Onder gebruikmaking van een flinke selectie slides van de gelijknamige FEW cursus Door: Jo van den Brand en Roel Aaij, www.nikhef.nl/~jo/energie, 23 april 2012

(1)

Onder gebruikmaking van een flinke selectie slides van de gelijknamige FEW cursus Door: Jo van den Brand en Roel Aaij, www.nikhef.nl/~jo/energie, 23 april 2012

TB142Ea TB142Ea TB142Ea

TB142Ea ---- Kernenergie

(2)

Uranium - “freak” deposit at Shinkolobwe

Schoepite-Curite-Uraninite-214948 65wt.% Uraninite U

₃

O

₈

http://en.wikipedia.org/wiki/Shinkolobwe

2

(3)

Uranium winning Uranium winning Uranium winning Uranium winning

• Uranium komt voor als een sporen element

– Wereldwijd enkele relatief rijke “deposits”

– Uranium = 0,7 gew.%

²³⁵

U, 99.3 gew%

²³⁸

U 0,006 gew%

²³⁴

U

• 100 ton grondstof > 1 ton uranium

100 ton uranium > 17,5 ton verrijkt Uranium (4%

U235)

100 ton uranium > 0,7 ton uranium 235

(4)

Uranium voorraad Uranium voorraad Uranium voorraad Uranium voorraad

• Bewezen voorraad 3,8 miljoen ton.

• Nog te ontdekken 11 miljoen ton.

• R/P ratio: ongeveer 40 jaar

• Als we kernenergie massaal zouden gaan

inzetten is de bewezen voorraad tussen 2010 en

2020 uitgeput.

(5)

Najaar 2009 Najaar 2009Najaar 2009

Najaar 2009 Jo van den BrandJo van den BrandJo van den BrandJo van den Brand 5555

Kernsplijting

(6)

Kernsplijting

•

²³⁵

U + n 2n +

⁹

Kr +

¹⁴²

Ba + E

•

²³⁵

U + n 2n +

⁹⁴

Sr +

¹⁴⁰

Xe + E

•

²³⁵

U + n 3n +

⁹⁰

Kr +

¹⁴³

Ba + E

6

(7)

Kernsplijting

•

²³⁵

U + n 2n +

⁹²

Kr +

¹⁴²

Ba + E

•

²³⁵

U + n 2n +

⁹⁴

Sr +

¹⁴⁰

Xe + E

•

²³⁵

U + n 3n +

⁹²

Kr +

¹⁴¹

Ba + E

• Geproduceerde “snelle” neutronen dienen afgeremd te worden tot

“langzame” neutronen om te kunnen reageren met ²³⁵ U

7

(8)

Najaar 2007 Jo van den Brand

8

Isotopen natuurlijk uranium

Werkzame doorsnede voor kernsplijting is groter voor

²³⁵

U

Werkzame doorsnede is groot voor thermische neutronen.

Een moderator is nodig om neutronen thermisch te maken

(9)

Modereren van neutronen

Een moderator is reactor materiaal dat als doel heeft om neutronen thermisch te maken (in zo min mogelijk botsingen, zonder deze te absorberen).

Materialen met lage werkzame doorsnede A worden gebruikt Een moderator heeft drie wenselijke eigenschappen:

• Grote werkzame doorsnede voor verstrooiing

• Kleine werkzame doorsnede voor absorptie

• Groot energieverlies per botsing

(10)

Reactortheorie: moderatoren

Macroscopic slowing down power (MSDP) is het product of het gemiddelde logarithmisch energieverlies en macroscopische werkzame doorsnede voor verstrooiing

De moderating ratio (MR) is de ratio van de macroscopic slowing down power en de macroscopische werkzame doorsnede voor absorptie

s a

MR ξ Σ

= Σ

MSDP = ξ Σ

s

(11)

Kernreactor

• Criticality – voldoende neutronen om kernreactie gaande te houden

• Noodzaak tot regelen :

• Van stop naar criticality

• Voorkomen runaway

• Van criticality naar stop

• Meestal met regelstaven (met borium)

11 Bron afbeelding:

http://thatscienceguy.wordpress.com/2011/03/01/nuclear- power-how-a-nuclear-reactor-produces-electricity

/

(12)

Reactor core

Samenstelling van de core wordt bepaald door

Behoud van criticality gedurende bedrijf Transfer van thermische energie uit de core

Configuraties

Gesmolten materiaal (vloeibare brandstof) Pebble bed reactor

Meest voorkomend: cylindrische container met axiale koelkanalen

Diameter brandstofstaven

Warmte flux door oppervlak

Temperatuur in centerline (linear heat rate in de orde van ongeveer 10 kW/m)

Roosterstructuur van

Brandstof Koelmiddel Moderator

We moeten de verschillen in flux in rekening brengen

H₂O gekoeld Fast reactor

CANDU D₂O

HTGCR

GW reactor

Duizenden brandstofstaven (fuel pins)

(13)

Fuel assemblies

Plaats brandstofstaven bij elkaar in assemblies

Makkelijker dan verwisselen van duizenden individuele staven

Geometrie: vierkant of hexagonaal

Niet alle assemblies zijn gelijk: verrijking om power in core te homogeniseren

Gemiddelde vermogensdichtheid

Linear heat rate van brandstofstaven Ratio volume van moderator / brandstof Core volume is omgekeerd evenredig met de maximum vermogensdichtheid

Structuur van core lattice

Maximaliseer de vermogensdichtheid bij gegeven koelcapaciteit

Er geldt bij groter core volume

PWR

CANDU D₂O

HTGCR

vierkant hexagonaal

1 P

NL

→

(14)

Reactor core eigenschappen

Pressurized heavy water reactor

Gas cooled fast reactor Sodium cooled fast reactor

High temperature gas cooled reactor

(15)

LWR – light water reactors

Water

Koelmiddel en moderator Grootste slowing down power Kleinste slowing down ratio

Lattice

Compact en vierkant Uranium-dioxide pellets Enrichment: 2 – 5 % Zirkonium cladding

Moderator – fuel volume: 2:1 Hoge power density

Klein core volume

PWR

Druk 150 bar, temperatuur: 300

^o

C Warmtewisselaar

BWR

Druk 70 bar, temperatuur: 300

^o

C

Water direct in reactor, stoom naar

turbine (geen warmtewisselaar)

(16)

Opbouw energiecentrale

16 16 16 16

Fossiele brandstof centrale Kerncentrale

(17)

PWR – Pressurized water reactor

Najaar 2007 Jo van den Brand 17171717

• PWR meest voorkomend reactortype (~1 GW) met thermische efficientie van ongeveer 30 %

• Houd water onder druk (~15 MPa) zodat het kan opwarmen (~315 ^oC), maar zonder te koken

• Water in de reactor en het water in de stoomgenerator (~5 MPa) mengen nooit. Op deze wijze blijft de meeste radioactiviteit in de core van de reactor

• Gebruik verrijkt uranium als brandstof

• Brandstof in staven zorgt voor toename in resonance escape probability p en fast fission factor ε

(18)

Pressurized water reactor

(19)

Fuel assembly

19 19 19 19

(20)

Fuel assembly

20 20 20 20

(21)

PWR opbouw

Pressurizer

Reactorvat

Koelpomp

Warmtewisselaar

(22)

Reactorvat

Doorsnede reactorvat Doorsnede warmtewisselaar

22

(23)

23 23 23 23

Reactor componenten

Doorsnede reactor koelpomp Doorsnede pressurizer

(24)

PWR containment

24 24 24 24

(25)

BWR – Boiling water reactor

• In BWRs wordt water door splijting aan het koken gebracht en de stoom drijft een generator aan

• Eenvoudiger ontwerp en lagere bedrijfsdruk (7.5 MPa en 285 ^oC in core), dus commercieel aantrekkelijker

• Natuurlijke water circulatie wordt gebruikt

• Lagere stralingsbelasting op het reactorvat

• Veel groter drukvat dan voor PWR bij hetzelfde vermogen

(26)

BWR containment

(27)

BWR

Najaar 2007 Najaar 2007Najaar 2007 Najaar 2007

(28)

BWR fuel

(29)

BWR heat removal

(30)

BWR emergency core

cooling

(31)

BWR buildings

Mark I containment

DW drywell

WW wetwell torus

RPV reactor pressure vessel SFP spent fuel pool

SCSW secondary concrete shielding wall

(32)

BWR buildings

(33)

Najaar 2007 33333333

BWR

buildings

(34)

Reactor core eigenschappen

Pressurized heavy water reactor

Gas cooled fast reactor Sodium cooled fast reactor

High temperature gas cooled reactor

(35)

PHWR – Pressurized heavy water reactor

CANDU reactor met D

₂

O moderator en koelmiddel Calandria (horizontale cylinder) met hoge-druk buizen Buizen bevatten fuel bundels met UO

₂

pellets

Grote moderator – fuel volume ratio

Natuurlijk uranium als brandstof mogelijk Continue refueling (fuel burn up)

50 cm x 10 cm

Qinshan - China

(36)

HTGR– Graphite moderated reactor

Grafiet: lage slowing down power, maar lage absorptie Grote moderator – fuel volume ratio

Reactortype met grootste volume

CO

₂

koeling en natuurlijk uranium mogelijk

Helium koeling: HTGR

Uranium-carbide deeltjes in grafiet Pebble-bed reactor (Type IV)

Triso pebble Tri-layer isotropic

Quadriso pebble

(37)

RBMK– H2O cooled graphite moderated

RBMK is veel gebruikte Russische reactor

Grote moderator – fuel volume ratio Volume reactors tot 1000 m

³

Dit maakt het duur om meerdere containment gebouwen te construeren

Normaal water en natuurlijk uranium mogelijk!

Ignalia

Nog 11 in gebruik in Rusland (type Chernobyl)

RBMK fuel rods

(38)

Magnox and UNGG reactors

• Used in UK (26 units). Now obsolete type, but 2 in operation.

Used for power and plutonium production. Magnox is now realized in N. Korea.

• Pressurized, CO₂gas cooled, graphite moderated, natural uranium as fuel. Similar to France UNGG reactor: Uranium Naturel Graphite Gaz

• Coolant is a gas, so explosive pressure buildup from boiling (Chernobyl) is not possible.

• Magnesium non-oxidizing.

(39)

MSR – Molten salt fast reactor

• Generation IV reactor: primary coolant is a molten salt.

• Nuclear fuel dissolved in the molten fluoride salt coolant (LiF and BeF₂) as uranium tetrafluoride UF₄. Graphite core serves as the moderator.

• Low pressure: makes design simpler and safer, high temperature cooling: makes turbines more efficient.

• Compact: MSRE study to power aircraft.

• Inherently safe, but immature technology. Pressure explosion impossible, meltdown proof.

• Molten salt thorium breeders possible (thorium is abundant and cheap). Can operate decades without refueling.

• Co-locate with reprocessing facility.

Superphenix

(40)

Gabon natural fission reactors

• Predicted by Paul Kuroda (Univ. of Arkansas) (1956).

• Fifteen natural reactors found (in 1972) at the Oklo mine in Gabon.

• Nuclear fission reactions took place 1.5 billion years ago, and ran for a few hundred thousand years (100 kW).

• Uranium-rich mineral deposit became inundated with groundwater that acted as a neutron moderator.

• Extensively studied by scientists interested in geologic radioactive waste disposal.

Geological situation in Gabon leading to natural nuclear fission reactors

1. Nuclear reactor zones 2. Sandstone

3. Uranium ore layer 4. Granite

(41)

Drie grote ongelukken

• Three Mile Island – 1979

• Chernobyl – 1986

• Fukushima - 2011

41

• http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident

• http://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster

• http://en.wikipedia.org/wiki/Fukushima_Daiichi_nuclear_disaster

(42)

Three Mile Island Unit 2

PWR-reactor

• 906 MWe

• In bedrijf:

• 30 December, 1978

• Incident:

• 28 Maart 1979

http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident 42

Three Mile Island, June 2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_Nuclear_Generating_Station

(43)

Three Mile Island Unit 2

PWR-reactor

28 maart 1979:

• falen in niet-nucleair secundair systeem

• shutdown reactor

• falen hulpkoelsysteem reactor

• openen drukbeveiligingsklep, verlies van koelmiddel

(water) primair koelsysteem

• droogkoken reactor

• radioactieve emissie

• gedeeltelijke meltdown kern

http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident 43

(44)

Chernobyl

• 1000 MWe

• RBMK - Grafiet- gemodereerde reactor

• 1 van 4 units

44

http://en.wikipedia.org/wiki/RBMK

(45)

Chernobyl

26 april 1986:

• Systeem test

• Power surge

• Noodstop

• Scheuring reactor vat

• Explosies

• Grafiet in brand

45

(46)

Chernobyl

46 http://www.springtimehomes.com/green_building_hidden_costs

• Enorme radioactieve emissie

• Enorm gebied met fall-out

• 400x hoeveelheid Hiroshima

• Cesium-137

• Pripyat area: > 135.000 mensen geëvacueerd

http://www.reactor4.be/the_story

(47)

Chernobyl

http://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster

47

• 30 km rond de fabriek: “zone of alienation”

• 2011: open voor toeristen

(48)

Fukushima

BWR reactor, 1100 MWe

11 maart 2011:

• Tsunami

• No.2 reactor zeewater pompen falen

• Shutdown van reactoren

• Noodstroomvoorziening naar

hulppompen (dieselgeneratoren) falen

• Uiteindelijk meltdown van 6 reactoren

48

(49)

Fukushima

BWR reactor, 1100 MWe

• RPV – Reactor Pressure Vessel

• DW – Dry Well enclosing reactor pressure vessel

• WW – Wet Well (torus)

• SFP – Spent Fuel Area

• SCSW – secondary concreate shield wall

49

Onder gebruikmaking van een flinke selectie slides van de gelijknamige FEW cursus Door: Jo van den Brand en Roel Aaij, www.nikhef.nl/~jo/energie, 23 april 2012