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KernenergetikKernenergetik- Kernenergienutzung- Kernspaltung- Kettenreaktion im Kernreaktor- Kernkraftwerke
2
Welche Bedeutung hat die Kernenergie ?
- in Deutschland- in Europa- weltweit
3
Übrige6%
Kernenergie16%Steinkohle
19%
Erneuerbare22%
Erdgas11%
Braunkohle26%
Anteile der Energieträger an der Bruttostromerzeugungim Jahr 2012 in Deutschland
Kernenergie für die Grundlastsicherung 2012: 36 %(Rest: Braunkohle 57 %, Laufwasser 7 %)
Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013
4
Grundlast
Mittellast
Spitzenlast
Lastverteilung
Kernenergie
Braunkohle
Laufwasser
Steinkohle
5
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
Elektroenergieerzeugung (absolut *) in Deutschland (in Mrd. kWh)
*brutto, Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013
618
100118
159
136
gesamt
Kernenergie
Steinkohle
BraunkohleErneuerbare
6
KernkraftwerkeinDeutschland
Brunsbüttel 1977 - 2011Brokdorf 1986 - 2021Krümmel 1984 - 2011Stade 1972 - 2003Unterweser 1979 - 2011Emsland 1988 - 2022Grohnde 1985 - 2021Biblis A 1975 - 2011Biblis B 1977 - 2011Philippsburg 1 1980 - 2011Philippsburg 2 1985 - 2019Grafenrheinfeld 1982 - 2015Obrigheim 1969 - 2005Neckarwestheim 1 1976 - 2011Neckarwestheim 2 1989 - 2022Gundremmingen B 1984 - 2017Gundremmingen C 1985 - 2021Isar 1 1979 - 2011Isar 2 1988 - 2022
Rheinsberg und Lubmin stillgelegt
Mühlheim-Kärlich(nicht in Betrieb genommen) Standort, Alter und
Inbetriebnahmejahr,(vorauss.) Abschaltung
9 KKWin Betrieb
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Kernkraftwerkein Europa
Quelle: IAEA, Nuclear Power Reactors in the World, Juni 2012
187 Reaktorenin Kernkraftwerkenin Betrieb(Stand: 31.12.2011)
Land Prozentsatz Zahl derKernenergie KKW-Blöcke
Frankreich 78 % 58 (+1)Slowakei 54 4 (+2)Belgien 54 7Ukraine 47 15 (+2)Ungarn 43 4Slovenien 42 1Schweiz 41 5Schweden 40 10Bulgarien 33 2 (+2)Tschech. Rep. 33 6Finnland 32 4 (+1)Spanien 20 8Rumänien 19 2Russland 18 33 (+10)Großbritannien 18 18Deutschland 18 9Niederlande 4 1
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Kernkraftwerkeweltweit
Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013 Reaktortypen: Stand 31.12.2010, atw 57 (2012) 182
D2O-DWR10,2%
LWGR-RBMK153,4%
SBR20,5%
AGR143,2%
GCR40,9%
Candu4610,4%
SWR9220,8%
DWR-WWER5211,7%
DWR21749,0%
Land
ArgentinienArmenienBelgienBrasilienBulgarienChinaDeutschlandFinnlandFrankreichGroßbritannienIndienIranJapanKanadaKorea (Süd)MexikoNiederlandePakistanRumänienRusslandSchwedenSchweizSlowakische RepublikSlowenienSpanienSüdafrikaTaiwanTschechische RepublikUkraineUngarnUSA
Summe (31 Länder)
Anzahl
21722
1794
5816201
5119232132
33105417266
154
104
437
Bruttoleistung [ MWel ]
1.005408
6.2082.0072.000
13.70412.6962.820
65.88010.9074.7801.000
46.62814.36021.6541.610
515787
1.41225.2429.8053.4301.950
7277.4001.8885.2134.024
13.8182.000
106.915
392.793
2012: - 68 KKW in Errichtung (+5 zu 2011)- 2 KKW in Betrieb gegangen
(je 1x China und Südkorea)- 4 stillgelegt (2x GB, 1x CAN, 1x E)- 100 KKW weltweit
in fortgeschrittener Planung
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Vorzüge der Kernenergie:- hohe Energiedichte des Urans
(geringe Brennstoff- und Abfallvolumina)
- Energie"produktion"ohne CO2 - Freisetzung
- Rohstoff Uran nur zur Kernenergieerzeugungsinnvoll einsetzbar (Schonung anderer Resourcen)
- Rohstoff Uran ist langzeitig verfügbar
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Energie- und Spaltstoffumsatz
MWd0.997s86400
d·MeVMWs10·1.602·
AtomMeV210·Atome
23510·6.02
Atome235
10·6.02AtomeAN235Ug1
19-23
23L
=
=
==−
1 g U-235 ≈ 1 MWd
Abbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MWel ( 3000 MWth) :3000 MW · 330 d = 990000 MWd
≈ 1 t U-235-Verbrauch/Jahr≈ 1 t Spaltprodukte≈ Würfel mit Kantenlänge 37 cm
Aber:im frischen BE nur zu 3.5 % U-235 enthalten(Rest ist U-238)→ Gesamtabfall 30 x mehr→ 30 t Abfall in abgebrannten BE→ ca. 50 BE/Jahr
Nuklidanteile im BrennelementNatururan 99.3 % U-238
0.7 % U-235
frisches 96.5 % U-238Brennelement 3.5 % U-235
abgebranntes 95.0 % U-238Brennelement 0.8 % U-235
0.9 % Pu3.2 % Spaltprodukte0.1 % übrige Aktiniden
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Energie- und Spaltstoffumsatz
MWd0.997s86400
d·MeVMWs10·1.602·
AtomMeV210·Atome
23510·6.02
Atome235
10·6.02AtomeAN235Ug1
19-23
23L
=
=
==−
1 g U-235 ≈ 1 MWd
Abbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MWel ( 3000 MWth) :3000 MW · 330 d = 990000 MWd
≈ 1 t U-235-Verbrauch/Jahr≈ 1 t Spaltprodukte≈ Würfel mit Kantenlänge 37 cm
Aber:im frischen BE nur zu 3.5 % U-235 enthalten(Rest ist U-238)→ Gesamtabfall 30 x mehr→ 30 t Abfall in abgebrannten BE→ ca. 50 BE/Jahr
Nuklidanteile im BrennelementNatururan 99.3 % U-238
0.7 % U-235
frisches 96.5 % U-238Brennelement 3.5 % U-235
abgebranntes 95.0 % U-238Brennelement 0.8 % U-235
0.9 % Pu3.2 % Spaltprodukte0.1 % übrige Aktiniden
Zum Vergleich: Wieviel Braunkohlebriketts müsste man zur Erzeugung der gleichenEnergiemenge verbrennen ?Heizwert BB: 4700 kcal / kg Umrechnung: 1 Ws = 2,388·10-4 kcal
1 MWd = 106 · 24 · 3600 Ws= 106 · 24 · 3600 · 2,388·10-4 kcal= 106 · 24 · 3600 · 2,388·10-4 · (1/4700) kg BB= 4390 kg BB = 4,39 t BB
12
80
60
40
20
0Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez
100
100
80
60
40
20
0Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez
100
80
60
40
20
0Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez
Elektrische Leistung in Prozent
Brokdorf
Emsland
Philippsburg 2
Quelle:Kernenergie in DeutschlandJahresbericht 1998Deutsches Atomforum e.V.
Betriebsabläufe in deutschen Kernkraftwerken 1998
13
Verfügbarkeit von Kraftwerkenentspricht bei 8760 Std./a einer durchschnittlichen Verfügbarkeit von:
87 %
78 %
69 %
43 %
40 %
37 %
19 %
13 %
11 %
11 %
Quelle: DNN, Beilage Energie, 18.12.2012
Resultat: mit dem Ausstieg aus der Kernenergie werden die Kraftwerke mit der höchsten Verfügbarkeit und Versorgungs-sicherheit abgeschaltet
14
Braunkohle838 - 1231
Steinkohle750 - 1080
Erdöl550 - 946
Erdgas399 - 644
Photovoltaik78 - 217
Wind10 - 38
Wasser4 - 36
Kernenergie5 - 33
Treibhausgas-EmissionenEnergieträger mit Lebenszyklus-Analyse
Quelle: atw 52(2007)298
0
200
400
600
800
1000g
(CO
2) /
kWh
15
Förderwürdigkeit bis 130 US-$ pro kg Natururan(97 % der Reserven in gezeigten 14 Staaten, restl. 3 % verteilen sich auf 19 weitere Staaten)
Weltweite Verteilung der Uranressourcen 2009
Quelle: atw 55(2010)596, Prozentangaben: OECD NEA/IAEA 2010
16
Reichweiten verschiedener Energieträger
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Spaltstoff:U-235Pu-239 (aus U-238)U-233 (aus Th-232)
U-236 2 Spalt-bruchstücke
2 bis 3 Spaltneutronen
nth
KernspaltungKernspaltung
18
SpaltproduktverteilungSpaltproduktverteilungA
usbe
ute
in %
Aktivität nach 1 Jahrauf 1% abgesunken
60 80 100 120 140 160Massenzahl
1E-4
1E-3
1E-2
1E-1
1E+0
1E+1
Kr-85
Sr-Y-90
Zr-93 Ru-Rh-106 J-131
Cs-137Ce-144
Nd-147
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Energiefreisetzung bei der Kernspaltung
Spaltprodukte 175 MeVprompte Neutronen 5 MeVprompte Gammastrahlung 7 MeVß-Strahlung aus Spaltprodukten 7 MeVγ-Strahlung aus Spaltprodukten 6 MeVNeutrino 10 MeV
gesamt 210 MeVVergleich: Verbrennen fossiler Energieträger (Kohle, Öl, Gas, Holz)
= Oxidation ca. 30 eV pro ReaktionUnterschied: 7 Zehnerpotenzen !
20
Eigenschaften derSpaltneutronen:Eigenschaften derSpaltneutronen:
99,36 % prompte Neutronen (10-9 s)
0,64 % verzögerte Neutronen (≈ 1 min)
E ≈ 2 MeV (schnell)
21
1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+71
10
100
1000
Neutronenenergie / eV
σ fis
sion
/ bar
n566 barn
1.3 barn
En = 0.025 eV(thermische Neutronen)
En = 2 MeV(schnelle Neutronen)
Abbremsung= Moderation
Energieabhängigkeit des Wirkungs-querschnittes für die Spaltung von U-235
22
Moderatormittlere Stoßzahl füreine Abbremsung von1.75 MeV auf 0.025 eV
Neigung zum Einfangthermischer Neutronenin relativen Einheiten
182586
1142172
65017
105600
Wasserstoff H
Deuterium HBeryllium BeKohlenstoff CUran U
112193126
23892
Bremsver-mögen
Brems-verhältnis
. @Gs
. @Gs/Ga
H2O
1.53
70
D2O
0.170
5200
Be
0.178
162
Graphit
0.061
235
ModeratoreigenschaftenModeratoreigenschaften• gute Bremsung von Neutronen• geringe Absorption von Neutronen
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Verzögerte NeutronenVerzögerte Neutroneni 1 2 3 4 5 6
T2 / s 0,2 0,6 2,3 6,2 23 56
ai = ßi / ß 0,042 0,115 0,395 0,196 0,219 0,033
Mutterkern ? ? ? Br-89 J-137 Br-87
n pro 103
Spaltungen 0,7 1,8 6,2 3,1 3,5 0,5(U-235)
⇒ Σ = 1
⇒ Σ = 15,8
→ 15.8/1000/2.47= 0.64%
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• Strahlenabschirmung (Schwerbeton)
• Reflektor (H2O, D2O, Be, Graphit)
Prinzipaufbau eines KernreaktorsPrinzipaufbau eines Kernreaktors
• Moderator (H2O, D2O, Graphit,PE)
• Reaktorgefäß
• Regelstäbe (Cd, B, Hf, Sm)
• Neutronendetektoren
n• Neutronenquelle(nur bei Forschungsreaktorenkleiner Leistung)
• Kernbrennstoff
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SteuerstäbeNeutronenquelleSpaltzoneGraphitreflektor
VakuumpumpeAerosolfilterDruckwächter
Unterdrucksystem
Kernhubwerk
(Reaktortank)Quellcontainer
Reaktordeckel
Steuerstabantriebe
Reaktorkopf
Reaktorbehälter mitbiologischer Abschirmung
AufbaudesAKR
AufbaudesAKR
26
Reaktor-Druckgefäß
Druck-halter
Dampf-erzeuger
Pumpe Pumpe
Primärwasser 330 °C, 150 barSek.-
wasser
Dampf 50 bar
Turbine Kühlturm
Generator
Kondensator
Pumpe
Reaktor-kern
KKW mit Druckwasserreaktor
27
Reaktor-kern
ca. 20 m
Dampf, ca. 70 bar
Generator
Turbine
Kühlwasser
Kühlturm
KondensatorPumpe Pumpe
Wasser
Reaktor-Druckgefäß
KKW mit Siedewasserreaktor
28
Sicherheitseinschluss im Containment
Stahl-Sicherheitsbehälter
N 56 m
Erdbebensichere Bodenplatte
Betonumhüllung
ca. 2 m
3 m
1.5 m2 m Pumpe
Strahlenabschirmung
Reaktor-druckgefäß
Speisewasservom
Kondensator
Dampf zurTurbine
Dampf-erzeuger
29
Reaktorgebäudedes KKW ISAR 21 Stahlbetonhülle2 Sicherheitsbehälter3 Reaktorrundlaufkran4 Reaktordruckbehälter5 Steuerstabantriebe6 Brennelementebecken7 Lademaschine8 Innenschild (biologisch)9 Tragschild (biologisch)10 Dampferzeuger11 Hauptkühlmittelpumpe12 Frischdampfleitung13 Speisewasserleitung14 Druckspeicher15 Personenschleuse16 Materialschleuse17 Flutbecken18 Nachwärmekühler19 Sicherheitseinspeisepumpe
30
Kernkraftwerk Biblis
31
Oberteil vor dem Einbau
Reaktordruckbehälter
32
Brennelement eines Druckwasserreaktors
• rechteckiges Stabbündel (16 x 16)• Grundfläche 23 x 23 cm• Masse ca. 750 kg• knapp 5 m Höhe• 236 Brennstäbe• zusätzlich 20 Steuerstäbe (Cd)• im Reaktor (z.B. Biblis A)befinden sich 193 dieser BE,d.h. 193 x 236 ~ 45500 Brennstäbe
• das sind 99,2 t Urangewicht
Quelle: Robert Gerwin, So ist das mit der Kernenergie, Econ-Verlag Düsseldorf/Wien, 1978
33Abklingbecken
Umladungvon Brenn-elementen
Lager für frische Brenn-elemente
34
CASTOR-Behälter mit abgebrannten Brennelementen
35
FaszinationdesCerenkov-Effektes
v
36
Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitVielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit