Kernenergie in feiten en cijfers

Transcriptie

1 Kernenergie in feiten en cijfers Tim van der Hagen Technische Universiteit Delft 1

2 Het probleem Toename energiegebruik / afname fossiele brandstoffen Energiegebruik per hoofd van de bevolking Tonnen olie equivalent Noord- Amerika 3 2 Europa Voorm. Sovjetunie 1 Rest v/d wereld Wereld Jaar 2

3 Het probleem Ontwikkeling elektriciteitsverbruik Nederland: verzesvoudigd in 40 jaar 120 TWh bron: CBS Jaar 3

4 Het probleem Afhankelijkheid Proved oil reserves at end

5 Het probleem CO 2 -concentratie CO 2 in 2100 (with business as usual) Double pre-industrial CO 2 The last 160,000 years (from ice cores) and the next 100 years 10 Lowest possible CO 2 stabilisation level by 2100 CO 2 now CO 2 concentration (ppmv) Temperature difference from now C Bron: IPCC Now Time (thousands of years) 100 5

6 Het probleem Temperatuurvariaties van het aardoppervlak van het jaar 1000 tot 2100 broeikaseffect? 6 Bron: IPCC

7 Kernenergie nu Elektriciteitsproductie EU kernenergie olie gas waterkracht wind en zon kolen biomassa 204 kernreactoren in Europa KIVI-NIRIA Congres Smart Energy kernenergie Mix, 12 oktober 2006 is de belangrijkste e-bron in Europa 7

8 Kernenergie nu Kerncentrales Totaal 443 centrales MWe 8

9 Kernenergie straks Status januari 2006 gepland (154) in aanbouw (24) in bedrijf (443) Azië 1 West- 2 Oost- 3 N.- 4en Z.- Afrika 5 Europa Europa Amerika 9

10 Kernsplijting radioactief Splijting van 1 gram uranium levert evenveel energie als het verbranden van 2500 liter benzine of 3000 kilogram kolen Wereldgebruik: ton natuurlijk uranium per jaar (16% van de e-productie) ton olie per dag 10

11 Weinig materiaal nodig aanleg strategische voorraden mogelijk weinig afval (maar radioactief) alle elektriciteit in Nederland nucleair: 0,4 gram uranium verspleten (=afval) per gezin per jaar in een heel mensenleven: volume van 1 biljartbal Borssele produceert 1,3 m 3 afval per jaar afval straalt ruimt zichzelf op (maar duurt lang) een sterke straler verdwijnt snel 11

12 Abundantie elementen het periodiek systeem C Si O Fe Co Ni Cu Ag PtAu Sn Pb Th U 12

13 Uraniumvoorraden de aardkorst bevat 40 x zoveel uranium als zilver; evenveel uranium als tin goedkoop uranium (tot 80$ per kg): 3,5 miljoen ton; voldoende voor 50 jaar (0,1 ct/kwh) voor de dubbele grondstofprijs: 35 miljoen ton; voldoende voor 500 jaar bij gebruik van snelle reactoren: jaar uranium uit zeewater (450$ per kg): 4 miljard ton; voldoende voor jaar toberniet De uraniumvoorraad is praktisch onuitputtelijk! 13

14 CO 2 productie CO 2 (g/kwh e ) De kerncentrale te Borssele voorkomt jaarlijks de uitstoot van 2 miljard kilogram CO 2 kolen olie gas zon PV water bio wind nucleair fusie bron: IAEA (2000) 14

15 Landgebruik km Oppervlak benodigd voor 1000 MWe > bio zon wind 15

16 Splijtstofcyclus verrijken opwerken kerncentrale 16

17 Energiebalans (LCA( LCA) (1000 MWe PWR, 80% beschikbaarheid, 40 jaar) Verrijking met diffusie: input / output = 5,7 % 5 4 energy input (diffusion) input / output = 5,7 % enrichment Verrijking met centrifuge: input / output = 1,7 % energy input (centrifuge) input / output = 1,7 % 1 construction & operation mining & milling 2conversion 3enrichment 4fuel fabrication 5construction & operation 6fuel/waste storage & transport 7decommissioning

18 Veiligheid (1): meerdere barrières om radioactief materiaal binnen te houden Splijtstof (tablet en bekleding) Primair systeem (staal) Veiligheidsomhulling (2x beton + staal) 18

19 Veiligheid (2): kettingreactie altijd beheerst Alle kernreactoren (behalve Tsjernobyl) zijn zo ontworpen dat: de kettingreactie vanzelf uitdooft bij een hogere temperatuur Dit betekent: stabiel systeem (zelfregeling) verlies van koelcapaciteit schakelt de reactor af verlies van moderatie schakelt de reactor af 19

20 Kerncentrale (EPR( EPR) reactorgebouw turbinegebouw reactorvat 4 veiligheidsgebouwen 20

21 11 U.S. Electricity Production Costs (in constant 2003 cents/kwh ) Oil 5.53 Gas 5.77 Coal 1.8 Nuclear Source: Federal Energy Regulatory Commission/EUCG

22 nuclear coal gas Productiekosten voor 2010 US 2003 cents/kwhe Finland France Germany Switzerland Netherlands Czech Rep Slovakia Romania Japan Korea USA Canada Source: OECD/IEA NEA 2005 US 2003 cents/kwh, discount rate 5%, 40 year lifetime, 85% load factor 22

23 Finland - Electricity Generating Costs Without and With Emission Trading euro/mw Euro/MW Without without With with Emission Trading Nuclear Gas Coal Wind 23 Source: Lappeenranta University of Technology, 2003

24 Opbouw kosten van nucleaire elektriciteitsproductie 0,1 ct/kwh e 0,1 ct/kwh e Alle kosten zijn verdisconteerd in de kwh-prijs 24

25 Radioactief afval: samenstelling gebruikte splijtstof plutonium 130 kg andere actiniden 6 kg uranium kg splijtingsproducten 450 kg minder dan 4% is echt afval Twee routes mogelijk: 1) Niet opwerken: - levensduur reststof jaar Getallen: jaarproductie Borssele 2) Wel opwerken / snelle reactoren: - levensduur afval jaar - volume gereduceerd tot 4% - tot 100x beter grondstofgebruik 25

26 U.S. DOE initiatives Source: US DOE Nuclear Power 2010 Explore new sites Develop business case Develop Generation III+ technologies Demonstrate new licensing process Advanced Fuel Cycle Initiative Recovery of energy value from SNF Reduce the inventory of civilian Pu Reduce the toxicity & heat of waste More effective use of the repository Nuclear Hydrogen Initiative Develop technologies for economic, commercial-scale generation of hydrogen Generation IV Better, safer, more economic nuclear power plants with improvements in safety & reliability proliferation resistance & physical protection economic competitiveness sustainability 26

27 AFCI Approach to Spent Fuel Management Direct Disposal Conventional Reprocessing Spent Fuel From Commercial Plants Advanced Recycling Closed Fuel Cycle Advanced Separations Technologies LWR/ALWR/HTGR Spent Fuel PUREX Pu Uranium MO X Gen IV Fuel Fabrication Gen IV Fast Reactors + ADS Transmuter? Repository LWRs/ALWRs U and Pu Actinides Fission Products Interim Storage less U and Pu Actinides Fission Products Repository Trace U and Pu Trace Actinides! less Fission Products Current Once KIVI-NIRIA Through Congres Smart Energy Mix, 12 oktober 2006 European/Japanese Fuel Cycle Fuel Cycle Source: US DOE Advanced Recycling Closed Fuel Cycle 27

28 Generaties van reactorconcepten Generation I Early Prototype Reactors - Shippingport - Dresden, Fermi I - Magnox Generation II - 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 28

29 Geavanceerde reactoren, Generatie III betrouwbaar en veilig op basis van: redundantie separatie diversificatie kortere/minder pijpleidingen grote watervolumes ABWR (in bedrijf sinds 1995), System-80 +, EPR, BWR-90 +, KNGR, CANDU, VVER-91,... 29

30 Finse EPR (1600 MWe) in aanbouw (Olkiluoto-3) Verder: EPR in Normandië, Frankrijk ( ) Offerte uitgebracht voor 4 EPRs in China 30

31 Geavanceerde, evolutionaire ontwerpen (Generatie III + ) met passieve componenten: natuurlijke-circulatie kernkoeling zwaartekracht-gedreven noodkoeling convectieve koeling van veiligheidsomhulsel AP-600, AP-1000, ESBWR, SWR-1000, PBMR, GT-MHR, APWR, EP-1000, AC-600, MS-600, V-407, V-392, JSBWR, JSPWR, HSBWR, CANDU-6, CANDU-9, AHWR,... 31

32 Kogel bedreactor (HTR( HTR) AVR (Duitsland, ) HTTR (Japan, 1999) HTR10 (China, 2000) Helium als koelmiddel gasturbine proceswarmte: waterstofproductie waterontzilting... 32

33 Het Generatie-IV Initiatief Initiatief: sustainable nuclear energy Argentinië, Brazilië, Canada, Frankrijk, Japan, Zuid Afrika, Zuid Korea, Zwitserland, Groot-Brittannië, Verenigde Staten en de Europese Unie De 6 geselecteerde reactorconcepten: Waterstofproductie: zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor Voortbordurend op lichtwaterreactoren: superkritische watergekoelde reactor (thermisch/snel) Afvalreductie en efficiënt uraniumgebruik: gasgekoelde snelle reactor natriumgekoelde snelle reactor loodgekoelde snelle reactor Zeer innovatief: gesmolten zout reactor (epithermisch) gesloten splijtstofcyclus 33

34 VHTR: nucleaire e- en waterstofproductie VHTR e H 2 Idaho 2015? H 2 O in, O 2 en H 2 uit Hydrogen Nuclear Heat Oxygen 1 H 2 O O C 900 C 1 H O 2 Rejected H 2 SO 2HI 4 + I 2 Heat C SO 2 +H 2 O I (Iodine) Circulation 2H I + I 2 + H 2 O + I 2 H 2 O Water H 2 SO 4 SO 2 +H 2 O S (Sulfur) Circulation SO 2 + H 2 O 34

35 Pluspunten grootschalig inzetbaar geen CO 2, geen luchtvervuiling voorzieningszekerheid economisch concurrerend Minpunten radioactief afval grote investering 1) kernenergie past goed in een mix van opties voor een duurzame energievoorziening 2) duurzame kernenergie: opwerken gebruikte splijtstof 3) duurzame kernenergie: snelle kweekreactoren ontwikkelen 35