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



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

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m E

rz, p

pm



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

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rz, p

pm



Grenze heutigen Abbaus


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



Uran besser alsBraunkohle

>200 Jahre >2000 Jahre


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:

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


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!

frühjahrstreffen an der eth zürich

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