie in de EU-15 Jan Leen Kloosterman 16 8

9 Aantal kernreactoren binnen 500 km Jan Leen Kloosterman 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. Jan Leen Kloosterman 18 9

10 Werking van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 19 Uranium U-238 Electronen Atoomkern met protonen en neutronen U-238 U p en 146 n 92 p en 143 n Niet splijtbaar Goed splijtbaar 99,3% voorkomen 0,7% voorkomen Jan Leen Kloosterman 20 10

11 neutron U-235 Moderator U-238 U-235 U-239 Moderator Np-239 Jan Leen Kloosterman U-238 Pu Physics of Nuclear Pu-239 Reactors Energie dichtheid: equivalent van 1 gram Gary s benzine Kolen 2500 liter 3000 kg Jan Leen Kloosterman 22 11

12 Werking van een drukwaterreactor (PWR) Jan Leen Kloosterman 23 Centrales in Borssele Jan Leen Kloosterman 24 12

13 Kerncentrale Borssele Jan Leen Kloosterman 25 Splijtstofelement van een DWR Jan Leen Kloosterman 26 13

14 Splijtstoftabletten Per tablet genoeg electriciteit voor een gezin per jaar Jan Leen Kloosterman 27 Reactorvat van een DWR Jan Leen Kloosterman 28 14

15 Werking van een kokendwaterreactor (BWR) Jan Leen Kloosterman 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 Jan Leen Kloosterman 30 15

16 Veiligheid van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 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 Jan Leen Kloosterman 32 3) verlies van moderatie schakelt de reactor af 16

17 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 33 Reactorgebouw waterbassins Jan Leen Kloosterman 34 17

18 Groepsrisico s energievoorziening 1,E kans per jaar 1,E ,E ,E ,E ALARA Schiphol (RIVM 2005) onaanvaardbaar 1,E ,E verwaarloosbaar kernreactoren minimaal aantal doden (individueel risico is toelaatbaar als < per jaar per activiteit) Jan Leen Kloosterman 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 TWh e / jaar wereld: TWh e / jaar Jan Leen Kloosterman 36 18

19 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. Jan Leen Kloosterman 37 Economie van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 38 19

20 (source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman 39 (source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman 40 20

21 Uraniumvoorraden de aardkorst bevat 40 x zoveel uranium als zilver; evenveel uranium als tin goedkoop uranium (tot 80$ per kg; 3 x 10 6 ton) is er voldoende voor 50 jaar bij gebruik van snelle reactoren: jaar uranium uit zeewater (450$ per kg; 4 x 10 9 ton) is er voldoende voor jaar bij gebruik van thorium en uranium: jaar De uraniumvoorraad is onuitputtelijk! Jan Leen Kloosterman 41 Nieuwe typen Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 42 21

22 De evolutie van kernenergie Generation I Early Prototype Reactors - Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox Generation II Commercial Power Reactors - LWR-PWR, BWR - CANDU - VVER/RBMK Generation III Advanced LWRs - ABWR - System AP600 - EPR Evolutionary Designs Offering Improved Economics Generation IV - Highly Economical - Enhanced Safety - Minimal Waste - Proliferation Resistant Gen I Gen II Gen III Gen IV Jan Leen Kloosterman 43 Hogere temperaturen: hogere efficiency Percent of current standard (%) Thermal efficiency (%) Power cost Fission product waste Reject heat cooling water consumption Jan Leen Kloosterman 44 22

23 Gas-gekoelde Hoge Temperatuur Reactor Jan Leen Kloosterman 45 Jan Leen Kloosterman 46 23

24 Splijtstof van een HTR PBMR (110 MWe) stuks x Jan Leen Kloosterman 47 Splijtstof van een HTR Jan Leen Kloosterman 48 24

25 Veiligheid van een HTR Jan Leen Kloosterman 49 Splijtstofcyclus en Afvalproduktie Jan Leen Kloosterman 50 25

26 U-235 Moderator U-238 U-235 Actiniden Np-239 U-239 Kernsplijtingsafval Jan Leen Kloosterman 51 Physics of Nuclear Pu-239 Reactors Twee soorten radioactief afval Radiotoxiciteit Radiotoxicity (Sv) / Sv erts 250 jaar actiniden (110 kg per jaar) splijtingsproducten (450 kg per jaar) Actinides Fiss Prods Ore jaar Storage Tijd / time jaar (a) Jan Leen Kloosterman 52 26

27 Radiotoxiciteit van de actiniden Radiotoxiciteit / Sv Radiotoxicity (Sv) erts americum (6 kg) curium plutonium (100 kg) uranium St ti ( ) Tijd / jaar 5000 jaar plutonium is splijtstof americium is echt afval Pu Am Cm U Np Ore jaar Jan Leen Kloosterman 53 Radioactief afval: gebruikte splijtstof andere actiniden 6 kg afval plutonium 100 kg splijt- en kweekstof uranium 9440 kg getallen: jaarlijkse productie Borssele splijtingsproducten 450 kg Jan Leen Kloosterman 54 27

28 Gebruikte splijtstof: slechts 4,5% is echt afval 1% 94% opwerken 4,5% Jan Leen Kloosterman 55 Splijtstofcyclus Jan Leen Kloosterman 56 28

29 Conclusies splijtstofcyclus Gebruikte splijtstof bestaat uit Splijtingsproducten (450 kg) Ongebruikt Uranium (9440 kg) 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 m 3 hoog-radioactief afval per jaar (verglaasd en al) 2 cm 3 per inwoner als alle electriciteit met kernenergie zou worden opgewekt Hoe sterker afval straalt, hoe sneller het is uitgewerkt Jan Leen Kloosterman 57 Vragen? Jan Leen Kloosterman 58 29