Kernrampen Nathal Severijns Dodonaeus - Mechelen 10/09/2011 KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN
Fundamenteel fysica onderzoek met ionenbundels: - structuur van de atoomkern - eigenschappen van de natuurkrachten - onderzoek naar materialen voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011
1. Inleidende begrippen 2. Energie uit atoomkernen 3. Soorten straling - stralingsdosis 4. Belgische kerncentrales 5. Kernramp Fukushima - Tsjernobyl 6. Kernafval 7. Kernfusie 8. Eigenzinnige kijk op ons energievraagstuk voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011
1. Atoom elementen - isotopen atoom = atoomkern + elektronen (e - ) atoomkern = protonen (p + ) + neutronen (n 0 ) atomen zijn elektrisch neutraal : # e - = # p atoomnummer Z element isotopen van een element zelfde aantal protonen maar verschillend aantal neutronen e.g. 1 1 H ; deuterium 2 1H ; tritium 3 1H uranium-235 235 92U ; uranium-238 238 92U
protonen (elementen) Nuclidenkaart een rij voor elk element, met de isotopen voor dat element lood tin nikkel waterstof zuurstof calcium neutronen (isotopen) zwart : stabiele isotopen (niet radioactief) kleuren: vervalmodes van de radioactieve isotopen
protonen Nuclidenkaart een rij voor elk element meerdere isotopen voor elk element neutronen
2. Hoe energie halen uit atoomkernen? 1 0 n Fissie 134 54 Xe 102 38 Sr 235 92 U 1 0 n 2 1 H Fusie 1 0 n 3 1 H 4 2 He
protonen (elementen) Nuclidenkaart een rij voor elk element, met de isotopen voor dat element lood fissie van uranium-235 tin nikkel zuurstof waterstof fusie fissieproducten calcium neutronen (isotopen) zwart : stabiele isotopen (niet radioactief) kleuren: vervalmodes van de radioactieve isotopen
Energie uit kernsplijting proces energie-output verbranding van 1 kg steenkool fissie van 1 atoom 235 U fissie van 1 kg 235 U 2 x 10-11 J (Joule) 2 x 10-11 J 8 x 10 13 J explosie van 1 kg TNT (trinitrotoluene) 2000 J (typische bom = 100 kg TNT) ( noteer: persoon verbruikt dagelijks ongeveer 500 J (~ 2000 calorieën))
3. Soorten straling in het verval van radioactieve isotopen alfa straling ( 4 He) papier, opperhuid beta straling (e -, e + ) Al plaatje gamma straling lood
Stralingsdosis Eenheid: Sievert (Sv) 1 Sv = 1 Joule / kg ; houdt rekening met: - type straling - gevoeligheid van de organen Internationale normen: 1 msv / jaar bevolking (ex-natuurlijke achtergrond & medisch) 20 msv / jaar professionelen 250 msv / jaar professionelen in noodsituaties Extreme stralingsdosissen: vanaf 1 Sv : stralingsziekte (nog wel te behandelen) vanaf 4 Sv : stralingsziekte met dodelijke afloop (cf. 210 Po case)
Stralingsdosis - 2
Verdeling van de stralingsdosis in Vlaanderen Totaal: ~3.5 msv / jaar Noteer: - radon: ~1 msv / jaar (in Ardennen x 3!!) - dosis voor medische toepassingen stijgt! Source: UNSCEAR 2000
137 Cs concentratie in België van 1957 tot 2005 na 2 jaar: -80% na 5 jaar: ~ achtergrond
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 1, 1975 Tihange 2, 1983 Tihange 3, 1985 Tihange 962 MW 1008 MW 1054 MW
productie van elektriciteit met een kernreactor: gebruik bewegingsenergie van de fissiefragmenten opwarming van water tot stoom aandrijven van turbines voor productie electriciteit in België: Pressurized Water Reactors (PWR) uitwisseling van warmte tussen water in het reactorvat zelf en een tweede circuit waarin de stoom gegenereerd wordt reactorkern: - 5m x 5m - U brandstofstaven (op ~20 cm van elkaar) - daartussen Cd controlestaven (om aantal neutronen dat fissie kan induceren te regelen)
Binnenzicht van een kernreactor blauwe gloed = Cerenkovstraling (fissieproducten bewegen sneller dan het licht in het water)
5. Kernramp Voornaamste mogelijke problemen: - verlies van stroom (extern, intern, back-up stroomvoorziening) - verlies van koelvermogen - reactor wordt superkritisch (meltdown) Mogelijke oorzaken: - menselijke fout - aardbeving (België tot 6 op Richterschaal) - overstroming (Doel gebouwd op 4m boven waterstand bij storm van 1953) - extreme weercondities - terroristische aanslag - vliegtuigcrash (middelgroot vliegtuig) - giftige gassen - cyber-attack
Barrières' om een mogelijke verspreiding van radioactieve stoffen in het milieu te vermijden de Belgische kerncentrales - het uranium is vervat in tabletten; - tabletten zitten in zirconiumbuizen (metaal met zeer hoog smeltpunt); - brandstofstaven zitten in stalen, 20 cm dik reactorvat; - reactorvat is omgeven door twee verschillende meters dikke betonnen omhulsels. Ook: - tienjaarlijkse veiligheidherziening - van alle componenten minstens 2 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. middelgroot vliegtuig)
De kernreactoren van Fukushima
Wat is er gebeurd? - 11/03, 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 uitgeschakeld - 11/03 12/03: evacuatie 20 km zone - 11/03 15/03: verschillende H-explosies en 3x partial meltdown (bij reactor 2 breuk in betonnen omhulsel) vluchtige radioactieve stoffen ontsnappen - einde maart: reactoren stabiel - juli: nieuwe gesloten koelwatercircuits nog 110.000 m 3 water te decontamineren - geen doden of personen met stralingsziekte
Fukushima explosies: waterstof en radioactief materiaal
Fukushima was Tsjernobyl niet - menselijke fout - reactortype internationaal verboden - reactorvat door explosie vernietigd - splijtstof heeft 10 dagen open aan de lucht gebrand zeer veel radioactief materiaal (10 x meer dan in Fukushima) vrijgekomen en via de lucht verspreid over grote oppervlakte groot gebied rondom centrale zeer zwaar gecontamineerd (in Fukushima vooral de site zelf)
kernafval 6. Kernafval Fissie producten Actinides nu: scheiding in Le Havre + opslag in Dessel (bovengronds) en later in Mol (in kleilagen op -800 m) toekomst: ADS-principe (Accelerator Driven System) langlevende actiniden omzetten in (korter levende) fissieprod n met energetische protonbundel Europees testproject: MYRHA (SCK-Mol) vrijgekomen energie van kernafval uit een 1000 MW centrale die 1 maand operationeel was
kernreactor aangedreven door een deeltjesversneller (ADS Accelerator Driven System) enkel fissie wanneer protonen op de splijtstof vallen geen meltdown mogelijk doel: - omzetten van langlevend kernafval van kernreactoren in kortlevend afval (~300 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) Studiecentrum voor kernenergie; SCK-CEN in Mol
kernafval 7. Kernfusie deuterium: - 2 1 H (1 proton + 1 neutron) - in kleine hoeveelheden aanwezig in water ( ~ 1/10000) - winnen via electrolyse tritium : - 3 1 H (1 proton + 2 neutrons) - aangemaakt door deuterium bloot te stellen aan een neutronenflux in een kernreactor Noteer: enige radioactieve isotoop bij kernfusie is tritium (halveringstijd ~ 12 jaar)
deuterium: uit zeewater (33 mg/l) Een kernfusiecentrale 6 Li + n 3 H + 4 He (bijproduct) lithium: uit zeewater energie van neutronen gebruikt om stoom te produceren 1000 MW centrale: 250 kg D-T mengsel/jaar
voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011
ITER - fusievermogen P uit =500 MW - inputvermogen P in = 50 MW Q = 10 - plasmatijd = 500 s 3000 s - 24 m x 34 m - plasmavolume 850 m 3 - straal torus = 6 m - locatie: Zuid-Frankrijk
kernafval 8. Eigenzinnige blik op ons energievraagstuk - zo veel hernieuwbare energie gebruiken als redelijkerwijs mogelijk is opm. : - manier van subsidiëring van zonnepanelen was totaal onverantwoord!! - windenergie is in ons land nauwelijks of niet rendabel kan enkel mits zware subsidiëring zeer dure stroom nood aan gecoördineerd en verantwoord energiebeleid - mits goed energiebeleid kan percentage kernenergie (nu ~51 %) verminderd worden - in België kan niet zeer veel hernieuwbare energie worden opgewekt (max. 15 à 20%) - gas- en stroomcentrales zijn geen volwaardig alternatief voor kernenergie (verbranding van methaangas produceert nog steeds 55% van de hoeveelheid CO 2 die bij de verbranding van steenkool vrijkomt!! ) - middellange termijn: - nieuwe (veiliger) kernreactoren + hernieuwbare energie - ADS-reactoren om kernafval te verbranden - lange termijn: kernfusie
voordracht Dodonaeus - N. Severijns - 10/09/2011
De brandstof voor kernreactoren Uranium-235 : komt voor in honderden mineralen (meest voorkomend uraniumerts is uraniniet) natuurlijk uranium bestaat uit : - 235 U : kleine kans voor spontane fissie - 238 U : splijt alleen als neutron hoge energie heeft gebruik aangerijkt uranium, met een hogere fractie 235 U uraniumerts aangerijkt uranium
production of uranium 10 countries produce about 94% of the concentrated uranium oxides: 2005 production Canada 27.9 % Australia 22.8 % Kazakhstan 10.5 % Russia 8.0 % Namibia 7.5 % Niger 7.4 % Uzbekistan 5.5 % U.S.A. 2.5 % Sth.-Africa <1.5 % Gabon <1.5 % 40 % of planet's known uranium ore supply
- cascade of centrifuges in series required to achieve the desired level of enrichment - many cascades can work in parallel - world leader: Urenco (Gronau, DE; Almelo, NL) Urenco centrifuge (Zeppe-type) consists of an ultra-light, thin-walled tube made from advanced materials, containing a cylindrical rotor that rotates at high velocity in a vacuum, on an almost frictionless bearing very low power consumption - much cheaper than other enrichment methods, and can be used in relative secrecy ; - monitored by Electronic Signals Intelligence operations (centrifuge motors require several 100 Hertz AC) and by - monitoring acquisition of specialized parts and materials serious risk of proliferation - Urenco centrifuge in 2004 smuggled to Pakistan by A.Q. Khan and technology transferred to Iran, North-Korea and Lybia. gas centrifuge installation for enrichment of uranium (Urenco) a larger fraction of the heavier 238 UF 6 molecules is swept towards the exterior of the centrifuge cylinder compared to the lighter 235 UF 6 molecules