Download - Frühjahrstreffen an der ETH Zürich
Basiswissen Kernenergie
Horst-Michael Prasser
Frühjahrstreffen an der ETH ZürichFreitag, 13. Mai 2008
Kernspaltung
nicht nutzbar
nutzbar
5 %Neutrinos
Nachwärme6 %γ + β− Strahlung aus Spaltprodukten
3.5 %Prompte γ−Strahlung
2.5 %Kinetische Energie der Neutronensofort freigesetzte Wärme
83 %Kinetische Energie Spaltprodukte
1 kg U-235 entspricht Verbrennung von 3000 t Steinkohle
46 Brennelemente,ca. 150 Mio. CHF/a
Uran, 5 % U-235,~20 t/a
U-nat, 160 t/a30 Mio. CHF/a
CO2, 2.8 Mio. t/a
NOX, 1700 t/a
Gas, 1 Mio. t/a530 Mio. CHF/a
GuD LWR
Luft, 20 Mio. t/a abgereichertes Uran ~140 t/a
Hochaktiver Abfall~20 t/a
Stoffströme KKW vs. Gas-GuD mit 1000 MW x 8000 h
CO20.064 Mio. t/a
Transport:CO2
0.320 Mio. t/a
6.6 Rp/kWhel
0.4 Rp/kWhel
Rössing / Namibia
21 - 455 - 11290 - 630AustraliaOlympic Dam (+Cu!)215300NamibiaRössing
100251400AustraliaRanger130301800AustraliaBeverley150402000Colorado, USASRI underground5001206600Arizona, USAArizona Strip Mine
72001800100000AustraliaCigar Lakekgkgppm
BraunkohleSteinkohleUran im ErzUran-Mine
Wieviel Kohle müsste man abbauenum 1 kg Uranerz zu ersetzen?
bei Nutzung in heutigen Leichtwasserreaktoren
Mine mit dem schlechtesten Erz heute
ErzadernUnkonformitätszonenFossile Sedimente, SandsteinFossile Sedimente, SandsteinVulkanische AblagerungenSchwarze Schiefer, Phosphat-VorkommenSchiefer, Phosphat-VorkommenGranitMittlere ErdkrusteEvaporate, silikatische Schlämme, Feuerstein, HornblendeOzeanische vulkanische Kruste
Meerwasser
Süsswasser Geschätzte Uranmenge, t
Ura
ngeh
alt i
m E
rz, p
pm
Häufigkeit von Uran in der Erdkruste
Deffeyes & Mac Gregor, 1980
ErzadernUnkonformitätszonenFossile Sedimente, SandsteinFossile Sedimente, SandsteinVulkanische AblagerungenSchwarze Schiefer, Phosphat-VorkommenSchiefer, Phosphat-VorkommenGranitMittlere ErdkrusteEvaporate, silikatische Schlämme, Feuerstein, HornblendeOzeanische vulkanische Kruste
Meerwasser
Süsswasser Geschätzte Uranmenge, t
Ura
ngeh
alt i
m E
rz, p
pm
Häufigkeit von Uran in der Erdkruste
Deffeyes & Mac Gregor, 1980
20 200 2‘000 20‘000 Jahre
ErzadernUnkonformitätszonenFossile Sedimente, SandsteinFossile Sedimente, SandsteinVulkanische AblagerungenSchwarze SchieferSchiefer, Phosphat-VorkommenGraniteMittlere ErdkrusteEvaporate, silikatische Schlämme, Feuerstein, HornblendeOzeanische vulkanische Kruste
Meerwasser
Süsswasser
Ura
ngeh
alt i
m E
rz, p
pm
Häufigkeit von Uran in der Erdkruste
Deffeyes & Mac Gregor, 1980
Grenze heutigen Abbaus
Geschätzte Uranmenge, t
20 200 2‘000 20‘000 Jahre
ErzadernUnkonformitätszonenFossile Sedimente, SandsteinFossile Sedimente, SandsteinVulkanische AblagerungenSchwarze SchieferSchiefer, Phosphat-VorkommenGraniteMittlere ErdkrusteEvaporate, silikatische Schlämme, Feuerstein, HornblendeOzeanische vulkanische Kruste
Meerwasser
Süsswasser
Ura
ngeh
alt i
m E
rz, p
pm
Häufigkeit von Uran in der Erdkruste
Deffeyes & Mac Gregor, 1980
Grenze heutigen Abbaus
Geschätzte Uranmenge, t
Bekannte Reserven~50 Jahre
20 200 2‘000 20‘000 Jahre
ErzadernUnkonformitätszonenFossile Sedimente, SandsteinFossile Sedimente, SandsteinVulkanische AblagerungenSchwarze Schiefer, Phosphat-VorkommenSchiefer, Phosphat-VorkommenGraniteMittlere ErdkrusteEvaporate, silikatische Schlämme, Feuerstein, HornblendeOzeanische vulkanische Kruste
Meerwasser
Süsswasser
Ura
ngeh
alt i
m E
rz, p
pm
Häufigkeit von Uran in der Erdkruste
Deffeyes & Mac Gregor, 1980
Uran besser alsBraunkohle
>200 Jahre >2000 Jahre
Geschätzte Uranmenge, t
20 200 2‘000 20‘000 Jahre
Chattannooga Shales
• weit verbreitet• als fossiler Brennstoff interessant ⇒ Koproduktion
4160USAChattanooga Shaleskgkgppm
BraunkohleSteinkohleUran im ErzSekundäres Vorkommen
China: Xiaolongtang Guodian Power, Flugasche aus 2 Steinkohlenkesseln• Existierende Deponie: ~5.5 Mio. t Flugasche = 1.2 kt Uran• Umsatz: 600 kt/a Flugasche = 125 t/a Uran• Reichweite der örtlichen Kohlevorkommen: 20 Jahre
Ähnliche Uran-Erkundungsprogramme in den USA, Ungarn, Polen, Südafrika
Kernenergietechnik löst Umweltprobleme der Kohleverstromung• Uran + andere wertvolle Metalle (z.B. Vanadium)
USGS Fact Sheet FS-163-97October, 1997
∅ 100 µm
4 kg Steinkohle2201 kg Asche =ppm
SteinkohleUran im „Erz“
Dauerversuch:450 Tage im Pazifischen Ozean
Ertrag: ~1.4 kg/a U-nat auf ca. 50 m² ⇒ ~0.028 kg/(a.m²) ⇒ ~ 1400 kWh/(a.m²)
N. Seko et al., NT Vol. 144 Nov. 2003
~3 mg/m³
Gewinnung von Uran aus dem Meerwasser
Vergleich zur Photovoltaik:
Kilowattstunden pro Jahr und QuadratmeterkWh/a/m²
Photovoltaik 90 - 120 (...200)
Uran aus Meerwasser LWR 1400 Brüter 100'000
Die Kettenreaktion
Probleme:• leicht spaltbares Isotop U-235 im Natururan nur zu 0.7 % enthalten• langsame Neutronen spalten besser, als schnelle• bei der Spaltung entstehen aber schnelle Neutronen
Idee:• Abbremsung der Neutronen durch Moderator
langsam
schnell
schnell
schnell
Graphit – als Moderator besser als Wasser
Enrico Fermi: 2. Dezember 1942
• Schweres Wasser• Graphit• Normales (leichtes) Wasser
Gute Moderatoren:
Der Tschernobyl-Reaktor und sein Auslegungsfehler
Moderator: Graphit
Kühlmittel: Wasser
Spaltprodukte
!
!
Nachzerfallswärme
bei 1300 MWel → 4000 MWth
nach Abschaltung → 6.5 % sind 260 MWth
nach 1 Stunde → 1.1 % sind 44 MWth
nach 10 Jahren → 0.0085 % sind 0.34 MWth = 340 kWth
nach 100 Jahren → 0.0006 % sind 0.024 MWth = 24 kWth
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 600 1200 1800 2400 3000 3600
Zeit, s
Nac
hzer
falls
wär
me,
%
9 bar350 m³/h
ab 110 bar≈50 m³/h
Niederdruck-Nachkühl-pumpe
Hochdruck-Notkühlpumpe
FlutbeckenWasser +Borsäure
Nachwärme-kühler
2 Druckspeicher(Kernflutbehälter)
je 34 m³ Wasser 11 m³ N225 Bar
Reaktor
450 m³(≈VPKL)
Gebäudesumpf
Nachwärmeabfuhrsystem (=Notkühlsystem)
Notkühlsystem – redundant ausgelegt
Reaktor
Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4
Notkühlung ist technisch nicht schwer zu machen – muss aber sehr zuverlässig sein!
Kühlwassermenge bei Normalbetrieb: ~120‘000 m3/h
Notkühlwassermenge: max. ~700 m3/h
Notkühlsystem – redundant ausgelegt
Reaktor
Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4
Redundanz:
4 x 50 % = es reicht, wenn 2 von 4 Systemen funktionieren
⇒ dann ist sichere Notkühlung gewährleistet
defektin Reparatur
TMI-2 Kernzerstörung
Containment vorhandenNotkühlsysteme für Großen Leckstörfall (GAU) ausgelegt Negative Rückkopplung von Leistung auf Reaktivität, Reaktor stabilisiert sich selbstKeine signifikanten Freisetzungen von RadioaktivitätKeine Todesopfer, keine gesundheitlichen Folgen
Schwerwiegende Fehler der Betriebsmannschaft
⇒ Kernzerstörung durch Abschaltung der Notkühlung
Ursache: Nachzerfallswärme
1979
Harrisburg
Phebus, Frankreich
Forever, Schweden
COMAS, Deutschland
Beta,Deutschland
Forschung zur Kernschmelze
Core-Catcher - Kernschmelzerückhaltung im Containment (EPR)
Bodenkühlung Schmelzekanal Schutz- Schmelzpfropfenschicht
OpferschichtVerteilungsfläche
OpferschichtSchutzschicht
Beherrschung der Kernschmelze
Notkühlsystem des EPR
Reaktor
Redundanz 1 Redundanz 2 Redundanz 3 Redundanz 4
Höhere Zuverlässigkeit durch mehr Redundanz:
4 x 100 % = es reicht, wenn 1 von 4 Systemen funktionieren
⇒ rechnerische Kernschmelzhäufigkeit etwa 10-6 1/a
in ReparaturDefekt
Sicherheitseigenschaften des EPR-Containments
Doppelwandiges Containment (2x1.3 m)
Äussere Hülle absorbiert Schocklast
Innere Hülle bleibt intakt
Schutz gegen Absturz einer großen Verkehrsmaschine
Schutz gegen Einwirkung von Aussen
Passive Sicherheitssysteme
Problem: Bevor Flutung beginnen kann, muss Reaktor drucklos sein!Ohne zusätzliche Massnahmen würde dies bei Leckstörfällen erst erreicht werden, wenn der Kern bereits freigelegt ist.
Leck = Füllstand sinktDruck sinkt
Flut-becken
Flutventil(Rückschlagklappe)
GravitationsgetriebenesFluten des Reaktorkerns
SWR 1000, Areva NP
Hydrostatisches Kernflutsystem
Notkondensator
Flut-becken
Notkondensator =Rohrbündel-Wärmeübertrager
nicht absperrbar
SWR 1000, Areva NP
Normalbetrieb Leckstörfall
• Füllstandsabfall im Reaktor → Dampf gelangt in das Rohrbündel• Kondensation setzt ein, Wärmeabgabe an Kernflutpool• Schneller Druckabbau ohne zusätzlichen Massenverlust • Kernflutung beginnt, bevor Füllstand Kernoberkante erreicht
Sieden
Besonderheit:Passive Systeme
Automatische Begrenzung der Auswirkungen aller denkbaren Störfälle auf die Anlage
Heute: Auslegungsüberschreitende Störfälle können durch Notfallschutzmassnahmen beherrscht werden
Generationen von KKWs
19. April 2007 H.-M. Prasser, MAVT, IET
Master of Science ETH EPF in Nuclear Engineering
• Provide in-depth knowledge on the fundamentals and technology of nuclear fission for energy supply
• Provide complementary knowledge on nuclear fusion
• Provide knowledge on nuclear techniques in medicine, research and industry
• Provide a view on the complete nuclear energy conversion system and the entire fuel cycle from uranium mining to the back-end
• Integrate nuclear energy into energy systems as a whole
Tokamak of CRPP-EPFL
www.master-nuclear.ch
PROTEUS reactor at PSI
Solar concentrator at PSI
Danke für die Aufmerksamkeit!