TB142Ea - Kernenergie 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 Uranium - “freak” deposit at Shinkolobwe Schoepite-Curite-Uraninite-214948 65wt.% Uraninite U3O8 http://en.wikipedia.org/wiki/Shinkolobwe 2 Uranium winning • Uranium komt voor als een sporen element – Wereldwijd enkele relatief rijke “deposits” – Uranium = 0,7 gew.% 235U, 99.3 gew% 238U 0,006 gew% 234U • 100 ton grondstof > 1 ton uranium 100 ton uranium > 17,5 ton verrijkt Uranium (4% U235) 100 ton uranium > 0,7 ton uranium 235 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. Kernsplijting Najaar 2009 Jo van den Brand 5 Kernsplijting • • • + n 2n + 9Kr + 142Ba + E 235U + n 2n + 94Sr + 140Xe + E 235U + n 3n + 90Kr + 143Ba + E 235U 6 Kernsplijting • • • 235U + n 2n + 235U + n 2n + 235U + n 3n + 92Kr + 142Ba + E 94Sr + 140Xe + E 92Kr + 141Ba + E • Geproduceerde “snelle” neutronen dienen afgeremd te worden tot “langzame” neutronen om te kunnen reageren met 235U 7 Isotopen natuurlijk uranium Werkzame doorsnede voor kernsplijting is groter voor 235U Werkzame doorsnede is groot voor thermische neutronen. Een moderator is nodig om neutronen thermisch te maken Najaar 2007 Jo van den Brand 8 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 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 MSDP = ξ Σ s MR = ξ Σs Σa 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) Bron afbeelding: http://thatscienceguy.wordpress.com/2011/03/01/nuclearpower-how-a-nuclear-reactor-produces-electricity / 11 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 Roosterstructuur van Brandstof Koelmiddel Moderator H2O gekoeld Fast reactor Diameter brandstofstaven Warmte flux door oppervlak Temperatuur in centerline (linear heat rate in de orde van ongeveer 10 kW/m) GW reactor CANDU D2O Duizenden brandstofstaven (fuel pins) We moeten de verschillen in flux in rekening brengen HTGCR Fuel assemblies Plaats brandstofstaven bij elkaar in assemblies Makkelijker dan verwisselen van duizenden individuele staven PWR HTGCR 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 CANDU D2O Structuur van core lattice Maximaliseer de vermogensdichtheid bij gegeven koelcapaciteit Er geldt PNL → 1 bij groter core volume vierkant hexagonaal Reactor core eigenschappen Pressurized heavy water reactor High temperature gas cooled reactor Sodium cooled fast reactor Gas cooled fast reactor 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 oC Warmtewisselaar BWR Druk 70 bar, temperatuur: 300 oC Water direct in reactor, stoom naar turbine (geen warmtewisselaar) Opbouw energiecentrale Fossiele brandstof centrale Kerncentrale 16 PWR – Pressurized water reactor • 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 Najaar 2007 Jo van den Brand 17 Pressurized water reactor Najaar 2007 Jo van den Brand 18 Fuel assembly 19 Fuel assembly 20 PWR opbouw Warmtewisselaar Koelpomp Pressurizer Reactorvat Reactorvat Doorsnede reactorvat Doorsnede warmtewisselaar 22 Reactor componenten Doorsnede reactor koelpomp Doorsnede pressurizer 23 PWR containment 24 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 Najaar 2007 Jo van den Brand 25 BWR containment BWR Najaar 2007 BWR fuel Najaar 2007 BWR heat removal Najaar 2007 BWR emergency core cooling Najaar 2007 BWR buildings Mark I containment DW drywell WW wetwell torus RPV reactor pressure vessel SFP spent fuel pool SCSW secondary concrete shielding wall Najaar 2007 BWR buildings Najaar 2007 BWR buildings Najaar 2007 33 Reactor core eigenschappen Pressurized heavy water reactor High temperature gas cooled reactor Sodium cooled fast reactor Gas cooled fast reactor PHWR – Pressurized heavy water reactor CANDU reactor met D2O moderator en koelmiddel Calandria (horizontale cylinder) met hoge-druk buizen Buizen bevatten fuel bundels met UO2 pellets 50 cm x 10 cm Grote moderator – fuel volume ratio Natuurlijk uranium als brandstof mogelijk Continue refueling (fuel burn up) Qinshan - China HTGR– Graphite moderated reactor Grafiet: lage slowing down power, maar lage absorptie Grote moderator – fuel volume ratio Reactortype met grootste volume CO2 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 RBMK– H2O cooled graphite moderated RBMK is veel gebruikte Russische reactor Nog 11 in gebruik in Rusland (type Chernobyl) Grote moderator – fuel volume ratio Volume reactors tot 1000 m3 Dit maakt het duur om meerdere containment gebouwen te construeren Normaal water en natuurlijk uranium mogelijk! RBMK fuel rods Ignalia 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, CO2 gas 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. Najaar 2007 Jo van den Brand 38 MSR – Molten salt fast reactor Superphenix • 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. Najaar 2007 Jo van den Brand 39 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 Najaar 2007 Jo van den Brand 40 Drie grote ongelukken • Three Mile Island – 1979 • Chernobyl – 1986 • Fukushima - 2011 • • • 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 41 Three Mile Island Unit 2 PWR-reactor • • 906 MWe In bedrijf: • 30 December, 1978 • Incident: • 28 Maart 1979 Three Mile Island, June 2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_Nuclear_Generating_Station http://en.wikipedia.org/wiki/Three_Mile_Island_accident 42 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 Chernobyl • 1000 MWe • RBMK - Grafietgemodereerde reactor • 1 van 4 units http://en.wikipedia.org/wiki/RBMK 44 Chernobyl 26 april 1986: • Systeem test • Power surge • Noodstop • Scheuring reactor vat • Explosies • Grafiet in brand 45 Chernobyl • Enorme radioactieve emissie • Enorm gebied met fall-out http://www.springtimehomes.com/green_building_hidden_costs • 400x hoeveelheid Hiroshima • Cesium-137 • Pripyat area: > 135.000 mensen geëvacueerd http://www.reactor4.be/the_story 46 Chernobyl • 30 km rond de fabriek: “zone of alienation” • 2011: open voor toeristen 47 http://en.wikipedia.org/wiki/Chernobyl_disaster 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 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
© Copyright 2024 ExpyDoc
