Kernenergetik - Kernenergienutzung - Kernspaltung - Kettenreaktion im Kernreaktor - Kernkraftwerke 1
Welche Bedeutung hat die Kernenergie? - in Deutschland - in Europa - weltweit 2
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 2013 3
Lastverteilung Steinkohle Braunkohle Kernenergie Laufwasser 4 Spitzenlast Mittellast Grundlast
Elektroenergieerzeugung (absolut *) in Deutschland (in Mrd. kwh) 1300 1200 1100 1000 900 800 gesamt 618 700 600 500 400 300 200 100 0 1996 1997 *brutto, Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Kernenergie Steinkohle Braunkohle 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Erneuerbare 2011 2012 100 118 159 136 5
Kernkraftwerke in Deutschland 9 KKW in Betrieb Mühlheim-Kärlich (nicht in Betrieb genommen) Rheinsberg und Lubmin stillgelegt Brunsbüttel 1977-2011 Brokdorf 1986-2021 Krümmel 1984-2011 Stade 1972-2003 Unterweser 1979-2011 Emsland 1988-2022 Grohnde 1985-2021 Biblis A 1975-2011 Biblis B 1977-2011 Philippsburg 1 1980-2011 Philippsburg 2 1985-2019 Grafenrheinfeld 1982-2015 Obrigheim 1969-2005 Neckarwestheim 1 1976-2011 Neckarwestheim 2 1989-2022 Gundremmingen B 1984-2017 Gundremmingen C 1985-2021 Isar 1 1979-2011 Isar 2 1988-2022 Standort, Alter und Inbetriebnahmejahr, (vorauss.) Abschaltung 6
Kernkraftwerke in Europa 187 Reaktoren in Kernkraftwerken in Betrieb (Stand: 31.12.2011) Land Prozentsatz Zahl der Kernenergie KKW-Blöcke Frankreich 78 % 58 (+1) Slowakei 54 4 (+2) Belgien 54 7 Ukraine 47 15 (+2) Ungarn 43 4 Slovenien 42 1 Schweiz 41 5 Schweden 40 10 Bulgarien 33 2 (+2) Tschech. Rep. 33 6 Finnland 32 4 (+1) Spanien 20 8 Rumänien 19 2 Russland 18 33 (+10) Großbritannien 18 18 Deutschland 18 9 Niederlande 4 1 Quelle: IAEA, Nuclear Power Reactors in the World, Juni 2012 7
Kernkraftwerke weltweit SBR 2 0,5% D2O-DWR 1 0,2% DWR 217 49,0% 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) - 100 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 2 1 7 2 2 17 94 58 16 20 1 51 19 23 21 3 2 33 10 54 1 7 2 6 6 15 4 104 437 Bruttoleistung [ MWel ] 1.005 408 6.208 2.007 2.000 13.704 12.696 2.820 65.880 10.907 4.780 1.000 46.628 14.360 21.654 1.610 515 787 1.412 25.242 9.805 3.430 1.950 727 7.400 1.888 5.213 4.024 13.818 2.000 106.915 392.793 Quelle: DAtF, Faltblatt Kernenergie in Zahlen, Mai 2013 Reaktortypen: Stand 31.12.2010, atw 57 (2012) 182 8
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
Energie- und Spaltstoffumsatz 1g U 235 = = NL Atome A 23 6.02 10 235 = 6.02 10 235 23 Atome 210 Atome MeV Atom 1.602 10-19 MWs MeV d 86400 s = 0.997 MWd 1 g U-235 1 MWd Abbrand im Jahr bei Reaktor 1000 MW el ( 3000 MW th ) : 3000 MW 330 d = 990000 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-238 0.7 % U-235 frisches 96.5 % U-238 Brennelement 3.5 % U-235 abgebranntes 95.0 % U-238 Brennelement 0.8 % U-235 0.9 % Pu 3.2 % Spaltprodukte 0.1 % übrige Aktiniden 10
Energie- und Spaltstoffumsatz 1g U 235 = = NL Atome A 23 6.02 10 235 = 6.02 10 235 23 Atome 210 Atome MeV Atom 1.602 10-19 MWs MeV d 86400 s = 0.997 MWd 1 g U-235 1 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 = 990000 Energiemenge MWd verbrennen? 1 Heizwert t U-235-Verbrauch/Jahr BB: 4700 kcal / kg 1 Umrechnung: t Spaltprodukte 1 Ws = 2,388 10-4 kcal Würfel mit Kantenlänge 37 cm Aber: 1 MWd = 10 6 24 3600 Ws im frischen BE nur zu 3.5 % U-235 enthalten = 10 (Rest ist U-238) 6 24 3600 2,388 10-4 kcal Gesamtabfall 30 x mehr 30 t Abfall = in 4390 abgebrannten kg BB = BE 4,39 t BB ca. 50 BE/Jahr = 10 6 24 3600 2,388 10-4 (1/4700) kg BB Nuklidanteile im Brennelement Natururan 99.3 % U-238 0.7 % U-235 frisches 96.5 % U-238 Brennelement 3.5 % U-235 abgebranntes 95.0 % U-238 Brennelement 0.8 % U-235 0.9 % Pu 3.2 % Spaltprodukte 0.1 % übrige Aktiniden 11
Betriebsabläufe in deutschen Kernkraftwerken 1998 Elektrische Leistung in Prozent 100 80 60 Brokdorf 40 20 0 Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez 100 80 60 Emsland 40 20 0 Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez 100 80 60 Philippsburg 2 40 20 0 Jan Febr März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez Quelle: Kernenergie in Deutschland Jahresbericht 1998 Deutsches Atomforum e.v. 12
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, 18.12.2012 13
Treibhausgas-Emissionen Energieträger mit Lebenszyklus-Analyse 1000 Braunkohle 838-1231 Steinkohle 750-1080 800 Erdöl 550-946 g (CO 2 ) / kwh 600 400 Erdgas 399-644 200 Photovoltaik 78-217 0 Wind 10-38 Wasser 4-36 Kernenergie 5-33 Quelle: atw 52(2007)298 14
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 2010 15
Reichweiten verschiedener Energieträger 16
Kernspaltung 2 bis 3 Spaltneutronen n th Spaltstoff: U-235 Pu-239 (aus U-238) U-233 (aus Th-232) U-236 2 Spaltbruchstücke 17
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- 144 1E-4 60 80 100 120 140 160 Massenzahl Aktivität nach 1 Jahr auf 1% abgesunken 18
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
Eigenschaften der Spaltneutronen: E 2 MeV (schnell) 99,36 % prompte Neutronen (10-9 s) 0,64 % verzögerte Neutronen ( 1 min) 20
566 barn 1000 Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnittes für die Spaltung von U-235 σ fission / barn 100 10 1.3 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 = 0.025 ev (thermische Neutronen) Abbremsung = Moderation E n = 2 MeV (schnelle Neutronen) 21
Moderatoreigenschaften gute Bremsung von Neutronen geringe Absorption von Neutronen Moderator mittlere Stoßzahl für eine Abbremsung von 1.75 MeV auf 0.025 ev Neigung zum Einfang thermischer Neutronen in relativen Einheiten Wasserstoff Deuterium Beryllium 1 1 2 1 9 3 H H Be 18 25 86 650 1 7 Kohlenstoff Uran 12 6 238 92 C U 114 2172 10 5600 H 2 O D 2 O Be Graphit Bremsvermögen. @G s 1.53 0.170 0.178 0.061 Bremsverhältnis. @G s /G a 70 5200 162 235 22
Verzögerte Neutronen i 1 2 3 4 5 6 T 2 / s 0,2 0,6 2,3 6,2 23 56 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
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
Reaktorkopf Reaktordeckel Reaktorbehälter mit biologischer Abschirmung Graphitreflektor Spaltzone Neutronenquelle Steuerstäbe Unterdrucksystem (Reaktortank) Quellcontainer Steuerstabantriebe Aufbau des AKR Kernhubwerk Vakuumpumpe Aerosolfilter Druckwächter 25
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
KKW mit Siedewasserreaktor Reaktor- Druckgefäß Dampf, ca. 70 bar Generator ca. 20 m Reaktorkern Turbine Kühlwasser Wasser Kühlturm Pumpe Kondensator Pumpe 27
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
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
Kernkraftwerk Biblis 30
Reaktordruckbehälter Oberteil vor dem Einbau 31
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 ~ 45500 Brennstäbe das sind 99,2 t Urangewicht Quelle: Robert Gerwin, So ist das mit der Kernenergie, Econ-Verlag Düsseldorf/Wien, 1978 32
Umladung von Brennelementen Lager für frische Brennelemente Abklingbecken 33
CASTOR-Behälter mit abgebrannten Brennelementen 34
Faszination des v Cerenkov- Effektes 35
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 36