Kernenergie Severijns 2014 02 11 slides

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

//ksfsrv1/public/Kozlov Valentin/Presentation/2006-Wetenschappen_IKS/TCP06/2006_tcp06_talk.ppt#7. Trap tests

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


1. Atomen en elementen - isotopen


als atoomkern = tennisbal

diameter atoom = 10 km

atoom = kern + elektronen

kern = protonen + neutronen

isotopen: aantal neutronen

element: aantal protonen


Tabel van

Mendeljev

D

T

kernfusie

n

\He

kernsplijting

134Xe

102Sr

n 235U

n

2. Hoe energie halen uit atoomkernen?


Energie uit kernsplijting

verbranding van 1 kg steenkool

fissie van 1 kg 235U


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)


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.


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 !



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


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


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


~51 % van onze elektriciteitsproductie


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


‘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


Tsjernobyl

Fukushima

Wat is er gebeurd in Fukushima ?


- 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


Fukushima - BWR

twee koelcircuits; koelwater van reactor

drijft turbines aan

drie koelcircuits; koelwater van reactor blijft in reactorgebouw


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)


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


kernafval 6. Kernafval

kernafval

nu: scheiding in La Hague (F)

+ bovengrondse opslag in Dessel

en later mogelijk in ondergrondse kleilagen


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


(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


• 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)


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





ITER

ITER (Cadarache,

Zuid-Frankrijk)

- fusievermogen Puit = 500 MW

- inputvermogen Pin = 50 MW

Q = 10

- 24 m x 34 m



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


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


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


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


Stralingsdosis - Voorbeelden


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


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


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.


De kernreactoren van Fukushima




Documents

Kernenergie Severijns 2014 02 11 slides