Kernenergetik. - Kernenergienutzung - Kernspaltung - Kettenreaktion im Kernreaktor - Kernkraftwerke

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1 Kernenergetik - Kernenergienutzung - Kernspaltung - Kettenreaktion im Kernreaktor - Kernkraftwerke 1

2 Welche Bedeutung hat die Kernenergie? - in Deutschland - in Europa - weltweit 2

3 Anteile der Energieträger an der Bruttostromerzeugung im Jahr 2012 in Deutschland Steinkohle 19% Kernenergie 16% Braunkohle 26% Übrige 6% Erneuerbare 22% Erdgas 11% Kernenergie für die Grundlastsicherung 2012: 36 % (Rest: Braunkohle 57 %, Laufwasser 7 %) Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai

4 Lastverteilung Steinkohle Braunkohle Kernenergie Laufwasser 4 Spitzenlast Mittellast Grundlast

5 Elektroenergieerzeugung (absolut *) in Deutschland (in Mrd. kwh) gesamt *brutto, Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai Kernenergie Steinkohle Braunkohle Erneuerbare

6 Kernkraftwerke in Deutschland 9 KKW in Betrieb Mühlheim-Kärlich (nicht in Betrieb genommen) Rheinsberg und Lubmin stillgelegt Brunsbüttel Brokdorf Krümmel Stade Unterweser Emsland Grohnde Biblis A Biblis B Philippsburg Philippsburg Grafenrheinfeld Obrigheim Neckarwestheim Neckarwestheim Gundremmingen B Gundremmingen C Isar Isar Standort, Alter und Inbetriebnahmejahr, (vorauss.) Abschaltung 6

7 Kernkraftwerke in Europa 187 Reaktoren in Kernkraftwerken in Betrieb (Stand: ) Land Prozentsatz Zahl der Kernenergie KKW-Blöcke Frankreich 78 % 58 (+1) Slowakei 54 4 (+2) Belgien 54 7 Ukraine (+2) Ungarn 43 4 Slovenien 42 1 Schweiz 41 5 Schweden Bulgarien 33 2 (+2) Tschech. Rep Finnland 32 4 (+1) Spanien 20 8 Rumänien 19 2 Russland (+10) Großbritannien Deutschland 18 9 Niederlande 4 1 Quelle: IAEA, Nuclear Power Reactors in the World, Juni

8 Kernkraftwerke weltweit SBR 2 0,5% D2O-DWR 1 0,2% DWR ,0% LWGR- RBMK 15 3,4% AGR 14 3,2% GCR 4 0,9% DWR-WWER 52 11,7% Candu 46 10,4% SWR 92 20,8% 2012: - 68 KKW in Errichtung (+5 zu 2011) - 2 KKW in Betrieb gegangen (je 1x China und Südkorea) - 4 stillgelegt (2x GB, 1x CAN, 1x E) KKW weltweit in fortgeschrittener Planung Land Argentinien Armenien Belgien Brasilien Bulgarien China Deutschland Finnland Frankreich Großbritannien Indien Iran Japan Kanada Korea (Süd) Mexiko Niederlande Pakistan Rumänien Russland Schweden Schweiz Slowakische Republik Slowenien Spanien Südafrika Taiwan Tschechische Republik Ukraine Ungarn USA Summe (31 Länder) Anzahl Bruttoleistung [ MWel ] Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013 Reaktortypen: Stand , atw 57 (2012) 182 8

9 Vorzüge der Kernenergie: - hohe Energiedichte des Urans (geringe Brennstoff- und Abfallvolumina) - Energie"produktion" ohne CO 2 - Freisetzung - Rohstoff Uran nur zur Kernenergieerzeugung sinnvoll einsetzbar (Schonung anderer Resourcen) - Rohstoff Uran ist langzeitig verfügbar 9

10 Energie- und Spaltstoffumsatz 1g U 235 = = NL Atome A = Atome 210 Atome MeV Atom MWs MeV d s = MWd 1 g U MWd Abbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MW el ( 3000 MW th ) : 3000 MW 330 d = MWd 1 t U-235-Verbrauch/Jahr 1 t Spaltprodukte Würfel mit Kantenlänge 37 cm Aber: im frischen BE nur zu 3.5 % U-235 enthalten (Rest ist U-238) Gesamtabfall 30 x mehr 30 t Abfall in abgebrannten BE ca. 50 BE/Jahr Nuklidanteile im Brennelement Natururan 99.3 % U % U-235 frisches 96.5 % U-238 Brennelement 3.5 % U-235 abgebranntes 95.0 % U-238 Brennelement 0.8 % U % Pu 3.2 % Spaltprodukte 0.1 % übrige Aktiniden 10

11 Energie- und Spaltstoffumsatz 1g U 235 = = NL Atome A = Atome 210 Atome MeV Atom MWs MeV d s = MWd 1 g U MWd Zum Vergleich: Wieviel Braunkohlebriketts müsste man zur Erzeugung der gleichen Abbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MW el ( 3000 MW th ) : 3000 MW 330 d = Energiemenge MWd verbrennen? 1 Heizwert t U-235-Verbrauch/Jahr BB: 4700 kcal / kg 1 Umrechnung: t Spaltprodukte 1 Ws = 2, kcal Würfel mit Kantenlänge 37 cm Aber: 1 MWd = Ws im frischen BE nur zu 3.5 % U-235 enthalten = 10 (Rest ist U-238) , kcal Gesamtabfall 30 x mehr 30 t Abfall = in 4390 abgebrannten kg BB = BE 4,39 t BB ca. 50 BE/Jahr = , (1/4700) kg BB Nuklidanteile im Brennelement Natururan 99.3 % U % U-235 frisches 96.5 % U-238 Brennelement 3.5 % U-235 abgebranntes 95.0 % U-238 Brennelement 0.8 % U % Pu 3.2 % Spaltprodukte 0.1 % übrige Aktiniden 11

12 Betriebsabläufe in deutschen Kernkraftwerken 1998 Elektrische Leistung in Prozent Brokdorf Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Emsland Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Philippsburg Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Quelle: Kernenergie in Deutschland Jahresbericht 1998 Deutsches Atomforum e.v. 12

13 Verfügbarkeit von Kraftwerken entspricht bei 8760 Std./a einer durchschnittlichen Verfügbarkeit von: 87 % 78 % 69 % 43 % 40 % 37 % 19 % 13 % 11 % 11 % Resultat: mit dem Ausstieg aus der Kernenergie werden die Kraftwerke mit der höchsten Verfügbarkeit und Versorgungssicherheit abgeschaltet Quelle: DNN, Beilage Energie,

14 Treibhausgas-Emissionen Energieträger mit Lebenszyklus-Analyse 1000 Braunkohle Steinkohle Erdöl g (CO 2 ) / kwh Erdgas Photovoltaik Wind Wasser 4-36 Kernenergie 5-33 Quelle: atw 52(2007)298 14

15 Weltweite Verteilung der Uranressourcen 2009 Förderwürdigkeit bis 130 US-$ pro kg Natururan (97 % der Reserven in gezeigten 14 Staaten, restl. 3 % verteilen sich auf 19 weitere Staaten) Quelle: atw 55(2010)596, Prozentangaben: OECD NEA/IAEA

16 Reichweiten verschiedener Energieträger 16

17 Kernspaltung 2 bis 3 Spaltneutronen n th Spaltstoff: U-235 Pu-239 (aus U-238) U-233 (aus Th-232) U Spaltbruchstücke 17

18 Spaltproduktverteilung 1E+1 1E+0 1E-1 Ausbeute in % 1E-2 1E-3 Sr-Y-90 Cs-137 Kr-85 Zr-93 Ru-Rh-106 J-131 Nd-147 Ce E Massenzahl Aktivität nach 1 Jahr auf 1% abgesunken 18

19 Energiefreisetzung bei der Kernspaltung Spaltprodukte prompte Neutronen prompte Gammastrahlung ß-Strahlung aus Spaltprodukten γ-strahlung aus Spaltprodukten Neutrino gesamt 175 MeV 5 MeV 7 MeV 7 MeV 6 MeV 10 MeV 210 MeV Vergleich: Verbrennen fossiler Energieträger (Kohle, Öl, Gas, Holz) = Oxidation ca. 30 ev pro Reaktion Unterschied: 7 Zehnerpotenzen! 19

20 Eigenschaften der Spaltneutronen: E 2 MeV (schnell) 99,36 % prompte Neutronen (10-9 s) 0,64 % verzögerte Neutronen ( 1 min) 20

21 566 barn 1000 Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnittes für die Spaltung von U-235 σ fission / barn barn 1 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Neutronenenergie / ev E n = ev (thermische Neutronen) Abbremsung = Moderation E n = 2 MeV (schnelle Neutronen) 21

22 Moderatoreigenschaften gute Bremsung von Neutronen geringe Absorption von Neutronen Moderator mittlere Stoßzahl für eine Abbremsung von 1.75 MeV auf ev Neigung zum Einfang thermischer Neutronen in relativen Einheiten Wasserstoff Deuterium Beryllium H H Be Kohlenstoff Uran C U H 2 O D 2 O Be Graphit s s /G a

23 Verzögerte Neutronen i T 2 / s 0,2 0,6 2,3 6, a i = ß i / ß 0,042 0,115 0,395 0,196 0,219 0,033 Σ = 1 Mutterkern??? Br-89 J-137 Br-87 n pro 10 3 Spaltungen 0,7 1,8 6,2 3,1 3,5 0,5 (U-235) Σ = 15,8 15.8/1000/2.47 = 0.64% 23

24 Prinzipaufbau eines Kernreaktors Kernbrennstoff Moderator (H 2 O, D 2 O, Graphit,PE) Reaktorgefäß Reflektor (H 2 O, D 2 O, Be, Graphit) Strahlenabschirmung (Schwerbeton) Regelstäbe (Cd, B, Hf, Sm) Neutronendetektoren n Neutronenquelle (nur bei Forschungsreaktoren kleiner Leistung) 24

25 Reaktorkopf Reaktordeckel Reaktorbehälter mit biologischer Abschirmung Graphitreflektor Spaltzone Neutronenquelle Steuerstäbe Unterdrucksystem (Reaktortank) Quellcontainer Steuerstabantriebe Aufbau des AKR Kernhubwerk Vakuumpumpe Aerosolfilter Druckwächter 25

26 KKW mit Druckwasserreaktor Dampf 50 bar Turbine Kühlturm Reaktor- Druckgefäß Generator Primärwasser 330 C, 150 bar Druckhalter Dampferzeuger Sek.- wasser Pumpe Kondensator Reaktorkern Pumpe Pumpe 26

27 KKW mit Siedewasserreaktor Reaktor- Druckgefäß Dampf, ca. 70 bar Generator ca. 20 m Reaktorkern Turbine Kühlwasser Wasser Kühlturm Pumpe Kondensator Pumpe 27

28 Sicherheitseinschluss im Containment Strahlenabschirmung Stahl- Sicherheitsbehälter N 56 m Reaktordruckgefäß Dampferzeuger Dampf zur Turbine Speisewasser vom Kondensator 2 m Pumpe 1.5 m Betonumhüllung ca. 2 m 3 m Erdbebensichere Bodenplatte 28

29 Reaktorgebäude des KKW ISAR 2 1 Stahlbetonhülle 2 Sicherheitsbehälter 3 Reaktorrundlaufkran 4 Reaktordruckbehälter 5 Steuerstabantriebe 6 Brennelementebecken 7 Lademaschine 8 Innenschild (biologisch) 9 Tragschild (biologisch) 10 Dampferzeuger 11 Hauptkühlmittelpumpe 12 Frischdampfleitung 13 Speisewasserleitung 14 Druckspeicher 15 Personenschleuse 16 Materialschleuse 17 Flutbecken 18 Nachwärmekühler 19 Sicherheitseinspeisepumpe 29

30 Kernkraftwerk Biblis 30

31 Reaktordruckbehälter Oberteil vor dem Einbau 31

32 Brennelement eines Druckwasserreaktors rechteckiges Stabbündel (16 x 16) Grundfläche 23 x 23 cm Masse ca. 750 kg knapp 5 m Höhe 236 Brennstäbe zusätzlich 20 Steuerstäbe (Cd) im Reaktor (z.b. Biblis A) befinden sich 193 dieser BE, d.h. 193 x 236 ~ Brennstäbe das sind 99,2 t Urangewicht Quelle: Robert Gerwin, So ist das mit der Kernenergie, Econ-Verlag Düsseldorf/Wien,

33 Umladung von Brennelementen Lager für frische Brennelemente Abklingbecken 33

34 CASTOR-Behälter mit abgebrannten Brennelementen 34

35 Faszination des v Cerenkov- Effektes 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 36