Energie aus der Kernspaltung

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1 XV. Heidelberger Graduiertenkurse Physik (10-14 Oktober 2005) Energie und Umwelt im 21. Jahrhundert Mittwoch Kernenergie (Teil II) Energie aus der Kernspaltung das Potential: von der Euphorie zur heutigen Situation Vokabeln zur Technik der Kernenergie die destruktive Energienutzung: die so genannte Atombombe die Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie Uran Förderung und Reserven, die Wiederaufbereitung und schnelle Brüter 1

2 Das Potential: von der Euphorie der 50 Jahre zur heutigen Situation Too Cheap to Meter Nuclear critics frequently claim that nuclear energy has failed to deliver on its early promise of electricity too cheap to meter. The original source of this quotation is a talk in New York on September 16th, 1954, to the National Association of Science Writers by Admiral Lewis L. Strauss, then Chairman of the U.S. Atomic Energy Commission. He said: It is not too much to expect that our children will enjoy electrical energy in their homes too cheap to meter. What the critics do not tell is that Strauss was talking about nuclear fusion energy, not fission that is today s nuclear energy. aus jalrober/chapter14j.htm 2

3 Vorhersagen ( 1975) zur (Kern) Energie) Energie Vorhersagen für 2000 [Quad] Realität Form Modell 1 Modell 2 Modell [Quad] Total Kernenergie Kohle Öl Gas Renewable Vorhersagen: Workshop on alternative Energy Strategies for the year 2000, MIT Press 1977 (Global 2000 Report). Die Zahlen für 2001 (EIA Report 2004). (1 Quad = Btu = Joule = KWh) Die meisten Energie Vorhersagen zum Jahr 2000 waren vollkommen falsch! 3

4 Was bedeutet das für die Vorhersagen bis 2025? 4

5 Technik der Kernenergie I: wichtige Vokabeln Spaltbares Material: schwere Kerne wie U(235) und Pu(239) sind die wichtigsten Isotope. Bei jeder Kernspaltung werden zwischen zwei und drei Neutronen freigesetzt die eine Kettenreaktion in Gang setzen können. Kettenreaktion: Von den bei der Spaltung freigesetzten Neutronen ν werden k Neutronen für weitere Spaltungen genutzt. Wenn k 1 bekommt man eine Kettenreaktion mit P t = P (0)K t/τ g (τ g ist die Reaktionszeit). Neutronenbilanz: Ein Reaktor wird über die Neutronenbilanz gesteuert. Die wichtigsten Prozesse die die Neutronenbilanz steuern sind: Reaktionen mit dem spaltbaren Material: (1) Spaltung (σ sp ) mit der Entstehung von 2-3 neuen Neutronen (2) elastische und inelastische Streuung und (3) Einfang ohne Spaltung. Reaktionen mit anderen Materialien (Moderator) führt zur Streuung (Abbremsung) und parasitärem Einfang. Entweichen des Neutrons aus dem Reaktorkern Die genaue Beschreibung und Rechnung der Neutronbilanz führt zu sehr komplizierten aufwendigen Rechnungen. (Lösung der Transportgleichung mit vielen Approximationen). Brutprozess: Durch Einfang von Neutronen werden Kerne in spaltbare Isotope umgewandelt. U(238) +n U(239) (β Zerfall) Np (β ) Zerfall) Pu Th Th (β ) Pa (β ) U Bei optimaler Ausnutzung dieser Reaktionen könnte man damit die Reserven an spaltbarem Material um mehr als das hundertfache erhöhen. 5

6 Technik der Kernenergie II: wichtige Vokabeln Reaktordynamik: Beschreibung der zeitlichen und örtlichen Neutronendichte n( r, t). und der momentane Reaktorleistung in den Brennelementen. Die Grösse ρ = (k 1)/k definiert die Reaktivität des Reaktors. Die meisten Neutronen entstehen direkt bei der Spaltung. Der kleine Anteil von verzögerten Neutronen (f bei U 235 ) ist für die Stabilität wichtig. ρ prompt darf nie grösser 1 werden! (ρ = ρ prompt + f). Die Steuerung von ρ erfolgt über Regelstäbe mit grosser Neutronabsorption (B, Cd). Neutroneneinfang: Die Reaktivität verändert sich beim Abbrand des Brennstoffes, beim Brutprozess und durch Neutronabsorption (Neutronengift) der Spaltprodukte. Moderator: Moderatoren bremsen die spontanen Neutronen (E kin = 1MeV ) durch elastische Streuung auf Energien von ev (thermische) ab um hohe Spaltungs Wirkungsquerschnitte zu bekommen. Leichte Elemente (schweres) Wasser, Kohlenstoff) sind am effektivsten. Xenonvergiftung: Xe 135 (und Samarium Sm 149 ) entstehen in Zerfallsketten der Spaltprodukte. Sie haben sehr grosse Neutronabsorptionswirkungsquerschnitte, σ abs = ( ) barn. Durch die Xenonvergiftung kann es schwierig werden den Reaktor nach Unterbrüchen wieder zum laufen zu bringen. 6

7 zur Physik der Atom -Bombe Die unkontrollierte Kettenreaktion mit U(235) und Pu(239): das Prinzip ist einfach aber die Praxis der U(235) Anreicherung auf 90% (von 0.7%) ist äusserst schwierig! Plutonium kann vergleichsweise relativ einfach in Reaktoren erbrütet werden! Kritische Masse: U(235) = 56 Kg, mit Neutronreflektor (Tamper) = 15 Kg (Kugel R = 11.5 cm) Kritische Masse: Pu(239)= 11 Kg, mit Neutronreflektor = 5 Kg (Kugel R = 8 cm) die Hiroshima Bombe (Little Boy) U(235) Länge 3 Meter, Durchmesser 0.7 Meter Gewicht 4 Tonnen. 7

8 Das Ziel: die Erzeugung von elektrischer Energie Die Energieform mit der besten Transformität: elektrische Energie. Die Speicherung von elektrischer Energie ist bisher schwierig und ineffizient. Heute werden weltweit 16% der elektrischen Energie in Kernkraftwerken erzeugt. Hauptsächlich zur Grundlast. Andere Methoden: Gaskraftwerke 18%, Kohle 38%, Öl 7.6%, Erneuerbare Energiequellen (dominant Wasserkraft) 19.6%. Die EIA erwartet (2001) einen jährlichen weltweiten Anstieg des Bedarfs an elektrischer Energie von etwa 2% pro Jahr. Bis zum Jahr 2025 also ein Faktor von etwa 1.6! Deutschland als Beispiel (Spiegel 18. November 2004) Die deutschen Stromkonzerne müssen in den nächsten zwei Jahrzehnten veraltete Kraftwerke mit einer Kapazität von Megawatt ersetzen (wie man auf diese Zahl kommt ist nicht 100% klar!) 8

9 Kernenergie zum Antrieb von Schiffen von Uranium information Centre Australia ( Mehr als 150 Schiffe (mit > 220 kleinen Nuklearreaktoren) existieren heute. Die meisten sind U Boote, dann gibt es ein paar Eisbrecher und Flugzeugträger. Die thermische Leistung liegt zwischen MW therm. Die Leistung wird auf einem sehr kleinen Volumen erzielt. Deshalb laufen die Reaktoren mit hochangereichertem U(235) 20-45%. Man erreicht sehr lange Fuel lifetimes, 10 Jahre und mehr! Die neuesten Designs sollen sogar bis 50 Jahre halten Reaktor-Jahre Erfahrung. Compared with the excellent safety record of the US nuclear navy, early Soviet endeavours resulted in a number of serious accidents. Decommissioning of nuclear-powered submarines has become a major task for US and Russian navies. 9

10 Elektrische Energie aus der Kernspaltung: in der realen Welt 2004 Zahlen und Figuren von der IAEA ( (International ATOMIC Energy Commision) Wien 440 Kernkraftwerke mit einer installierten Leistung von 365 GW el. (zum merken 1 KKW 1000 MW el = 1 GW el und etwa 3000 MW therm!) 25 Reaktoren sind im Moment in Bau. Lifetime Energy availability factor : Welt:75.9% Schweiz: 85.5%, USA: 75%, Frankreich: 76.7%, Deutschland: 82.9%. (Ähnliche Zahlen für den Lifetime unit capability factor ) Unplanned capability loss ( ): Welt: 4.2%, Schweiz: 0.6%, USA: 2.3% Japan: 10%, Pakistan 20% Reaktor-Jahre Erfahrung (2 grosse Unfälle) 10

11 Daten zur Nutzung der Kernenergie Erhöhte Energieproduktion der letzten Jahre durch Steigerung der Effizienz! 11

12 Oklo, Gabun, der älteste bekannte Kernreaktor der Welt Zahlen zum Naturreaktor: Alter 2000 Millionen Jahre, Laufzeit Jahre, Leistung 100 KW, 5 Tonnen verbranntes U(235). Mehr unter: Notwendige Bedingungen für einen natürlichen Reaktor: Natürliche Anreicherung von U(235) im Vergleich zu U(238), vor 2000 Millionen Jahren gab es noch etwa 3% U(235)! Eine hohe Urandichte im Material. Eine geringe Dichte von Neutronabsorbern. Hohe Dichte eines Moderators. Eine minimale kritische Grösse um eine Kettenreaktion am Leben zu erhalten. 12

13 Reaktor Typen: das Prinzip Kernenergie interaktiv ein virtueller Reaktor (wer Zeit hat): 13

14 Reaktortypen (Zahlen von der IAEA) PWR = Pressurized Water Reactor (Druckwasserreaktor DWR) Häufigster Reaktor Typ (214 Reaktoren) 204 GW el, 6 Reaktoren in Bau (z.b. IRAN), der dominante Reaktor Typ in Frankreich und Deutschland, 16 abgeschaltet. BWR = Boiling Water Reaktor (Siedewasserreaktor SWR) 90 Reaktoren mit 78.6 GW el, 1 Reaktor in Bau, 19 abgeschaltet. PHWR (CANDU= Canadian Deuterium-Uranium Reactor) Pressurized Heavy Water Reactor 39 Reaktoren mit 20 GW el, 8 Reaktoren in Bau, 10 abgeschaltet. Andere ältere Typen: Magnox und AGR Reaktoren (Gas cooled mit Graphit als Moderator), Light Water Graphite Reaktor (England), RMBK (Russland). Advance Reactor Design ( Evolution von PWR, BWR und Candu) HTGR = High Temperature Gas cooled Reactor, EPR (European Pressurized Water Reactor) entwickelt von FRAMATOME-Siemens. Ein EPR ist in Finnland (Olkiluoto) in Bau, er soll 2009 ans Netz gehen (1600 MW el Gesamtkosten für das Projekt Olkiluoto III etwa 3 Mrd. Euro). FBR = Fast Breeder Reactor (Schneller Brutreaktor) 3 Reaktoren mit 1.0 GW el (in Betrieb ), 6 wurden abgeschaltet! 14

15 Reaktortypen: PWR Beim PWR wird Wasser im Primärkreislauf unter hohem Druck (ca.155 bar) benutzt. Es fliesst durch den Dampferzeuger (zum Erhitzen des Wassers im Sekundärkreislauf) und danach wieder zurück in den Reaktorkern. ( 15

16 Reaktortypen: BWR Im Gegensatz zum Druckwasserreaktor PWR ist kein zweiter Wasserkreislauf vorhanden. Das Wasser wird direkt vom Reaktor, wo es verdampft (siedet), über eine Rohrleitung einer Turbine zugeführt. 16

17 Reaktortypen: PHWR (CANDU) Die Kühlung und Moderation wird mit schwerem Wasser (DO 2 ), mit kleiner Neutronabsorption, durchgeführt. CANDU-Reaktoren haben getrennte Moderator- und Kühlmittelsysteme, der Moderator DO 2 wird praktisch drucklos und bei niedrigen Temperaturen (etwa 70 0 C) eingesetzt. Natururan oder leicht angereichertes Uran kann als Brennstoff benutzt werden. Reaktor Typen: HTGR Hochtemperaturreaktor (HTR) bezeichnet eine Bauart (in der Bundesrepublik Deutschland entwickelt), mit sparsamem Uranverbrauch mit hoher Nutzungstemperatur von 300 bis C. Hochtemperaturreaktoren verwenden Graphit als Moderator und Helium als Kühlmittel. Der primäre Spaltstoff ist U(235). Daneben tragen erbrütete Spaltstoffe (aus Th(232) entsteht das spaltbare Uranisotop U(233)) zur Energieerzeugung bei. Der Thorium-Hochtemperaturreaktor (THTR) Prototyp, in Hamm-Uentrop, wurde im September 1989 endgültig stillgelegt. Am Reaktorkonzept des Hochtemperaturreaktors wird in Deutschland nicht mehr geforscht, aber deutsche Unternehmen beteiligen sich an PBMR (Pebble Bed Modular Reactor) Projekten in Japan, China, Südafrika und Indonesien. 17

18 Reaktortypen: ein Vergleich Typische Daten der existierenden Reaktortypen (Boeker, Tabelle 4.5 Seite 150 sowie Duderstadt und Hamilton, Nulcear Reaktor Analysis, John Wiley (1992). PWR BWR CANDU HTGR Fuel UO 2 UO 2 UO 2 UC, ThO 2 Enrichment % U(235) 2.6% 2.5% Natural 93.5 Moderator H 2 O H 2 O D 2 O Graphite Coolant H 2 O H 2 O D 2 O Helium Power MW el Coolant out 0 C Max. Fuel T 0 C Net effi % Pressure Reactor vessel [bar] Conversion Ratio Power MW therm /ton fuel Reaktoren PWR = pressurized water reactor, BWR = boiling water reactor, CANDU (PHWR) und HTGR = high temperature gas cooled reactor. Conversion Factor = number of fissile Pu Nuclei per fission. 18

19 Zahlen zum Brennstoff Uran Verbrauch bei 1 GW el etwa 640 kg U(235)/ Jahr = 30 Tonnen Uran/Jahr (3% U(235)+ 97% U(238)), also etwa 165 Tonnen Natururan/Jahr (Heinloth, die Energiefrage S. 229). Bei einem typischen Urangehalt in Erzen von 0.2% entspricht das einem Abbau von Tonnen Rohmaterial. Im Vergleich bräuchte man etwa 3 Millionen t Steinkohle pro Jahr. Weltproduktion von Natururan (1998): Tonnen (Ref. INB) Verbrauch Tonnen. Geschätzte Uran Reserven: zwischen 2- und 4 Millionen Tonnen. Wenn die Zahlen stimmen reichen die vorhandenen Reserven bei heutigem(?) Verbrauch (nur 6.5% der totalen Energie) etwa 40 (80?) Jahre. Bei einem hypothetischen Wachstum von 10%/Jahr (EET Formel) nur 16 (22) Jahre. Kosten: Urangewinnung von 80 US Dollar/Kg Uran, Anreicherung (3% U(235) = 500 US-Dollar/kg). Kosten für 30 Tonnen angereichertes Uran plus Brennelementherstellung etwa 50 Millionen US Dollar. Wenn diese Zahlen stimmen, warum hat man in Westeuropa alle Uran Minen stillgelegt? Das INB Brazilien gibt folgende Zahlen für Brazilien an: Reserven Preis < 40 US Dollar = Tonnen; Preis < US Dollar = Tonnen; Noch zu finden Preis < 80 US Dollar = Tonnen. 19

20 Uranabbau und der jährliche Bedarf Bedarf: etwa 165 Tonnen Natururan pro Jahr und GW el Land Produktion Natururan (1999) total < 2000 [t] [t] Kanada USA Australien Deutschland Frankreich Russland Gabun Namibia Niger Welt Welt top mines:23961 Welturanbedarf Tonnen (1999), nach Ländern aufgeteilt findet man: Tonnen (USA), Tonnen (Frankreich), 7100 Tonnen (Japan), 3300 Tonnen (Russland), 3000 Tonnen (Deutschland) und 500 Tonnen (Schweiz). Source: World Nuclear Association Produktion: 28% open pit, 41% Untergrund, 20% in Situ Leach (ISL) und 11% als Beiprodukt von anderen Minen. Acht Minen-Betreiber mit mehr als 1000 Tonnen Produktion fördern 80% des Welturans. Die grössten Minen liegen in Kanada (McClean Lake mit 2550 Tonnen U/a und McArthur River mit bald 7000 Tonnen/a). In den letzten fünf Jahren (bis Mitte 2004) hat Australien tu mit einem Wert von über 2 Milliarden Dollar in 11 Länder exportiert. 20

21 wo? und wieviel? Uran European Nuclear Society und Land Tonne U (Preis < 130 $ /kg Preis < 80 $ /kg Kazakhstan Australien Kanada ? ? Süd Afrika USA Brazil Namibia Russia????? Niger????? Welt Welturanproduktion bis 1999: Tonnen! Welturanbedarf Tonnen (1999), für 2015 erwartet man einen Bedarf zwischen und Tonnen Uran/Jahr. Die jährliche Produktionskapazität 1999 war tu, (75% des Bedarfs!). Projektionen für die jährliche Produktionskapazität im Jahr 2015 lassen auf eine mögliche Produktion zwischen and tu/year schliessen (World Energy Council). Diese Zahlen basieren auf vorhandenen Kapazitäten, deren Entwicklung und dem phase-out von existierenden Uranminen. 21

22 Uran Produktion und Bedarf Ux Consulting Company ( usa.html) 22

23 Uran Bedarfsentwicklung und Herkunft Ux Consulting Company, LLC (UxC) schreibt ( usa.html): Are you prepared? The decline in global commercial uranium inventories is rapidly shifting an inventory-driven market to one that is production-driven. Consolidation over the last several years has squeezed the number of uranium suppliers, reduced geographical diversity, and now several existing and future uranium production centers are in question. In the interim, longterm indicators are pointing toward a demand curve that will exceed supply within the next several years and ultimately lead to higher prices. 23

24 Wiederaufbereitung Uran(235) und das Plutonium Die meisten heute noch existierenden Wiederaufarbeitungsanlagen (WAA) für Kernspaltungsmaterial wurden für die Plutoniumgewinnung gebaut. Heute werden in einigen WAA abgebrannte Brennelemente aus zivilen, kommerziellen Reaktoren zur Rückgewinnung von Uran und Plutonium und zur Verminderung der hochradioaktiven Abfälle aufgearbeitet. Weltweit bis 1990: t Kernbrennstoffe (militärische Zwecke) und 4000 Tonnen (von total Tonnen abgebrannten) für zivile Zwecke (Heinloth S. 257). abgebrannte Brennelemente werden mechanisch und dann chemisch in die verschiedenen Atomsorten getrennt. Im Bestfall kann Uran und Plutonium bis zu 99.9% zurückgewonnen werden! Daraus kann Uranoxid und Plutoniumoxid zu Brennstoffmaterial umgewandelt werden! Baukosten einer WAA mit Jahresdurchsatz von 350 t abgebrannter Brennelemente etwa 2.5 Mrd Euro (Natururan ist heute also deutlich billiger!). 24

25 Knapp die Hälfte des Uran Bedarfs wird heute aus der Überschussproduktion zwischen gedeckt! Quote von Uranium Information Centre ( No nuclear materials such as uranium from the civil nuclear fuel cycle have ever been diverted to make weapons. In fact today the whole picture is reversed in that a lot of military uranium is being brought into the civil nuclear fuel cycle to make electricity, which is widely seen as a positive development, unimaginable 40 years ago. One tenth of US electricity is made from Russian military warheads. source: World Nuclear Association 25

26 Die Nutzung von U(238) und Schnelle Brüter Die Idee: Spaltung von U(235) oder Pu(239) bei gleichzeitigem Brüten von Pu(239) mit schnellen Neutronen (keine Moderation) Ohne Moderator braucht man hochangereichertes Spaltmaterial und/oder einen Neutronenreflektor! Flüssiges Metall, wie beispielsweise Natrium (kleine Neutronabsorption), dient als Kühlmittel. Natrium brennt spontan, sobald es mit Luft in Berührung kommt. Ein kleines Leck im Kühlkreislauf des Reaktors hätte sofort einen Brand zur Folge. Ein Natriumbrand ist nicht leicht unter Kontrolle zu bringen, da Natrium mit Wasser heftig reagiert und dabei zudem noch ebenfalls höchst brennbares Wasserstoffgas entsteht. Heutige Feuerwehrtechnik ist bei einem Brand von mehr als einigen hundert Kilogramm Natrium im wesentlichen machtlos grosse Brutreaktoren benötigen aber mehrere Tonnen Natrium. Praktisch alle kommerziellen Anlagen sind heute abgeschaltet (6), die drei noch existierenden (Frankreich, Russland und Japan) sind mehr oder weniger krank. Neue FBR sind im Moment nicht geplant. 26

27 NER (Netto Energy Return) und Kostenrechnung bei KKW s die für Physiker normale Frage nach dem NER bei Kernkraftwerken ist (wie bei anderen Energiespeichern und deren Umwandlung) nur wenig untersucht. Welche Kosten soll man rechnen? Wie kann man die Ausbildungskosten zum know how berücksichtigen? Sollte man die Kosten für die IAEA in Wien auf den Strompreis anrechnen? Wie kann man die zukünftigen Kosten von Abriss und Abfall berechnen? Wenn man ein Wachstum beim Bau von KKW s mit z.b. 10% annimmt, wie soll man die Natururan Kosten in 40 Jahren berücksichtigen? (Reichweite von Uran etwa Jahre aber bei 10% Wachstum (Exponential Expiration Time) nur etwa Jahre!) Wie sollte man die Kosten für schnelle Brüter ansetzen? 27

28 Die NER Grenze bei der Kernspaltung? Eine umstrittene (?) wissenschaftliche Studie von J. Storm und P. Smith (2001) versucht alle Energiekosten (Energie beim Uranabbau, bei der Herstellung und Anreicherung, beim Bau eines KKW s, den direkten und indirekten Betriebskosten und dem Abriss) zu berücksichtigen. (Referenz: Die Kritik Punkte von der World Nuclear Association sind auf der gleichen Webseite (unter Rebuttal) zusammengestellt und diskutiert. Die Autoren analysieren zum Beispiel (Quote): the largest unavoidable energy cost is that of mining and milling the uranium ores. Mit dem Ergebnis dass uranhaltige Erze mit einer Konzentration von unter 0.02% nicht mehr mit positiver Energiebilanz abgebaut werden können (das würde erklären, warum man in Westeuropa den Uranabbau eingestellt hat!). Sie finden auch, dass die heutige Schnelle Brüter Technology keine positive Energiebilanz liefert! Moral(?): Physiker an wenigstens einer Universität sollten schnellstens eine genaue objektive Analyse des NER zur Kernenergie durchführen. 28