Kernenergie

Kernenergie
Nathal Severijns
Lessen voor de XXIste eeuw
27/02/2012
KATHOLIEKE
UNIVERSITEIT
LEUVEN
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
8. Energie in de XXIste eeuw
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
1. Atoom – elementen - isotopen
• atoom = atoomkern + elektronen (e-)
• atoomkern = protonen (p+) + neutronen (n0)
• atomen zijn elektrisch neutraal :
# e- = # p  atoomnummer Z

element
• isotopen van een element
e.g.
hebben hetzelfde aantal protonen
maar een verschillend aantal neutronen
waterstof:
1 H
1
/ deuterium 21H / tritium 31H
uranium:
uranium-235
235 U
92
/ uranium-238
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
238 U
92
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
Nuclidenkaart
een rij voor elk element,
protonen (elementen)

met de isotopen van dat element
 uranium
lood 
tin 
zwart : stabiele isotopen
nikkel 
(niet radioactief)
 calcium
kleuren: vervalmodes van
de radioactieve isotopen
 zuurstof
 waterstof
neutronen (isotopen) 
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
2. Hoe energie halen uit atoomkernen?
1
kernsplijting
0n
102
134
235
38Sr
54Xe
92U
1
0n
kernfusie
2
1H
1
4
3
1H
2He
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
0n
Nuclidenkaart
een rij voor elk element,
protonen (elementen)

met de isotopen voor dat element
lood 
fissie van
uranium-235
tin 
fissieproducten
nikkel 
zwart : stabiele isotopen
(niet radioactief)
 calcium
kleuren : vervalmodes van
de radioactieve isotopen
 zuurstof
 waterstof
neutronen (isotopen) 
fusie
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
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
235U
factor 2 tot 3 miljoen !
8 x 1013 J
(deeltjes na splijting zijn samen iets lichter dan 235U+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)
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
1.000 Mwatt kerncentrale:
4 wagons uranium per jaar
versus
54.000 wagons steenkool
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
3. Soorten straling in het verval van radioactieve isotopen
alfastraling (, 4He)
papier,
opperhuid
(langlevend
kernafval)
bètastraling (e-, e+)
Al plaatje,
~cm in lichaam
(splijtingsproducten)
gammastraling ()
lood,
ganse
lichaam
(splijtingsproducten)
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
Stralingsdosis
Eenheid: Sievert (Sv)
mSv = milliSievert ( 1 / 1.000ste )
Sv = microSievert ( 1 / 1.000.000ste)
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
vanaf 4 Sv : stralingsziekte met dodelijke afloop (cf.
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
210Po
case)
Verdeling van de stralingsdosis in Vlaanderen
Totaal: ~4.1 mSv / jaar
Noteer:
- radon: ~1 mSv / jaar
(in Ardennen x 3 !!)
- dosis voor medische
toepassingen stijgt !
Source: UNSCEAR 2000
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns 27/02/2012
Stralingsdosis - Voorbeelden
10 mSv/jaar
2 tot 15 mSv/keer
2,4 mSv/jaar
1 mSv/jaar
pakje sigaretten
per dag:
0,35 mSv/jaar
0,1 mSv/trip
Europa
0,05 mSv/keer
VS
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
137Cs
concentratie in België van 1957 tot 2005
na 2 jaar : - 80%
na 5 jaar : ~ achtergrond
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
4. De Belgische kerncentrales
~ 51 % van onze elektriciteitsproductie
Doel
Doel 1, 1975 433 MW
Doel 2, 1975 433 MW
Doel 3, 1982 1006 MW
Doel 4, 1985 1040 MW
Tihange
Tihange 1, 1975
Tihange 2, 1983
Tihange 3, 1985
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
962 MW
1008 MW
1054 MW
1:
2:
3:
4:
5:
reactorvat
branstofstaven
controlestaven
drukregelvat
warmtewisselaar
10, 11:
14:
16:
17:
turbines
alternator
transformator
hoogspanningslijn
12:
18:
22:
23:
24:
condensor
waterloop
koeltoren
opwaartse luchtstroom
waterdamp
Pressurized Water Reactor - PWR
Lessen
XXI-ste
eeuw Doel;
- N.bijgewerkte
Severijns
- 27/02/2012
bron:
E. Devoor
Clecrqde
(uitg.),
Kerncentrale
Milieuverklaring
2011,
Electrabel-GDF SUEZ Groep, Doel, 2011
Binnenzicht van een kernreactor
blauwe gloed = Cerenkovstraling
(als geladen deeltjes sneller bewegen
dan het licht in het water)
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
‘Barrières' om een mogelijke verspreiding van radioactieve
stoffen in het milieu te vermijden – de Belgische kerncentrales
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.
Ook: - batterijen + dieselgeneratoren (op +60 m)
- van alle cruciale componenten zijn
minstens twee reserve-exemplaren
permanent beschikbaar
- 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)
- om de tien jaar een veiligheidsherziening
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
5. Veiligheid van kerncentrales
Voornaamste mogelijke problemen:
- verlies van stroom
(extern, intern, back-up stroomvoorziening)
- verlies van koelvermogen (Fukushima)
- reactor wordt superkritisch (meltdown – Tsjernobyl)
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
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns 27/02/2012
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
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
De kernreactoren van Fukushima vs. de Belgische
Fukushima
Boiling Water Reactors
het water dat de reactorkern koelt
drijft rechtstreeks de turbines aan
België
Pressurized Water Reactors
het water dat de reactorkern koelt
veroorzaakt stoom in een tweede circuut
die dan de turbines aandrijft
 extra koelwatercircuit zodat
radioactiviteit in reactorgebouw blijft
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
22/09/2011
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
door ziekenhuisinfecties !
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
kernafval
6. Kernafval
Fissie producten
Actinides
nu: scheiding in La Hague (F)
+ bovengrondse opslag in Dessel
en later mogelijk in kleilagen
op 225 m diepte in Mol
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:
MYRHA (SCK-Mol)
vrijgekomen energie van kernafval uit een
1000 MW centrale die 1 maand operationeel was
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
MYRRHA project
StudieCentrum voor Kernenergie; SCK-CEN in Mol
• kernreactor aangedreven door een deeltjesversneller
(ADS – Accelerator Driven System)
• enkel fissie wanneer protonen op de splijtstof vallen
 geen ‘meltdown’ mogelijk
• brandstof: uranium, afval van uraansplijting, thorium
• 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)
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
kernafval
7. Kernfusie
deuterium: -
2 H
1
(1 proton + 1 neutron)
- in kleine hoeveelheden aanwezig in water ( ~ 1/10000)
- winnen via electrolyse
tritium : -
3 H
1
(1 proton + 2 neutrons)
- aangemaakt door deuterium
te bestralen met neutronen
in een kernreactor
Noteer: enige radioactieve isotoop
bij kernfusie is tritium
(halveringstijd ~ 12 jaar)
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns 27/02/2012
Een kernfusiecentrale
deuterium:
uit zeewater
(33 mg/l)
D + T  4He + n
6Li
+ n  T + 4He
(bijproduct)
lithium:
uit zeewater
energie van neutronen
gebruikt om stoom te produceren
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns -
1000 MW centrale:
250 kg D-T mengsel/jaar
ITER
ITER
(Cadarache in Zuid-Frankrijk)
- fusievermogen Puit = 500 MW
- inputvermogen Pin = 50 MW
 Q = 10
- plasmatijd
 = 500 s  3000 s
- 24 m x 34 m
- plasmavolume 850 m3
- straal torus = 6 m
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
kernafval
8. Bedenkingen bij het elektriciteitsvraagstuk
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
- 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 CO2 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
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012
kernafval
8. Een voorstel voor elektriciteitsvoorziening in de XXIste 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
Lessen voor de XXI-ste eeuw - N. Severijns - 27/02/2012