Reactor Instituut Delft Faculteit Technische Natuurwetenschappen 1 Studium Generale UT, 17 oktober...

Studium Generale UT, 17 oktober 2006

Reactor Instituut Delft

Faculteit Technische Natuurwetenschappen

1

Kernenergie in feiten en cijfers

Tim van der HagenTechnische Universiteit

Delft




2

Toename energiegebruik / afname fossiele brandstoffenToename energiegebruik / afname fossiele brandstoffenHet

prob

lee

m Energiegebruik per hoofd van de bevolkingTonnen olie equivalent

Noord-Amerika

Europa

Voorm. Sovjetunie

Rest v/d wereld

Wereld

74 79 84 89 94

99

6

5

4

3

2

1

0

Jaar

74 79 84 89 94

9974 79 84 89 94

9974 79 84 89 94

9974 79 84 89 94

99




3

Het

prob

lee

mOntwikkeling elektriciteitsverbruik

Nederland:verzesvoudigd in 40 jaar

bron: CBS

0

20

40

60

80

100

120

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Jaar

TWh

1950 1960 1970 1980 1990 2000

120

100

80

60

40

20

0




4

AfhankelijkheidAfhankelijkheidHet

prob

lee

m Proved oil reserves at end 2005




5

The last 160,000 years(from ice cores)and the next 100 years

Time (thousands of years)

160 120 80 40 Now

–10

0

10

100

200

300

400

500

600

700

CO2 in 2100(with business as usual)

Double pre-industrial CO2

Lowest possible CO2

stabilisation level by 2100

CO2 now

Temperature difference from now °C

CO

2 c

on

cen

trati

on (

ppm

v)

Bron: IPCC

Het

prob

lee

mCOCO22--

concentratieconcentratie




6

Temperatuurvariaties van het aardoppervlakvan het jaar 1000 tot 2100

Bron: IPCC

Het

prob

lee

m

broeikaseffect ?




7

Elektriciteitsproductie EUElektriciteitsproductie EU

kernenergie olie gas waterkracht wind en zonkolen biomassa

Kern

ener

gi

e nu

204 kernreactorenin Europa

kernenergie is de belangrijkste e-bron in Europa




8

KerncentralesKerncentrales

Kern

ener

gi

e nu

Totaal 443 centrales 370.000 MWe




9

Status januari 2006

Kern

ener

gi

e st

raks

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5

gepland in aanbouw in bedrijf

Azië West- Oost- N.- en Z.- Afrika Europa Europa Amerika

gepland (154)in aanbouw (24)in bedrijf (443)




10

Splijting van 1 gram uranium levert evenveel energie als

het verbranden van 2500 liter benzineof 3000 kilogram kolen

radioactief

KernsplijtingKernsplijting

Wereldgebruik:- 65.000 ton natuurlijk uranium per jaar (16% van de e-productie)

- 10.000.000 ton olie per dag




11

Weinig materiaal nodig aanleg strategische voorraden mogelijk

weinig afval (maar radioactief)

• alle elektriciteit in Nederland nucleair:0,4 gram uranium verspleten (=afval)

per gezin per jaar • in een heel mensenleven: volume van 1 biljartbal

• ‘Borssele’ produceert 1,3 m3 afval per jaar

• afval straalt ruimt zichzelf op (maar duurt lang)

een sterke straler verdwijnt snel




12

Abundantie elementen – het periodiek systeemAbundantie elementen – het periodiek systeem

CoNi

UTh

AuPtPb

SnAg

Fe Cu

CSiO




13

• de aardkorst bevat 40 x zoveel uranium als zilver;evenveel uranium als tin

• goedkoop uranium (tot 80$ per kg):3,5 miljoen ton; voldoende voor 50 jaar(0,1 ct/kWh)

• voor de dubbele grondstofprijs:35 miljoen ton; voldoende voor 500 jaarbij gebruik van snelle reactoren: 50.000 jaar

• uranium uit zeewater (450$ per kg):4 miljard ton; voldoende voor 6.000.000 jaar

De uraniumvoorraad is praktisch onuitputtelijk !

UraniumvoorradenUraniumvoorraden

toberniet




14

0

300

600

900

1200

1500

CO

2 (g

/kW

h e)

kolen olie gas zon PV water bio wind nucleair fusie

COCO22 productie productie

De kerncentrale te Borssele ‘voorkomt’ jaarlijks de uitstoot

van 2 miljard kilogram CO2

bron: IAEA (2000)




15

LandgebruikLandgebruik

0

2000

4000

6000

km2

bio zon wind

3000-5000 Oppervlak benodigd voor

1000 MWe

> 50 100-150




16

SplijtstofcyclusSplijtstofcyclus

kerncentraleopwerken

verrijken




17

De Nederlandse nucleaire sector

NRG

URENCO

COVRA

KCB

RID




18

Energiebalans (LCA)Energiebalans (LCA)(1000 MWe PWR, 80% beschikbaarheid, 40 jaar)

energy input (diffusion)input / output = 5,7 %

1 2

3

4

5

6 71

2

3

4

5

6

7enrichment

energy input (centrifuge)input / output = 1,7 %

1

2

3

4

5

6

71

2

3

4

5

6

7construction &

operation

Verrijking met diffusie: input / output = 5,7 %

Verrijking met centrifuge: input / output = 1,7 %

construction & operation

enrichment

mining & milling

conversion

fuel fabrication

fuel/waste storage & transportdecommissioning




19

Veiligheid (1):Veiligheid (1):meerdere barrières om radioactief materiaal binnen te houden

Splijtstof (tablet en bekleding)

Primair systeem (staal)

Veiligheidsomhulling(2x beton + staal)




20

Alle kernreactoren (behalve Tsjernobyl) zijn zo ontworpen dat:

Veiligheid (2):Veiligheid (2):kettingreactie altijd beheerstkettingreactie altijd beheerst

de kettingreactie vanzelf uitdooft bij een hogere temperatuur

Dit betekent:

• stabiel systeem (zelfregeling)

• verlies van koelcapaciteit schakelt de reactor af

• verlies van moderatie schakelt de reactor af




21

Kerncentrale (EPR)Kerncentrale (EPR)

react

orva

t

turbinegebouwreactorgebouw

4 veiligheidsgebouwen




22

85 87 89 91 93 95 97 99 01 03

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Source: Federal Energy Regulatory Commission/EUCG

Nuclear 1.72

Coal 1.8

Gas 5.77

Oil 5.53

U.S. Electricity Production Costs(in constant 2003 cents/kWh )

U.S. Electricity Production Costs(in constant 2003 cents/kWh )




23

Productiekosten Productiekosten voor 2010voor 2010

US 2003 cents/kWhe

nuclear

coal gas

Finland 2.76 3.64 -

France 2.54 3.33 3.92

Germany 2.86 3.52 4.90

Switzerland 2.88 - 4.36

Netherlands 3.58 - 6.04

Czech Rep 2.30 2.94 4.97

Slovakia 3.13 4.78 5.59

Romania 3.06 4.55 -

Japan 4.80 4.95 5.21

Korea 2.34 2.16 4.65

USA 3.01 2.71 4.67

Canada 2.60 3.11 4.00

US 2003 cents/kWh, discount rate 5%,40 year lifetime, 85% load factor

Source: OECD/IEA NEA 2005




24

0102030405060Euro/MW

Without With

Finland - Electricity Generating Costs Without and With Emission Trading

NuclearGasCoalWind

without with

Emission Trading

Source: Lappeenranta University of Technology, 2003

euro/MW




25

Opbouw kosten van nucleaire elektriciteitsproductieOpbouw kosten van nucleaire elektriciteitsproductie

0,1 ct/kWhe

0,1 ct/kWhe

Alle kosten zijn verdisconteerd in de kWh-prijs




26

Radioactief afval: samenstelling gebruikte splijtstofRadioactief afval: samenstelling gebruikte splijtstof

450 kg

130 kg

6 kg

uranium

13000 kg

plutonium

splijtings-producten

andere actiniden

Getallen: jaarproductie Borssele

Twee routes mogelijk:

1) Niet opwerken:- ‘levensduur’ reststof 220.000

jaar

2) Wel opwerken / snelle reactoren:

- ‘levensduur’ afval 500-5.000 jaar

- volume gereduceerd tot 4%- tot 100x beter

grondstofgebruik

minder dan 4% is echt afval




27

U.S. DOE initiativesU.S. DOE initiativesAdvanced Fuel Cycle Initiative

• Recovery of energy value from SNF• Reduce the inventory of civilian Pu• Reduce the toxicity & heat of waste• More effective use of the repository

Nuclear Hydrogen Initiative

Develop technologies for economic, commercial-scale generation of hydrogen

Nuclear Power 2010

• Explore new sites• Develop business case• Develop Generation III+ technologies• Demonstrate new licensing process

Generation IV Better, safer, more economic nuclearpower plants with improvements in• safety & reliability• proliferation resistance & physical protection• economic competitiveness• sustainability

Source: US DOE




28

AFCI Approach to Spent Fuel ManagementAFCI Approach to Spent Fuel Management

Once ThroughFuel Cycle

Direct Disposal

SpentFuel

U and PuActinidesFission Products

Repository

ConventionalReprocessing

PUREX

Pu Uranium

MOX

LWRs/ALWRs

Interim Storage

less U and PuActinides

Fission Products

CurrentEuropean/Japanese

Fuel Cycle

Advanced Recycling

Closed Fuel Cycle

+ ADS Transmuter?

Trace U and PuTrace Actinides !less Fission Products

Repository

Gen IV Fast Reactors

Advanced RecyclingClosed Fuel Cycle

Gen IV Fuel Fabrication

LWR/ALWR/HTGR

Advanced Separations Technologies

Source: US DOE

Spent Fuel FromCommercial Plants




29

Early PrototypeReactors

Generation I

- Shippingport

- Dresden, Fermi I

- Magnox

Generation II

- LWR-PWR, BWR

- CANDU

- VVER/RBMK

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

Generation IV

- Highly Economical

- Enhanced Safety

- Minimal Waste

- Proliferation Resistant

- ABWR

- System 80+

- AP600

- EPR

AdvancedLWRs

Generation III

Gen I Gen II Gen III Gen IV

Evolutionary Designs Offering Improved Economics

Generaties van reactorconceptenGeneraties van reactorconcepten




30

Geavanceerde reactoren, Generatie IIIGeavanceerde reactoren, Generatie III

betrouwbaar en veilig op basis van:

• redundantie• separatie• diversificatie• kortere/minder pijpleidingen• grote watervolumes

ABWR (in bedrijf sinds 1995), System-80+, EPR,BWR-90+, KNGR, CANDU, VVER-91, ...




31

FinseFinse EPREPR (1600 MWe) in aanbouw (Olkiluoto-3)

Verder:

EPR in Normandië, Frankrijk(2007-2012)

Offerte uitgebracht voor 4 EPRs in China




32

Geavanceerde, evolutionaire Geavanceerde, evolutionaire ontwerpen ontwerpen (Generatie III(Generatie III++))

met ‘passieve’ componenten:

• natuurlijke-circulatie kernkoeling• zwaartekracht-gedreven noodkoeling• convectieve koeling van veiligheidsomhulsel

AP-600, AP-1000, ESBWR, SWR-1000, PBMR, GT-MHR,

APWR, EP-1000, AC-600, MS-600, V-407, V-392, JSBWR,

JSPWR, HSBWR, CANDU-6, CANDU-9, AHWR, ...




33

‘‘Kogel’bedreactor (HTR)Kogel’bedreactor (HTR)AVR (Duitsland, 1967-1988) – HTTR (Japan, 1999) – HTR10 (China, 2000)

gasturbine

proceswarmte:waterstofproductiewaterontzilting ...

Helium als koelmiddel




34

De 6 geselecteerde reactorconcepten:

Waterstofproductie:• zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor

Voortbordurend op lichtwaterreactoren:• superkritische watergekoelde reactor (thermisch/snel)

Afvalreductie en efficiënt uraniumgebruik:• gasgekoelde snelle reactor• natriumgekoelde snelle reactor• loodgekoelde snelle reactor

Zeer innovatief:• gesmolten zout reactor (epithermisch)

Het Het Generatie-IVGeneratie-IV Initiatief Initiatief: sustainable nuclear energy

Argentinië, Brazilië, Canada, Frankrijk, Japan, Zuid Afrika, Zuid Korea, Zwitserland, Groot-Brittannië, Verenigde Staten en de Europese Unie

}geslotensplijtstofcyclus




35

VHTR: nucleaire e- en waterstofproductieVHTR: nucleaire e- en waterstofproductie

Nuclear HeatNuclear HeatHydrogenHydrogen OxygenOxygen

H2O22

1

900 C400 C

Rejected Heat 100 C

Rejected Heat 100 C

S (Sulfur)Circulation

SO2+H2O+

O221

H2SO4

SO2+

H2OH2O

H2

I2

+ 2HI

H2SO4

SO2+H2OH2O

+

+ +

I (Iodine)Circulation

2H I

I2

I2

WaterWater

Nuclear HeatNuclear HeatHydrogenHydrogen OxygenOxygen

H2O22

1 O22121

900 C400 C

Rejected Heat 100 C

Rejected Heat 100 C

S (Sulfur)Circulation

SO2+H2O+

O221

H2SO4

SO2+

H2OH2O

H2

I2

+ 2HI

H2SO4

SO2+H2OH2O

+

+ +

I (Iodine)Circulation

2H I

I2

I2

WaterWater

Idaho 2015 ?

H2O in,O2 en H2 uit

eH2

VHTR




36

• grootschalig inzetbaar

• geen CO2, geen luchtvervuiling

• voorzieningszekerheid

• economisch concurrerend

PlusPluspuntenpunten MinMinpuntenpunten • radioactief afval

• grote investering

1) kernenergie past goed in een mix van opties vooreen duurzame energievoorziening

2) duurzame kernenergie: opwerken gebruikte splijtstof

3) duurzame kernenergie: snelle kweekreactoren ontwikkelen




37

KIVI-symposium: Kernenergie, de principes voorbij 14 november 2006; 9:30 h – 17 hAula Congrescentrum, TU Delft

LezingR.F.M. Lubbers, voorzitter Raad van Toezicht ECN

Overzicht van moderne kerncentrales T.H.J.J van der Hagen, directeur van het Reactor Instituut Delft van de TU Delft

Randvoorwaarden nieuwe kerncentrales H. van der Vlist, directeur generaal milieu, ministerie van VROM

Wat zijn de voornaamste voorwaarden voor financiering van kerncentrales?

A. Alting von Geusau, Global Sector Head Utilities, ING

Kernenergie - keuzes voor overheid en bedrijfslevenP.G. Boerma, algemeen directeur Delta

Nuclear Renaissance: The AREVA view Ruben Lazo, vice president Marketing and Sales Development, AREVA NP

Plenaire discussie met diverse stellingen17 h Afsluitende borrel




38

Resumé - Radioactief afval

• ‘Borssele’ genereert 1,3 m3 hoog-radioactief afval per jaar (verglaasd)

• Hoeveelheid en levensduur van hoog-radioactief afval:

450 kg per jaar 250 jaar

6 kg per jaar ~5000 jaar

opbergen in stabiele ondergrond




39

Gebruikte splijtstof: slechts 3% is echt afval

opwerken




40

Groepsrisico’s

1,0E-10

1,0E-08

1,0E-06

1,0E-04

1,0E-02

1 10 100 1000minimaal aantal doden

kans

per

jaar

Borssele (2005)

Schiphol (RIVM, 2005)

LPG tankstations

(RIVM, 2001)

wegtransport (RIVM, 2001)

ALARA

10-2

10-4

10-6

10-8

10-10

kan

s p

er

jaar

Reactor Instituut Delft Faculteit Technische Natuurwetenschappen 1 Studium Generale UT, 17 oktober...

Documents

Transcript of Reactor Instituut Delft Faculteit Technische Natuurwetenschappen 1 Studium Generale UT, 17 oktober...