Severijns presentatie

Kernenergie

KATHOLIEKE

Nathal Severijns

Lessen voor de XXIste _eeuw

Fundamenteel fysica onderzoek met ionenbundels:

- structuur van de atoomkern

- eigenschappen van de natuurkrachten - onderzoek naar nieuwe materialen

1.

Inleidende begrippen

2.

Energie uit atoomkernen

3.

Soorten ioniserende straling - stralingsdosis

4.

Belgische kerncentrales

5. Veiligheid – Fukushima/Tsjernobyl

6.

Kernafval

7.

Kernfusie

• atoom = atoomkern + elektronen (e-₎

• atoomkern = protonen (p+_{) + neutronen (n}0₎

• atomen zijn elektrisch neutraal :

# e- _{= # p}  _{atoomnummer Z}



element

• isotopen van een element hebben hetzelfde aantal protonen

maar een verschillend aantal neutronen

e.g. waterstof: 1

1H / deuterium 21H / tritium 31H uranium: uranium-235 235

92U / uranium-238 23892U

1. Atoom – elementen - isotopen

proto

nen

(elem

enten)



neutronen (isotopen)



Nuclidenkaart

een rij voor elk element, met de isotopen van dat element

zwart : stabiele isotopen (niet radioactief)

kleuren: vervalmodes van

de radioactieve isotopen

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

2 1

H

H

kernfusie

n

He

kernsplijting

Xe

Sr

n

U

n

proto

nen

(elem

enten)



neutronen (isotopen)



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

Energie uit kernsplijting

proces energie-opbrengst

__________________________________________________________________

verbranding van 1 kg steenkool 3 x 107 _{J (Joule)}

(chemisch proces; verbinding van koolstof met zuurstof)

fissie van 1 kg 235_{U 8 x 10}13 _J

(deeltjes na splijting zijn samen iets lichter dan 235_U+n;

dit verschil in massa is omgezet in energie via E = mc2₎

( noteer: een persoon verbruikt dagelijks ongeveer 2000 calorieën, of ong. 8000 kiloJoule; dit is ongeveer evenveel als er vrijkomt bij de verbranding van 250 g steenkool)

factor 2 tot 3 miljoen !

Dit betekent:

om de energie die vrijkomt bij splijting van 1 kg verrijkt uranium

met steenkool op te wekken heb je ongeveer 90.000 kg steenkool nodig

3. Soorten straling in het verval van radioactieve isotopen

bètastraling (e

_{, e}

₎

gammastraling (



)

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

Stralingsdosis

Eenheid: Sievert (Sv) mSv = milliSievert ( 1 / 1.000ste ₎ _{Sv = microSievert ( 1 / 1.000.000}ste₎

1 Sv = 1 Joule / kg ;

houdt rekening met: - type straling (doordringvermogen, schade)

- gevoeligheid van de organen Internationale normen:

1 mSv / jaar bevolking (excl. natuurlijke achtergrond & medisch) 20 mSv / jaar professionelen

250 mSv / jaar professionelen in noodsituaties

Kans om aan kanker te sterven t.g.v. opgelopen dosis straling: 5% per Sievert

Stralinsgziekte: bij extreme stralingsdosis opgelopen op korte tijd

vanaf 1 Sv : stralingsziekte nog wel te behandelen

Verdeling van de stralingsdosis in Vlaanderen

Source: UNSCEAR 2000 Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - _27/02/2012

Totaal: ~4.1 mSv / jaar

Noteer:

- radon: ~1 mSv / jaar (in Ardennen x 3 !!) - dosis voor medische toepassingen stijgt !

Stralingsdosis - Voorbeelden

137

_{Cs concentratie in België van 1957 tot 2005}

na 2 jaar : - 80%

na 5 jaar : ~ achtergrond

4. De Belgische kerncentrales

Doel

_Tihange

Doel 1,

433 MW

Doel 2,

433 MW

Doel 3,

1006 MW

Doel 4,

1040 MW

Tihange 1,

962 MW

Tihange 2,

1008 MW

Tihange 3,

1054 MW

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012 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

Binnenzicht van een kernreactor

blauwe gloed = Cerenkovstraling (als geladen deeltjes sneller bewegen dan het licht in het water)

a het uranium is vervat in tabletten; b tabletten zitten in zirconiumbuizen (metaal met zeer hoog smeltpunt);

c brandstofstaven zitten in stalen, 20 cm dik reactorvat;

d,e reactorvat is omgeven door twee verschillende meters dikke

betonnen omhulsels.

‘Barrières' om een mogelijke verspreiding van radioactieve

stoffen in het milieu te vermijden – de Belgische kerncentrales

- primair omhulsel:

belet dat radioactieve stoffen uit het reactorgebouw kunnen ontsnappen; bestand tegen sterke druk van binnenuit

- secundair omhulsel (gewapend beton):

beschermt de installaties tegen

externe ongevallen (o.a. vliegtuigimpact)

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

Ook: - batterijen + dieselgeneratoren (op +60 m) - van alle cruciale componenten zijn

minstens twee reserve-exemplaren permanent beschikbaar

Voornaamste mogelijke problemen:

- verlies van stroom

(extern, intern, back-up stroomvoorziening)

- verlies van koelvermogen (Fukushima)

- reactor wordt superkritisch (meltdown – Tsjernobyl)

5. Veiligheid van kerncentrales

Mogelijke oorzaken (cf. stress-tests):

- menselijke fout

- aardbeving (België tot 6,5 op Richterschaal) - overstroming (Doel gebouwd op 4m boven

waterstand bij storm van 1953)

- extreme weercondities - terroristische aanslag

- vliegtuigcrash (lijnvliegtuig - straaljager) - giftige gassen

- cyber-attack

Wat is er gebeurd in Fukushima ?

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

- 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

Pressurized Water Reactors

De kernreactoren van Fukushima vs. de Belgische

Fukushima

Boiling Water Reactors

het water dat de reactorkern koelt drijft rechtstreeks de turbines aan

het water dat de reactorkern koelt

veroorzaakt stoom in een tweede circuut die dan de turbines aandrijft

 extra koelwatercircuit zodat

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

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

kernafval

nu: scheiding in La Hague (F)

+ bovengrondse opslag in Dessel en later mogelijk in kleilagen

op 225 m diepte in Mol

vrijgekomen energie van kernafval uit een 1000 MW centrale die 1 maand operationeel was

Fissie producten

Actinides

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

6. Kernafval

toekomst: ADS-principe

(Accelerator Driven System)

 langlevende actiniden splijten

in (korter levende) splijtingsprodn

met energetische protonbundel  opslag gedurende 250 jaar i.p.v.

100.000 jaar

Europees testproject:

MYRRHA project

StudieCentrum voor Kernenergie; SCK-CEN in Mol

• doel: - omzetten van langlevend kernafval van

kernreactoren in kortlevend afval (~250 jaar) - onderzoek naar de eigenschappen van

materialen in een kernreactor (neutronen) - productie van radioisotopen voor medische

en industriële toepassingen - productie van NTD-silicium

(windturbines, zonnecellen, hybride auto’s)

• kernreactor aangedreven door een deeltjesversneller (ADS – Accelerator Driven System)

• enkel fissie wanneer protonen op de splijtstof vallen  geen ‘meltdown’ mogelijk

deuterium: - 2

1H (1 proton + 1 neutron)

- in kleine hoeveelheden aanwezig in water ( ~ 1/10000)

- winnen via electrolyse

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

kernafval

_{7. Kernfusie}

Noteer: enige radioactieve isotoop bij kernfusie is tritium (halveringstijd ~ 12 jaar) tritium : - 3

1H (1 proton + 2 neutrons)

- aangemaakt door deuterium te bestralen met neutronen in een kernreactor

6_{Li + n  T +} 4_He

energie van neutronen

gebruikt om stoom te produceren

1000 MW centrale: 250 kg D-T mengsel/jaar deuterium: uit zeewater (33 mg/l) lithium: uit zeewater (bijproduct)

Een kernfusiecentrale

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns -

ITER

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

Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012

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

kernafval

8. Een voorstel voor elektriciteitsvoorziening in de XXI

_eeuw

- middellange termijn:

- hernieuwbare energie

- nieuwe (veiliger) kernreactoren

- ADS-systemen die kernafval verbranden - STEG centrales

- lange termijn :

naar een CO2-vrije productie van elektriciteit aan het einde van de XXIste _eeuw

- hernieuwbare energie - kernfusie