kernenergie severijns 2014 02 11 slides
TRANSCRIPT
Kernenergie
KATHOLIEKE
UNIVERSITEIT LEUVEN
Nathal Severijns
Universiteit Derde Leeftijd
11/02/2014
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Fundamenteel fysica onderzoek
met ionenbundels:
- structuur van de atoomkern
- eigenschappen van de natuurkrachten
- onderzoek naar nieuwe materialen
Universiteit Derde Leeftijd - N.
Severijns - 11/02/2014
1. Inleidende begrippen
2. Energie uit atoomkernen
3. Soorten ioniserende straling - stralingsdosis
4. Belgische kerncentrales
5. Veiligheid – Fukushima/Tsjernobyl
6. Kernafval
7. Kernfusie
8. Energie in de XXIste eeuw
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
1. Atomen en elementen - isotopen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
als atoomkern = tennisbal
diameter atoom = 10 km
atoom = kern + elektronen
kern = protonen + neutronen
isotopen: aantal neutronen
element: aantal protonen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Tabel van
Mendeljev
D
T
kernfusie
n
\He
kernsplijting
134Xe
102Sr
n 235U
n
2. Hoe energie halen uit atoomkernen?
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Energie uit kernsplijting
verbranding van 1 kg steenkool
fissie van 1 kg 235U
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
factor 2 tot 3 miljoen !
1.000 MegaWatt kerncentrale:
4 wagons uranium per jaar vs. 54.000 wagons steenkool
3. Soorten straling bij radioactief verval
papier, opperhuid
(langlevend kernafval)
alum. plaatje, ~cm in lichaam
(splijtingsproducten)
lood, ganse lichaam
(splijtingsproducten)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
alfa
beta
gamma
Stralingsdosis
Eenheid: Sievert (Sv)
Internationale normen:
1 mSv / jaar bevolking
20 mSv / jaar professionelen
250 mSv / jaar noodsituaties
Kans om aan kanker t.g.v. straling te sterven :
5% per Sievert
Stralingsziekte als > 1 Sv in korte tijd.
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Stralingsdosis
in Vlaanderen
Source: UNSCEAR 2000 Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
~4.1 mSv / jaar
radon:
~1 mSv / jaar (in Ardennen x 3!!)
dosis voor
medische
toepassingen
stijgt in VL !
Universiteit Derde Leeftijd - N.
Severijns - 11/02/2014
Stralingsdosis - Voorbeelden
X-stralenfoto borstkas 0.05 mSv / foto
vlucht tsn. Europa en VS 0.1 mSv / vlucht
pakje sigaretten per dag 0.35 mSv / jaar
natuurlijke dosis 2,4 mSv / jaar
CT-scan 2 tot 15 mSv / scan
Guarapari (Brazilie) 10 mSv / jaar
Fukushima 5 tot 20 mSv / jaar
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Risico:
Kans om aan kanker t.g.v. straling te sterven :
5% per Sievert
Stralingsziekte:
> 1 Sv in korte tijd; nog medisch te behandelen
> 4 Sv in korte tijd is fataal
4.1 mSv / jaar x 80 jaar = 328 mSv (~ 1/3 Sv)
~ 1.7 %
137Cs concentratie in België van 1957 tot 2005
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
4. De Belgische kerncentrales
Doel Tihange
Doel 1, 1975 433 MW
Doel 2, 1975 433 MW
Doel 3, 1982 1006 MW
Doel 4, 1985 1040 MW
Tihange 1, 1975 962 MW
Tihange 2, 1983 1008 MW
Tihange 3, 1985 1054 MW
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
~51 % van onze elektriciteitsproductie
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
bron: E. De Clecrq (uitg.), Kerncentrale Doel; bijgewerkte Milieuverklaring
2011, Electrabel-GDF SUEZ Groep, Doel, 2011
1: reactorvat
2: branstofstaven
3: controlestaven
4: drukregelvat
5: warmtewisselaar
10, 11: turbines
14: alternator
16: transformator
17: hoogspanningslijn
12: condensor
18: waterloop
22: koeltoren
23: opwaartse luchtstroom
24: waterdamp
Pressurized Water
Reactor - PWR
Binnenzicht van een kernreactor
blauwe gloed =
Cerenkovstraling
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
‘Barrières' om verspreiding van radioactiviteit
te vermijden; de Belgische kerncentrales
- reservestroom op +60 m
- minstens 2 reserve
- om de tien jaar een
veiligheidsherziening
uranium
in tabletten
tabletten
in staven
staven in
20 cm dik
stalen vat
twee omhulsels
Mogelijke grote problemen:
- verlies van stroom
- verlies van koelvermogen
- reactor wordt superkritisch
5. Veiligheid van kerncentrales
Mogelijke oorzaken:
- menselijke fout
- aardbeving (België tot 6,5)
- overstroming (Doel op 4m
boven waterstand van 1953)
- extreme weercondities
- terroristische aanslag
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Tsjernobyl
Fukushima
Wat is er gebeurd in Fukushima ?
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
- 11/03/11, 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 in Fukushima uitgeschakeld
- 13/03 – 15/03: verschillende H-explosies en 3x partial meltdown
vluchtige radioactieve stoffen ontsnappen (I, Cs)
- 11/03 – 12/03: evacuatie 20 km zone
- einde maart 2011: reactoren stabiel
- juli 2011: nieuwe gesloten koelwatercircuits
- geen doden of personen met stralingsziekte
- ong. 100 personen met dosis v.100-250 mSv
België - PWR
De kernreactoren van Fukushima vs. de Belgische
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Fukushima - BWR
twee koelcircuits; koelwater van reactor
drijft turbines aan
drie koelcircuits; koelwater van reactor blijft in reactorgebouw
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
22/09/2011
Fukushima was Tsjernobyl niet
- verschillende menselijke fouten
- reactortype internationaal niet aanvaard
- reactorvat door explosie vernietigd
- splijtstof 10 dagen open aan lucht gebrand
zeer veel radioactief materiaal (~10 x meer dan in Fukushima)
via de lucht verspreid over groot gebied (in Fukushima werd vooral de site zelf zwaar
gecontamineerd)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Tsjernobyl:
- 40 personen gestorven aan stralingsziekte
- verwacht wordt bijkomend ~4.000 van in totaal ~650.000 blootgestelde personen
Versus: per JAAR 1.000 verkeersdoden in B !
per JAAR ~90.000 doden in VS alleen
door ziekenhuisinfecties !
Fissie producten
Actinides
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval 6. Kernafval
kernafval
nu: scheiding in La Hague (F)
+ bovengrondse opslag in Dessel
en later mogelijk in ondergrondse kleilagen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Kernafval
toekomst: ADS-principe (Accelerator Driven System)
langlevend kernafval splijten tot (korter levende)
splijtingsprodn met proton van versneller
opslag gedurende 250 jaar i.p.v. 100.000 jaar
Europees testproject: MYRHA (SCK-Mol)
MYRRHA project
Studiecentrum voor Kernenergie, Mol
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
(ADS – Accelerator Driven System
kernreactor aangedreven door
een protonen-deeltjesversneller
• enkel fissie als versneller draait
geen ‘meltdown’ mogelijk
• brandstof:
uranium, afval van kernsplijting, thorium
MYRRHA project StudieCentrum voor Kernenergie; SCK-CEN in Mol
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
• verder:
- effect van neutronen op materialen
- radioisotopen voor medische
en industriële toepassingen
- productie van NTD-silicium voor
(windturbines, zonnecellen,
hybride auto’s)
MYRRHA project
Studiecentrum voor Kernenergie, Mol
deuterium: aanwezig in water ( ~ 1/10000)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval 7. Kernfusie
Noteer:
- geen kernafval
- enig radioactieve
isotoop is tritium
tritium : aangemaakt door deuterium te bestralen
met neutronen in een kernreactor
6Li + n T + 4He
energie van neutronen gebruikt om stoom te produceren
1000 MW centrale:
250 kg D-T / jaar
deuterium: uit zeewater (33 mg/l)
lithium: uit zeewater
(bijproduct)
Een kernfusiecentrale
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns -
11/02/2014
D + T 4He + n
Universiteit Derde Leeftijd - N.
Severijns - 11/02/2014
Universiteit Derde Leeftijd - N.
Severijns - 11/02/2014
ITER
ITER (Cadarache,
Zuid-Frankrijk)
- fusievermogen Puit = 500 MW
- inputvermogen Pin = 50 MW
Q = 10
- 24 m x 34 m
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval 8. Voorstel voor elektriciteitsproductie in de XXIste eeuw
- middellange termijn:
- hernieuwbare energie
- nieuwe (nog veiliger) kernreactoren
- ADS-systemen die kernafval verbranden
- gas- en stoomcentrales (STEG)
- lange termijn :
naar CO2-vrije elektriciteit a.h. einde v.d. XXIste eeuw
- hernieuwbare energie
- kernfusie
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval 8. Bedenkingen bij het elektriciteitsvraagstuk
- zo veel hernieuwbare energie gebruiken als redelijkerwijs mogelijk is
opm. : - manier van subsidiëring van zonnepanelen was totaal onverantwoord !!
- wind- en zonne-energie zijn in ons land niet constant beschikbaar
extra (‘back-up’) centrales bouwen duurdere stroom
in België kan max. 15 à 20% van de elektriciteit uit hernieuwbare energie komen
- mits goed energiebeleid kan percentage kernenergie (nu ~50 %) verminderd worden
als dit door het democratisch proces gevraagd wordt; kernuitstap nu is niet slim
- gas- en stroomcentrales (STEG) zijn geen volwaardig alternatief voor kernenergie
(verbranding van methaangas produceert nog steeds 55% van de hoeveelheid CO2 die bij
de verbranding van steenkool vrijkomt !! ), maar zijn wel flexibel wat productie betreft
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Er is nood aan gecoördineerd en verantwoord elektriciteitsbeleid !
dit houdt rekening met:
- kunnen voldoen aan de vraag
- elektriciteit moet betaalbaar blijven voor iedereen
- veiligheid en CO2 uitstoot
pro
ton
en
(e
lem
en
ten
)
neutronen (isotopen)
tin
nikkel
lood
calcium
zuurstof
waterstof
fissie van
uranium-235
Nuclidenkaart
een rij voor elk element,
met de isotopen voor dat element
fusie
fissieproducten zwart : stabiele isotopen
(niet radioactief)
kleuren : vervalmodes van
de radioactieve isotopen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
pro
ton
en
(e
lem
en
ten
)
neutronen (isotopen)
tin
nikkel
lood
calcium
zuurstof
waterstof
fissie van
uranium-235
Nuclidenkaart
een rij voor elk element,
met de isotopen voor dat element
fusie
fissieproducten zwart : stabiele isotopen
(niet radioactief)
kleuren : vervalmodes van
de radioactieve isotopen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Stralingsdosis - Voorbeelden
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
10 mSv/jaar
2,4 mSv/jaar
0,1 mSv/trip Europa VS
2 tot 15 mSv/keer
1 mSv/jaar
0,05 mSv/keer
pakje sigaretten
per dag:
0,35 mSv/jaar
• Uranium-235 :
• komt voor in honderden mineralen
(meest voorkomend uraniumerts is uraniniet)
natuurlijk uranium bestaat uit :
- 235U : kleine kans voor spontane fissie
- 238U : splijt alleen als neutron hoge energie heeft
gebruik aangerijkt uranium, met een hogere fractie 235U
uraniumerts
aangerijkt uranium
De brandstof voor kernreactoren
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
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 %
production of uranium
40 % of planet's known uranium ore supply
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
gas centrifuge installation for enrichment of uranium (Urenco)
a larger fraction of the heavier 238UF6 molecules is swept
towards the exterior of the centrifuge cylinder compared to
the lighter 235UF6 molecules
- 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.
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
De kernreactoren van Fukushima
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Universiteit Derde Leeftijd - N.
Severijns - 11/02/2014