Transcript Kernenergie - Alumni KU Leuven
Kernenergie Nathal Severijns Universiteit Derde Leeftijd 11/02/2014
KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN 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 XXI ste eeuw
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
1. Atomen en elementen - isotopen
atoom = kern + elektronen kern = protonen + neutronen element: aantal protonen isotopen: aantal neutronen als atoomkern = tennisbal
diameter atoom = 10 km
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Tabel van Mendeljev
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
2. Hoe energie halen uit atoomkernen?
n
kernsplijting
134 Xe 102 Sr 235 U
n
kernfusie
D
n
T
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014 \
He
Energie uit kernsplijting verbranding van 1 kg steenkool factor 2 tot 3 miljoen ! fissie van 1 kg
235
U
1.000 MegaWatt kerncentrale: 4 wagons uranium per jaar vs. 54.000 wagons steenkool
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
alfa beta
3. Soorten straling bij radioactief verval
gamma papier, opperhuid (langlevend kernafval) alum. plaatje, ~cm in lichaam (splijtingsproducten) lood, ganse lichaam (splijtingsproducten)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
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
Source: UNSCEAR 2000
Stralingsdosis in Vlaanderen ~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 vlucht
tsn.
Europa en VS 0.05 mSv / foto 0.1 mSv / vlucht pakje sigaretten per dag natuurlijke dosis CT-scan Guarapari (Brazilie) Fukushima 0.35 mSv / jaar 2,4 mSv / jaar 2 tot 15 mSv / scan 10 mSv / jaar 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 4.1 mSv / jaar x 80 jaar = 328 mSv (~ 1/3 Sv)
~ 1.7 % Stralingsziekte: > 1 Sv in korte tijd; nog medisch te behandelen > 4 Sv in korte tijd is fataal
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
137
Cs concentratie in België van 1957 tot 2005
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
4. De Belgische kerncentrales
~51 % van onze elektriciteitsproductie Tihange Doel 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
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
bron: E. De Clecrq (uitg.), Kerncentrale Doel; bijgewerkte Milieuverklaring
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 uranium in tabletten tabletten in staven staven in 20 cm dik stalen vat
twee omhulsels
- reservestroom op +60 m - minstens 2 reserve - om de tien jaar een veiligheidsherziening
5. Veiligheid van kerncentrales Tsjernobyl Fukushima Mogelijke grote problemen:
-
verlies van stroom
-
verlies van koelvermogen
-
reactor wordt superkritisch 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
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
-
11/03 – 12/03: evacuatie 20 km zone
-
13/03 – 15/03: verschillende H-explosies en 3x partial meltdown
vluchtige radioactieve stoffen ontsnappen (I, Cs)
-
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
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
De kernreactoren van Fukushima vs. de Belgische
Fukushima - BWR
twee koelcircuits; koelwater van reactor drijft turbines aan België - PWR drie koelcircuits; koelwater van reactor blijft in reactorgebouw
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
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) 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 !
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval
6. Kernafval
Fissie producten Actinides
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval
Kernafval
nu: scheiding in La Hague (F) + bovengrondse opslag in Dessel en later mogelijk in ondergrondse kleilagen toekomst: ADS-principe (Accelerator Driven System)
langlevend kernafval splijten tot (korter levende) splijtingsprod n met proton van versneller
opslag gedurende 250 jaar i.p.v. 100.000 jaar Europees testproject: MYRHA (SCK-Mol)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
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 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)
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval
7. Kernfusie
deuterium: aanwezig in water ( ~ 1/10000) tritium : aangemaakt door deuterium te bestralen met neutronen in een kernreactor
-
Noteer: geen kernafval
-
enig radioactieve isotoop is tritium
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
deuterium: uit zeewater (33 mg/l)
Een kernfusiecentrale
D + T
4 He + n 6 Li + n
T + 4 He (bijproduct) lithium: uit zeewater energie van neutronen gebruikt om stoom te produceren
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
1000 MW centrale: 250 kg D-T / jaar
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
ITER (Cadarache, Zuid-Frankrijk)
-
fusievermogen P uit = 500 MW
-
inputvermogen P in = 50 MW
Q = 10 24 m x 34 m
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
kernafval ste 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. XXI ste eeuw
-
hernieuwbare energie
-
kernfusie
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
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 CO 2 uitstoot - 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
-
gas- en stroomcentrales (STEG) zijn geen volwaardig alternatief voor kernenergie (verbranding van methaangas produceert nog steeds 55% van de hoeveelheid CO 2 die bij de verbranding van steenkool vrijkomt !! ), maar zijn wel flexibel wat productie betreft
-
mits goed energiebeleid kan percentage kernenergie (nu ~50 %) verminderd worden als dit door het democratisch proces gevraagd wordt; kernuitstap nu is niet slim
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Nuclidenkaart een rij voor elk element, met de isotopen voor dat element lood
fissie van uranium-235 tin
fissieproducten nikkel
zuurstof
waterstof
calcium neutronen (isotopen)
fusie zwart : stabiele isotopen (niet radioactief) kl eu re n : vervalmodes van de radioactieve isotopen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Nuclidenkaart een rij voor elk element, met de isotopen voor dat element lood
fissie van uranium-235 tin
fissieproducten nikkel
zuurstof
waterstof
calcium neutronen (isotopen)
fusie zwart : stabiele isotopen (niet radioactief) kl eu re n : vervalmodes van de radioactieve isotopen
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
Stralingsdosis - Voorbeelden 10 mSv/jaar 2,4 mSv/jaar pakje sigaretten per dag: 0,35 mSv/jaar 0,1 mSv/trip Europa VS
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
2 tot 15 mSv/keer 1 mSv/jaar 0,05 mSv/keer
De brandstof voor kernreactoren
•
Uranium-235 :
•
komt voor in honderden mineralen (meest voorkomend uraniumerts is uraniniet) natuurlijk uranium bestaat uit : - 235 U : kleine kans voor spontane fissie
-
238 U : splijt alleen als neutron hoge energie heeft
gebruik aangerijkt uranium , met een hogere fractie 235 U uraniumerts aangerijkt uranium
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
production of uranium 10 countries produce about 94% of the concentrated uranium oxides: 2005 production Canada 27.9 % Australia 22.8 % Kazakhstan 10.5 % Russia Namibia 8.0 % 7.5 % Niger 7.4 % Uzbekistan 5.5 % U.S.A. 2.5 % Sth.-Africa <1.5 % Gabon <1.5 % 40 % of planet's known uranium ore supply
Universiteit Derde Leeftijd - N. Severijns - 11/02/2014
-
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. gas centrifuge installation for enrichment of uranium (Urenco) a larger fraction of the heavier the lighter 235 UF 6 238 UF 6 molecules is swept towards the exterior of the centrifuge cylinder compared to molecules
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