Kernreactor voor onderzoek

Jan Leen Kloosterman Technische Universteit Delft Toegepaste NatuurWetenschappen Jan Leen Kloosterman 1 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 Jan Leen Kloosterman 3 Het Mondiale Energievraagstuk Jan Leen Kloosterman 4 2

Energieverbruik per inwoner Jan Leen Kloosterman 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 Jan Leen Kloosterman 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) Jan Leen Kloosterman 9 Aandeel kerncentrales (2005) Jan Leen Kloosterman 10 5

Aantal kerncentrales in aanbouw (2003) 2005: 7 nieuwe reactoren Met totaal vermogen van 8000 GWe (18xBorssele) Jan Leen Kloosterman 11 Jan Leen Kloosterman 12 6

Electriciteitsproductie in de EU-15 Jan Leen Kloosterman 13 Aantal kernreactoren binnen 500 km Jan Leen Kloosterman 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. Jan Leen Kloosterman 15 Werking van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 16 8

Uranium U-238 U-238 U-235 92 p en 146 n 92 p en 143 n Niet splijtbaar Goed splijtbaar 99,3% voorkomen 0,7% voorkomen Jan Leen Kloosterman 17 Moderatie van neutronen 10 4 10-6 10 2 Fission cross section (barn) 10 0 10-2 10-4 U-235 Pu-239 U-238 10-7 10-8 Fission spectrum 10-6 10-8 10-9 10-2 10 0 10 2 10 4 10 6 Energy (ev) Jan Leen Kloosterman 18 9

neutron U-235 Moderator U-238 U-235 U-239 Moderator Np-239 Jan Leen Kloosterman U-238 Pu-239 19 Physics of Nuclear Pu-239 Reactors Energie dichtheid: equivalent van 1 gram U5 Gary s benzine Kolen 2500 liter 3000 kg Jan Leen Kloosterman 20 10

Werking van een drukwaterreactor (PWR) Jan Leen Kloosterman 21 Kerncentrale Borssele Jan Leen Kloosterman 22 11

Splijtstofelement van een DWR Jan Leen Kloosterman 23 Splijtstoftabletten Per tablet genoeg electriciteit voor een gezin per jaar Jan Leen Kloosterman 24 12

Reactorvat van een DWR 12 m 4 m Jan Leen Kloosterman 25 Werking van een kokendwaterreactor (BWR) Jan Leen Kloosterman 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 Jan Leen Kloosterman 27 Veiligheid van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 28 14

Inherent veilige terugkoppeleffecten U-235 Moderator U-238 U-235 U-239 Jan Leen Kloosterman 29 Np-239 Verschuiving Maxwell spectrum 14 Flux(E) 12 10 8 6 σ = σ ath, a0 πt 4T a0 Neutron slowing down n 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 betekent: 1) stabiel systeem (zelfregeling) 2) verlies van koelcapaciteit schakelt de reactor af 3) verlies van moderatie schakelt de reactor af Jan Leen Kloosterman 31 Nawarmte: verval splijtingsproducten vervalvermogen / MW vervalenergie / MWd Tijd / dagen koeling noodzakelijk na afschakeling Jan Leen Kloosterman 32 16

Reactorgebouw waterbassins Jan Leen Kloosterman 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 1,E-04 10-4 1,E-05 10-5 1,E-06 10-6 ALARA Schiphol (RIVM 2005) onaanvaardbaar 1,E-07 10-7 1,E-08 10-8 verwaarloosbaar kernreactoren 1 10 100 1000 minimaal aantal doden (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. Jan Leen Kloosterman 36 18

Economie van Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 37 (source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman 38 19

(source: Lappeenranta University of Technology) Jan Leen Kloosterman 39 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: 5.000 jaar uranium uit zeewater (450$ per kg; 4 x 10 9 ton) is er voldoende voor 6.000.000 jaar bij gebruik van thorium en uranium: 30.000.000 jaar De uraniumvoorraad is onuitputtelijk! Jan Leen Kloosterman 40 20

Nieuwe typen Kerncentrales Jan Leen Kloosterman 41 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 80+ - AP600 - EPR Evolutionary Designs Offering Improved Economics 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Generation IV - Highly Economical - Enhanced Safety - Minimal Waste - Proliferation Resistant Gen I Gen II Gen III Gen IV Jan Leen Kloosterman 42 21

ZesreactortypenbinnenGeneratie-IV Jan Leen Kloosterman 43 Hogere temperaturen: hogere efficiency Percent of current standard (%) 100 80 60 40 20 0 30 40 50 60 70 Thermal efficiency (%) Power cost Fission product waste Reject heat cooling water consumption Jan Leen Kloosterman 44 22

Jan Leen Kloosterman 45 Splijtstof van een HTR PBMR (110 MWe) 440.000 stuks 15.000 x Jan Leen Kloosterman 46 23

Splijtstof van een HTR Jan Leen Kloosterman 47 Veiligheid van een HTR Jan Leen Kloosterman 48 24

Splijtstofcyclus en Afvalproduktie Jan Leen Kloosterman 49 U-235 Moderator U-238 U-235 Actiniden Np-239 U-239 Kernsplijtingsafval Jan Leen Kloosterman 50 Physics of Nuclear Pu-239 Reactors 25

Twee soorten radioactief afval Radiotoxiciteit Radiotoxicity (Sv) / Sv 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 erts 250 jaar actiniden (110 kg per jaar) splijtingsproducten (450 kg per jaar) Actinides Fiss Prods Ore 250.000 jaar 10 2 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Storage Tijd / time jaar (a) Jan Leen Kloosterman 51 Radiotoxiciteit van de actiniden 10 8 10 7 plutonium (100 kg) Radiotoxicity (Sv) 10 6 10 5 erts americum (6 kg) 5000 jaar 200.000 jaar 10 4 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Storage time (a) plutonium is splijtstof americium is echt afval Jan Leen Kloosterman 52 26

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 53 Gebruikte splijtstof: slechts 4,5% is echt afval 1% 94% opwerken 4,5% Jan Leen Kloosterman 54 27

Splijtstofcyclus Jan Leen Kloosterman 55 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 56 28

Nucleaireexpansiein VerreOosten Jan Leen Kloosterman 57 Source: International Energy Outlook, 2002, Energy Information Administration Nucleaire expansie in China (in bedrijf) Units Daya Bay 1&2 Type PWR Net Capacity (MWe) 944 Start up 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) 6587 Jan Leen Kloosterman 58 29

Nucleaire expansie in China (in aanbouw) Units Tianwan-1&2 Type PWR (VVER) Net Capacity (MWe) 1000 Start up 2007 Lingao-3&4 PWR 935 2010, 2011 Qinshan-6&7 PWR 610 2010 Totaal (6) 5090 Jan Leen Kloosterman 59 Nucleaire expansie in China (in aanbesteding) Units Lingao-5&6 Qinshan-8&9 Sanmen-1&2 Yangjiang-1&2 Totaal (8) Type PWR (VVER) PWR PWR PWR Net Capacity (MWe) 935 650 1650 1650 9670 Jan Leen Kloosterman 60 30

Nucleaire expansie in China (in planning) Units Totaal (69) Net Capacity (MWe) 53-58,000 Jan Leen Kloosterman 61 HTR-10 Jan Leen Kloosterman 62 Nucleaire expansie in China (HTR technologie) 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 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 Jan Leen Kloosterman 63 Vragen? Jan Leen Kloosterman 64 32