Kernenergetik - TU Dresden · PDF fileAbbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MW el ( 3000 MW th) :...

1

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

7

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

8

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

9

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

10

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

11

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

17

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

19

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

23

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%

24

• 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

25

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