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Neue Reaktorkonzepte für die Kernspaltung, Entwicklungen von AREVA

W.Dams, R.Leverenz, R.DrescherAREVA NP GmbH

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Neue Reaktorkonzepte - Dr. Dams – 16.03.2010 - ©AREVA NP - S.3 All rights are reserved, see liability notice.

AREVA NP

Kernkraftwerke weltweitJanuar 2010 – 436 Kernkraftwerke weltweit

Quelle: WNA

Nord-Amerika122

Lateinamerika6

Westeuropa129 Mittel- und

Osteuropa 65 Asien

112

Afrika2

2/3 der Menschheit nutzen die Kernenergie


AREVA NP

Die weltweite Energie-Herausforderung

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1950 2000 2050 2100

Erneuerbare Energien Kohle Öl Gas Nuklear

?

Mill. t SKE

?

Stärkster Ausbau erneuerbarer Energien ?

Selbst wenn Ausbau der Erneuerbaren

und Energiesparen extrem gefördert

werden verbleibt eine große Lücke!

Quelle: DNK / WEC

Extreme Einsparmassnahmen ?

AREVA NP


AREVA NP

AREVA bietet ihren Kunden Lösungen für eine CO2-freie Stromerzeugung, -übertragung und -

verteilungLösungen für CO2-freie Energieerzeugung

Uranbergbau

Aufbereitung

Anreicherung

Brennelement-Fertigung

Kernkraftwerke

Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen

Service

Stromverteilung

StromübertragungLösungen für sichere

Stromübertragung und -verteilung

Erneuerbare Energien

Kerntechnik und Erneuerbare Energien

Stromübertragung und -verteilung

andere Anlagen zur

Stromerzeugung


AREVA NP

358

190

0

150

300

450

600

750

900

2030NeubauLaufzeit-verlängerung

Anlagen-schließun

g

262

2008

659

373

Szenario von AREVA bis 2030: Neubau oder Laufzeit-

verlängerung von über 500 GWe bei Kernenergie

1. World Energy Outlook 2. World Nuclear Association 3. US Department of Energy 4. Energy Information Administration

824: WEO1- 2008- 450 ppm Politikszenario

731: WNA2 - 2007- Hohe Schätzung748: IAEA - 2008 – Hohe Schätzung

529: WNA - 2007 - Referenz

473: IAEA - 2008 – Niedrige Schätzung

433: WEO - 2008 – Referenzszenario

498: DOE3 EIA4 - 2008 Referenzfall

AREVA

684: WEO- 2008- 550 ppm Politikszenario

Prognosen von internationalen Institutionen

installierte Leistung (in GWe)

(AREVA Ziel 2007: 636)AREVA Back-end

Reactors and Services

AREVA Mining, Front-End, Services and Back-

End

AREVA Reactors

and Services


AREVA NP

7

Die zeitliche Abfolge der Reaktor-„Generationen“

1950 201019901970 2030 2050

Generation IFrühe Prototyp-Reaktoren

Generation IIKommerzielle Leistungs-Reaktoren PWR, BWR, CANDU, VVER/RBMK

Generation III, III+Fortschrittliche Reaktoren:

Fortgeschrittene wassergekühlte Reaktoren z. B. EPRTM, KERENATM

Generation IVZukünftige Reaktorkonzepte:

z.B. HTR, FR

Fusion

TN


AREVA NP

R & DCOMPLETING DESIGN

HighTemperature

1600+ MWe PWR

1000+ MWe PWR

1250+ MWe BWR

FastBreeders

OFFERED TODAY

The AREVA Reactor PortfolioSolutions for Today & Tomorrow


AREVA NP

Der EPRTM

Generation III+ DWR 4-Loop 4500MWth DE Druck 77bar bei 100% Leistung 4x100% redundante Sicherheitssysteme Backup im Falle eines Ausfalls aller

Sicherheitsfunktionen hohe Leistung (1600+ MWe) Evolutionärer Aufbau (Konvoi/N4) Baugenehmigungen in Finnland, Frankreich &

China 2009 (andauernde Bauarbeiten in diesen Ländern)

niedrige Stromerzeugungskosten herausragende Sicherheit minimaler Einfluss auf die Umwelt Maximierung der Profitabilität durch hohen

Wirkungsgrad

Der EPRTM -Der Weg zu größtmöglicher Sicherheit

1600+ MWe DWR


AREVA NP

Technische Grundlagengrößte technische Entwicklung Gen III+ DWR

• gebaut in Finnland, Frankreich & China• Lizenzbau in den USA und in GB

fortschrittlicher Aufbau basierend auf Konvoi & N4Maximierung der Profitabilität durch hohen

WirkungsgradTechnische Daten

• 1600+ MWel / 4500+ MWth

• 4-Loop• DE Druck 77bar bei 100% Leistung• 4x100% redundante Sicherheitssysteme• Backup im Falles eines Totalverlusts aller

Sicherheitsfunktionen

TM

Umwelt und Sicherheit

VORTEILE AUF EINEN BLICK

Sicherheit und Planbarkeit

Hohe Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit


AREVA NP

Redundanz der Sicherheitssysteme

Die redundanten Sicherheitssysteme bestehen aus 4 x 100% Sicherheitssträngen. Dabei ist in jedem der vier Sicherheitsgebäude jeweils ein Strang untergebracht, um innere und äußere Auswirkungen zu minimieren100% Strang: Jeder der vier Sicherheitsstränge ist in der Lage die erforderlichen Sicherheitsfunktionen allein zu erfüllenWarum 4 x 100% Stränge?

Als direkte Folge eines Störfalls könnte ein einzelner Strang ausfallen

Ein einzelner Strang könnte nicht in der Lage sein die Ausfallkriterien zu gewährleisten (Sicherheitsanforderung)

Im Störfall könnte ein einzelner Strang durch Wartungsarbeiten nicht zur Verfügung stehen (Betriebsvoraussetzung)

ein Strang steht zur Verfügung um alle Sicherheitsfunktionen zu gewährleisten

Vier-Strang-Konzept

1

23 4


AREVA NP

Beherrschbarkeit von Störfallfolgen durch die Kombination passiv und aktiv wirkender Sicherheitssysteme

spray nozzles

x x

x

x

FL flow limiter

CHRS

water level in case of waterinjection into spreading compartment

(2x)

passive

spreading compartment

melt flooding via cooling deviceand lateral gap

in-containment refuelingwater storage tank

flooding device

Aktives System (Langfristig)

1. Temporäres Zurückhalten der Schmelze in der Reaktorgrube (Metallsperre und Gravitation)

2. Austritt der Kernschmelze in die vorgesehene Ausbreitungsfläche (Schmelzen der Metallsperre und Gravitation)

3. Fluten & Kühlen der Kernschmelz-Ausbreitungsfläche durch Öffnen des Flutbeckens

1. Wärmeableitung aus dem Sicherheits-Behälter:

• durch den Umwälzkreislauf des Kühlwassers

• durch das Flutsystem des Sicherheitsbehälters

keine wesentlichen Maßnahmen in der Umgebung der Anlage erforderlich

&

Passives System (Kurzfristig)

Reaktorgrube

Flutbecken

Kernschmelz-ausbreitungsfläche

Opferbeton


AREVA NP

Der EPRTM hat eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber einem Aufprall von großen Passagierflugzeugen

und Militärflugzeugen

EPRTM - Standfestigkeit gegenüber äußeren Einwirkungen

Große PassagierflugzeugeMilitärflugzeuge

Einwirkungen aus unterschiedlichen Richtungen und auf verschiedene Ebenen


AREVA NP

15 – 350 MWel

Kahl (‘61)Gundremmingen

A (‘66)Lingen (‘68)

640 – 1350 MWel

Würgassen (‘71)Brunsbüttel (‘77)

Isar 1 (‘77)Philippsburg 1 (‘79)

Krümmel (‘83)

1290 MWel

Gundremmingen BGundremmingen C

(‘84 & ‘85)

SWR KonstuktionserfahrungVorteile aus Erfahrungsrückfluss

1250+ MWel


AREVA NP

KERENATM ÜberblickTechnische Hauptdaten

• Thermische Reaktorleistung 3,370 MWth

• Nennleistung 1,250 MWel

• Wirkungsgrad 37 %• Brennelement Typ ATRIUMTM 12A• Brennelement Anzahl 664• Steuerstäbe 157• Höhe aktiver Kern 3.0 m• Durchschnittliche

Brennstoffleistungsdichte 51 kW/l• RDB Höhe 23.81 m• RDB innerer Durchmesser 7.12 m• RDB Betriebsdruck 75 bar• Interne Umwälzpumpen 8• Geplante Lebensdauer 60 Jahre


AREVA NP

Sicherheit► Sehr geringe Häufigkeit von

Kernschmelzunfällen► Beherrschung von Störfallen

und auslegungs- überschreitenden Ereignissen ohne der Inanspruchnahme des externen Notfallschutzes

► Einführung passiver Sicherheitssysteme (Prinzip von Redundanz & Diversität)

► Große Zeiträume für erforderliche Personalhandlungen (>3 Tage)

► Einsatz von Betriebserfahrung zur Vereinfachung der Projektplanung

► Hohe Anlagenverfügbarkeit► Wartungsfreundliches Design und geringer

Wartungsaufwand► Flexible Brennstoffzyklen (12 - 24 Monate)► Hoher Abbrand (bis zu 65 GWd/t)► Verringerung von Produktionsabfall► Lebensdauer von 60 Jahren (geplant)► Kurze Konstruktionsdauer von 48 Monaten► Erzeugungskosten wettbewerbsfähig

gegenüber größeren Kernkraftwerken & fossil befeuerten Anlagen

Betrieb & Wirtschaftlichkeit

KERENA™ Hauptentwicklungsziele


AREVA NP

Anlagen Layout

Reaktorgebäude Maschinenhaus

Reaktorhilfsanlagengebäude

Gebäude für die Kühl- und Nebenkühlwassersysteme (Pumpenhaus) &Notstromdieselgebäude

SchaltanlagengebäudeReaktornebenanlagengebäude

Nebenkühlwasser Pumpenhaus & Notstromdieselgebäude


AREVA NP

KERENA™ – Sicherheitsbehälter


AREVA NP

SicherheitskonzeptKERENATM ist ein robuster Reaktor

Redundanz & Diversität- Sichergestellt durch Zwei aktive & Einen passiven Sicherheitsstrang

Passives Sicherheitssystem- Funktion werden selbständig oder durch passive Systeme aktiviert- Unabhängige Basis zur Beherrschung von Störfällen und auslegungsüberschreitenden

Ereignissen

Passive Reaktor Kühlung- Hinreichendes Kühlwasser zur Gewährleistung der Wärmeabfuhr für bis zu 72h nach

Eintritt eines auslegungsüberschreitenden Ereignisses ohne Personalhandlung

Schwere Störungen- In diesem unwahrscheinlichen Fall werden Konsequenzen kontrolliert und es sind keine

wesentlichen Maßnahmen in der Umgebung der Anlage erforderlich

Passive & Aktive Sicherheitssysteme gewährleisten die Sicherheit des KERENATM Reaktors.


AREVA NP

Sicherheitskonzept Sicherheitssysteme wurden durch Einführung passiver Sicherheitsfunktionen vereinfacht.Die aktiven Systeme besitzen passive Systeme als back up, um die nukleareren Sicherheitsfunktionen auszuführen.Die Störfallbeherrschung ist mit den passiven Sicherheitssystemen und ohne Kernaufheizung möglich.Funktion werden selbständig oder mit passiven Systemen aktiviert, wie z.B. durch die passiven Impulsgeber.Hoher Grad an Diversität im System- und Komponentendesign.Große Wasservolumina im RDB, sowie innerhalb- & außerhalb des Sicherheitsbehälters zur Gewährleistung der Sicherheit.Reduzierung der Auswirkung von Störfällen durch Rückhaltung der Kernschmelze im RDB und passive Wärmeabfuhr vom RDB aus dem Sicherheitsbehälter.

KERENATM Sicherheitsgrundsätze stimmen mit internationalen Sicherheitsstandards überein.


AREVA NP

Passive SicherheitssystemeNotkondensator (NOKO)

Flutbecken

Zustand während Leistungsbetrieb

Notkondensator

Zustand nach vorübergehendem Abfall des RDB Level

Rücklaufschleife


AREVA NP

Das Gebäudekondensatorsystem


AREVA NP

AnimationNOKO


AREVA NP

Das passive Flutsystem

Notkondensator

Flutleitung mit Absperrventil

Flutbecken


AREVA NP

Animationpassives Fluten


AREVA NP

Passives Sicherheitssystem Passive Impulsgeber (PIG)

Passive Impulsgeber

Steuerventil

Zustand während Leistungsbetrieb

Zustand nach Abfall des RDB Level


AREVA NP

AnimationPIG


AREVA NP

UnfallverringerungSicherheit an erster Stelle

Auch beim unwahrscheinlichen Auftreten eines schweren Störfalls ist die Integrität des Reaktordruckbehälters gewährleistet.

8,4x10-8 Kernschadenshäufigkeit pro Jahr

Gebäude-kondensator

Dampföffnung

Druckkammer-flutungsarmatur

Kernschmelze (Metallanteil)

Kernschmelze(Oxydanteil)


AREVA NP

Fazit Sicherheit: (1)

Sicherheitskonzept mit großen Wasservorräten im Reaktordruckbehälter (RDB) innerhalb des Sicherheitsbehälters (Flutbecken &

Kondensationskammer) außerhalb des Sicherheitsbehälters (Abschirm- / Absetzbecken)Verschiedene Aktivierungssysteme Sicherheits I&C- System passives ImpulsgebersystemDiverse aktive & passive Sicherheitssysteme zur Beherrschung von auslegungsüberschreitenden EreignissenBeherrschung von auslegungsüberschreitenden Ereignissen nur mit passiven Sicherheitssystemen ohne Kernaufheizung


AREVA NP

Fazit Sicherheit:(2)

Sehr geringe Häufigkeit eines KernschmelzunfallsAuslegungsüberschreitende Ereignisse werden passiv kontrolliert, Konsequenzen sind auf die Anlage selbst beschränktAnlage ist gegen Naturereignisse und Gefährdungen von Innen und Außen geschützt Verringerung des Kapitalaufwandes durch

geringere Anzahl von aktiven Systemen und Komponenten Einsatz von passiven System


AREVA NP

Test der Einzelkomponenten (Originalmaßstab für Rohrleitungslänge & Anzahl der Rohrleitungen)

Notkondensator Sicherheitsbehälterkühler Passives Flut System

Integral Tests Inklusive des Notkondensator, der Sicherheitsbehälterkühler, des Passiven Flut Systems & der Passiven Impulsgeber

Störfälle ohne Kühlmittelverlust Störfälle mit Kühlmittelverlust

Kennzahlen ValidationSämtliche Versuche werden zur Validierung numerischer Vorhersagetools genutzt

INKATest Matrix

Ziel: Demonstration der Interaktion der passiven Sicherheitssysteme und der Eignung der passiven Sicherheitskomponenten die Anlage in einen Sicheren & Stabilen Zustand zu versetzen, ohne die Unterstützung von aktiven Systemen oder durch die Aktivierung von I&C Signalen.

Ziel: Gewinnen der Nenndaten der Komponenten Leistungsfähigkeit.


AREVA NP

Integraler Teststand KERENATM

31

m

34 m

Abschrirm- / Absetzbecken

Flutbecken

Kondensations-kammer

Druckkammer

RDB

INKA Test Anlage Karlstein


AREVA NP

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Die zeitliche Abfolge der Reaktor-„Generationen“

1950 201019901970 2030 2050

Generation IFrühe Prototyp-Reaktoren

Generation IIKommerzielle Leistungs-Reaktoren PWR, BWR, CANDU, VVER/RBMK

Generation III, III+Fortschrittliche Reaktoren:

Fortgeschrittene wassergekühlte Reaktoren z. B. EPRTM, KERENATM

Generation IVZukünftige Reaktorkonzepte:

z.B. HTR, FR

Fusion

TN


AREVA NP

Internationale Programme für neue Reaktortypen

Neuartige technische Optionen für Einsatz in 20 - 30 Jahren

Nutzung der Kernenergie nicht nur für Stromerzeugung, sondern auch für Prozesswärme, Meer-wasser-Entsalzung und Wasser-stofferzeugung

Fortschritte hinsichtlich Wirtschaftlichkeit, Sicherheit, Proliferations-Resistenz und Minimierung radioaktiver Abfälle

Einbeziehung von Industrie- und Entwicklungsländern

Langfristig (≥ 10 Jahre Neue Reaktortypen : Generation IV International Forum

Internationale Zusammenarbeit bei Konkretisierung der Ziele, Festlegung von Kriterien

Auswahl der aussichtsreichsten Reaktortypen und zugehörigen Brennstoffkreisläufe

Ziele Vorgehen


AREVA NP

Kernenergie – nur eine begrenzte Energiereserve?


AREVA NP

U/Pu Brennstoffzyklus(Standard Zyklus in thermischen Reaktoren)

Thermisch spaltbares Isotop

Neutronen (Resonanz) Einfang

ß-Zerfall

Brennstoffalternativen

Angereichertes Uran (4-5 Gew.-% U-235)

U-235 wird „verbrannt“Pu wird erbrütet und „verbrannt“

MOX (Mischoxid) rezykliertes Plutonium (4-5 Gew.-% spaltbares Pu) in (abgereichertem) Uran

Pu wird „verbrannt“ und erbrütet


AREVA NP

Potentieller Th-232/U-233 Brennstoffzyklus (in thermischen Reaktoren nicht realisiert)

Thermisch spaltbares Isotop

Neutronen (Resonanz) Einfang

ß-Zerfall

Brennstoffalternativen

Thermisch spaltbares Isotope in Th-Matrix U-233 oder U-235 oder Pu

Spaltbare Isotope werden „verbrannt“U-233 (und ggf. Pu) wird erbrütet und

„verbrannt“


AREVA NP

Ziele für F&EIm Rahmen des Projekts Gen IV wurden 6 aussichtsreiche Reaktorkonzepte ausgewählt

Sodium Fast Reactor (SFR)

SFR

MSRLFRSCWRSFRVHTR GFR


AREVA NP

Ziele für F&E


Im Rahmen des Projekts Gen IV wurden 6 aussichtsreiche Reaktorkonzepte ausgewählt

Gas Cooled Fast Reactor (GFR)

GFR


AREVA NP

Ziele für F&E


LFR



AREVA NP


SCWR



AREVA NP


Molten Salt Reactor (MSR)

MSR



AREVA NP

Ziele für F&E


(V)HTR



AREVA NP

HTR Modul


AREVA NP

HTR-MODUL (200 MWth)

CORE, STEAM GENERATOR


AREVA NP

Condenser

Steam Cycle

S.G.

ANTARES serves a variety of Process Heat Markets

600 MWt Rx core

He

IHX

Circulator

He or N2/He

Gas turbine

Generator

Water/steam

Gas Cycle

Primary Loop

High Temp. Process

Heat~550 to 800C

Med. Temp. Process Heat~250 to 550C

Low Temp. Process Heat~30 to 250C


AREVA NP

Erweiterte Kernenergienutzung – mehr als nur Stromproduktion

Bisher wird Kernenergie nur zur Stromerzeugung eingesetztAufgrund der im Vergleich zu anderen Prozesswärmequellen relativ niedrigeren Kosten wird die Kernenergie in Zukunft einen steigenden Anteil haben.Ein neuer Energiemix wird entstehen: CO2-freie Prozesswärme bekommt einen steigenden Marktwert synthetischer Brennstoff könnte wieder wettbewerbsfähig werden

Kohle oder Gas to liquid Biomasse to liquid

Teersand, Raffinerien, chemische Industrie, Stahlsektor, … sind alle hohe Energieverbraucher und hohe CO2-Produzenten

Wasserstoff könnte ein Rohstoff von höchster Bedeutung für diese Industriebereiche werden


AREVA NP

Thermonukleare FusionITER International Thermonuclear Experimental Reactor

> Ziel des ITER-Projekts: Demonstration der wissenschaftlichen und technologischen Durchführbarkeit der friedlichen Anwendung der Kernfusion

> Träger: EU, China, Japan, Kanada, Russland, Südkorea und USA

> Standort: CadarachePlanung Bau Betrieb

1990 2005 2015 2035


AREVA NP

ZusammenfassungDer wachsende Energiebedarf macht den Einsatz aller Energiequellen erforderlich, der Verzicht auf bestimmte Optionen ist ein energiepolitischer Irrweg.

Steigende Preise für fossile Brennstoffe machen bestehende und neue Kernkraftwerke in der Grundlast ökonomisch attraktiver.

Fortschritte beim Ausbau der Endlager für radioaktive Abfälle sind der Schlüssel zu einer öffentlichen Akzeptanz der Kerntechnik.

Fortschrittliche Reaktoren der 3. Generation bieten weitere Verbesserungen hinsichtlich Kosten, Umweltschutz und Sicherheit.

Während gegenwärtig der Ausbau der Kernenergie sich in Fernost abspielt, zeichnet sich der Aufschwung der Kernenergie in Europa und Nordamerika ab.

Der Beitrag der Kerntechnik für den Klimaschutz findet mehr und mehr Beachtung.


AREVA NP

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Ende der Präsentation

Neue Reaktorkonzepte für die Kernspaltung

W.Dams, R.Leverenz, R.Drescher AREVA NP GmbHBonn, 16.03 2010

neue reaktorkonzepte für die kernspaltung, entwicklungen von areva w.dams, r.leverenz, r.drescher...

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