Basics of Electrical Power Generation Nukleartechnik · leicht radioaktiv angereichert Die Turbine...

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Stand: 20111 / 43

Umweltwissenschaften, Oliver Mayer

Basics of Electrical Power Generation

Nukleartechnik

GE Global ResearchFreisinger Landstrasse 5085748 [email protected]

Stand: 20112 / 43


Inhalte

1. Kernkraftwerke

2. Kraftwerkstypen

3. Der Brennstoffkreislauf

4. Endlagerung

5. Kernfusion

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Stand: 20113 / 43


Kernkraftwerke

Stand: 20114 / 43


Kernenergie aus…

Kernfusion:

Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem neuen Kern „verschmelzen“

Kernspaltung:

Ein Atomkern wird unter Energiefreisetzung in zwei oder mehr Bestandteile zerlegt

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Stand: 20115 / 43


Kernenergie

Die Energiegewinnung erfolgt durch den sogenannten „Massendefekt“

Bei der Kernfusion ist die Masse des erzeugten Kerns kleiner alsdie Summe der Massen der Ausgangskerne

Bei der Kernspaltung ist die Summe der Massen der erzeugten Kerne kleiner als die Masse des Ausgangskerns

Die Energie berechnet sich aus der bekannter Formel E = Δm * c2

Die Energie wird hauptsächlich als Bewegungsenergie der Spaltprodukte freigesetzt. Durch deren Abbremsung im umgebenden Material entsteht Wärme, mit der Wasserdampf erzeugt wird

Stand: 20116 / 43


Kernbindungsenergie

Eisen (Fe) hat die höchste Bindungsenergie

Auf der “schwereren” Seite von Eisen kann Energie durch Kernspaltung gewonnen werden

Auf der “leichteren” Seite von Eisen kann Energie durch Kernfusion gewonnen werden

Der größte Energiesprung liegt bei Wasserstoff zu Helium über die Kernfusion

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Stand: 20117 / 43


Kernkraftwerke in der Welt

Stand: 20118 / 43


Künftige Kernkraftwerke + Tektonik

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Stand: 20119 / 43


Top Ten Anlagen der Jahresstromproduktion

Stand: 201110 / 43


1.241,4121.450Gesamtsumme

20034,796401972Stade

20050,003401969Obrigheim

107,25Mülheim-Kärlich

1.129,3820.470Summe

2023130,931.3291988Emsland

2022141,511.3101989Neckarwestheim-2

201912,681.4001988Isar-2

201979,171.2881985Grundremmingen-C

2019116,911.4101986Brokdorf

201870,101.2841984Grundremmingen-B

2018103,301.3601985Grohnde

1018102,661.3921985Phillippsburg-2

201888,581.3461984Krümmel

201459,821.2751982Grafenrheinfeld

201234,281.3451979Unterweser

201222,518901980Phillippsburg-1

201116,688781979Isar-1

201011,007711977Brunsbüttel

201212,571.2401977Biblis-B

20106,447851976Neckarwestheim-1

20105,241.1671975Biblis-A

StilllegungsterminRestmenge (TWh)Leistung (MW)InbetriebnahmeKernkraftwerk

Deutsche Kernkraftwerke 2009

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Stand: 201111 / 43


Lage deutscher Kernkraftwerke + Erdbebengefahr

Stand: 201112 / 43


Funktionsweise eines Kernkraftwerkes (1)

Spaltbare Atome: Isotope von Uran 235, Plutonium 239 oder Thorium 232

Ein Neutrons vom U-235-Kern wir absorbiert

Der entstandene Kern ist instabil und spaltet sich in 2 Kerne: Krypton und Barium

Die Spaltprodukte fliegen mit großer Geschwindigkeit auseinander

Gleichzeitig werden 2 oder 3 Neutronen mit großer Geschwindigkeit (ca. 20.000 km/h) und Energie frei

Das Spiel beginnt von Neuem: Grundlage für Kettenreaktion

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Stand: 201113 / 43


Funktionsweise eines Kernkraftwerkes (2)

UnkontrollierteKettenreaktion

Moderator/Kühlmittel

Einsatz von Steuerstäben

Es entstehen mehr freien Neutronen als zum Starten des prozessesnotwendig unkontrollierte Kettenreation

Der Moderator senkt die Bewegungsenergie der freien Neutronen, weil der Uran-Kern langsame Neutronen besser aufnimmt

Steuerstäbe absorbieren freie Neutronen sehr gut und somit kann eine kontrollierte Kettenreaktion eingestellt werden (labiler Betriebspunkt)

Stand: 201114 / 43


Bei einer Kernspaltung können unterschiedliche Spaltungsresultate erzielt werden

Die Resultate selbst sind wiederum instabil. Sie haben unterschiedliche Zerfallszeiten

Das bedeutet, das selbst bei gestoppter Spaltung von U235 Zerfallsprozesse weiter gehen und thermische Leistung erzeugt wird

Spaltketten

600.000 s ~ 7 Tage

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Stand: 201115 / 43


Verbreitung in Fukushima

Stand: 201116 / 43


Diejenige Zeitdauer innerhalb derer Radionuklide bis zur Hälfte des Anfangswertes zerfallen sind. Der Zerfallvorgang erfolgt kontinuierlich und kann weder durch Druck, Temperaturänderung oder chemische Beeinflussung verlangsamt oder beschleunigt werden.

Beispiel: Das ursprünglich vorhandene Plutonium 239 hat eine physikalische HWZ (T½) von etwa 24.000 Jahren.

Es zerfällt auf…1/2 oder 50,0 % nach 24.000 Jahren1/4 oder 25,0 % nach 48.000 Jahren1/8 oder 12,5 % nach 72.000 Jahren1/16 oder 6,25 % nach 96.000 Jahren1/32 oder 3,12 % nach 120.000 Jahren

Halbwertszeit (HWZ)

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Stand: 201117 / 43


Kraftwerkstypen

Stand: 201118 / 43


Kernkraftwerkstypen

Unterscheidung der einzelnen Reaktortypen nach:

dem Brennstoff (natürliches Uran, angereichertes Uran, Plutonium oder Thorium)

dem Kühlmittel (Kohlendioxid, Helium, leichtes und schweres Wasser, Natrium

dem Moderator (Graphit, leichtes oder schweres Wasser, Beryllium, organische Flüssigkeiten wie z.B. Diphenyl)

Unterscheidung nach der Art der Moderatoren:

Reaktoren ohne Moderator: z.B. schnelle Brüter

Graphitmoderierte Reaktoren: z. B. Natururan Hochtemperaturreaktoren

Wassermoderierte Reaktoren: z. B. Druckwasserreaktoren, Siedewasserreaktoren

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Stand: 201119 / 43


Leichtwasserreaktor (LWR)

LWR haben normales Wasser als Kühlmittel und Moderator

LWR arbeiten mit angereichertem Uran

Es gibt 2 Grundtypen des LWR:

Siedewasserreaktor

Druckwasserreaktor

Stand: 201120 / 43


Siedewasserreaktor (SWR)

Reaktordruckbehälter

Umwälzpumpe

Wasserabscheider und Zwischenüberhitzer

Turbinensatz

Generator

Transformator

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Kondensator

Vorwärmeanlage

Speisewasserpumpe

Kühlwassereinheit

Kühlwasserpumpe

Kraftschlussbecken

Kühlturm

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Der SWR kommt dem konventionellen Dampfkraftwerk am nächsten

Dampf wird im Reaktor-kern erzeugt und in einem einzigen Kreis-lauf zur Turbine geführt

Der Dampf ist daher leicht radioaktiv angereichert

Die Turbine muss sich damit im abgeschirmten Bereich des Kernkraft-werkes befinden

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Stand: 201121 / 43


Anlagendaten SWR Phillippsburg 1

Stand: 201122 / 43


Fukushima

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Stand: 201123 / 43


Druckwasserreaktor (DWR)

Reaktordruckbehälter

Umwälzpumpe

Dampferzeuger

Wasserabscheider und Zwischenüberhitzer

Turbinensatz

Generator

Transformator

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Kondensator

Vorwärmeanlage

Speisewasserpumpe

Kühlwassereinheit

Kühlwasserpumpe

Kraftschlussbecken

Kühlturm

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Der DWR hat zwei voneinander getrennte Kühl-kreisläufe:

Reaktor-Kühlkreislauf = Primärkreislauf

Speisewasser-Dampf-Kreislauf = Sekundärkreislauf

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Stand: 201124 / 43


Anlagendaten DWR Isar 2

Leistung: 1300 MW

Primärkreislauf: vier parallel geschaltete Umwälzpumpen fördern 72.000 m³/h Wasser von vier Dampferzeugern zum Reaktor und wieder zurück

Sekundärkreislauf: Hauptspeisepumpen fördern bis zu 7.160 m³/h Speisewasser zu den Dampferzeugern

Kühlwasser: Zur Kühlung des Turbinenabdampfes, der in drei Oberflächenkondensatoren niedergeschlagen wird, werden etwa60 m³/s Wasser benötigt

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Stand: 201125 / 43


Vergleich SWR und DWR

DWR SWR

Stand: 201126 / 43


Modelle eines SWR und DWR

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Stand: 201127 / 43


Hochtemperaturreaktor (HTR)

Der Spaltstoff und Moderator werden als „Brennelementkugeln“zusammengepackt

Verbrauchte Brennelementkugeln werden im Betrieb entnommen und neue nachgefüllt

Gas dient als Kühlmittel Als Wärmeübertragungsmittel

dient Helium Brennelemente sind keramisch

anstatt metallisch umhüllt

Vorteile: Temperaturen über 700°C Realisierung von hohen

Wirkungsgraden

Stand: 201128 / 43


Schnelle Brutreaktoren

Dieser Kernreaktortyp dient zur Stromerzeugung und Plutoniumgewinnung

Als Spaltstoff wird Plutonium verwendet

Aus Uran-238 entsteht durch Neutroneneinfang Plutonium-239 (Brutvorgang)

Der „schnelle Brüter“ heißt so, weil er schnelle Neutronen benötigt werden kein Moderator

Durch Verbundwirtschaft aus Brutreaktoren, Wiederaufarbeitung und Leichtwasserreaktoren kann der Uranvorrat der Erde etwa 60-mal mehr Energie liefern, als wenn nur das Uran-235 gespalten wird.

Natrium dient als Kühlmittel. Dies ist ein Risiko weil Natrium mit Wasser reagiert und verbrennt

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Stand: 201129 / 43


Schnelle Brutreaktoren

Situation heute Die bisherige Anlagen nutzen das Uran nur zu etwa 1% Die Vorräte der westlichen Welt reichen für den 30-jährigen Betrieb

von etwa 1000 großen LeichtwasserreaktorenVorteile Schnelle (ungebremste)

Brutreaktoren könnendas Natururanbis zu über 60% für dieEnergieerzeugungausnutzen

Die Uranvorkommender Welt können aufJahrhunderte oderJahrtausende gestrecktwerden

Wegen der der 60-fach besserenAusnutzung können auch weniger ergiebige Vorkommen genutzt werden

Stand: 201130 / 43


Der Brennstoffkreislauf

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Stand: 201131 / 43


Nuklearer Brennstoffkreislauf

Source: http://www.kernbrennstoff.de

Stand: 201132 / 43


Abgebrannten Brennelemente werden in Behälter vom Typ CASTOR eingebracht

Castor ist aus besonders festem und zähen Gusseisen mit Kugelgraphit-Einschlüssen gefertigt und hat eine Wandstärke von 45 cm

Die Behälter sind so konstruiert, dass sie: die radioaktiven Stoffe – selbst bei schwersten Unfällen –

sicher einschließen die Nachzerfallswärme (über Kühlrippen) ableiten die Strahlung der radioaktiven Stoffe abschirmen

Transport- und Lagerbehälter

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Stand: 201133 / 43


Brennelementewechsel

Stand: 201134 / 43


Endlagerung

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Stand: 201135 / 43


Entsorgung

Stand: 201136 / 43


Endlagerung (1)

Die Entsorgung von Abfällen geschieht durch deren Verbringung in eine speziell dafür angelegte Einrichtung

Das deutsche Entsorgungskonzept ist die Endlagerung in tiefen geologischen Formationen

Weltweit werden Salz-, Ton- und Granitformationen auf ihre Eignung als Endlager untersucht

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Stand: 201137 / 43


Endlagerung (2)

Stand: 201138 / 43


Kernfusion

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Stand: 201139 / 43 Umweltwissenschaften, Oliver Mayer

Die Kernfusions-Reaktion

Zwei Wasserstoff-Isotrope, z.B. Deuterium oder Tritium, werden so dicht aneinander gebracht, dass sie miteinander verschmelzen. Sie werden zu Helium.

Probleme:

Ein derartiger Reaktor ist nach heutiger Technik nicht sauber, da radioaktive Teilchen durch die Schutzhülle hindurch strahlen

Ein solches Kraftwerk müsste eine Leistung von ca. 5 GW haben, dafür existieren jedoch noch keine Kühltürme

Stand: 201140 / 43


Fusionsreaktor

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ITER ist ein Versuchs-Fusionsreaktor

Er soll die großtechnische Nutzung der kontrollierten Kernfusion zur Stromerzeugung vorbereiten.

Dabei setzt ein Gramm Wasserstoff etwa dieselbe Menge Energie frei wie die Verbrennung von acht Tonnen Erdöl oder elf Tonnen Kohle

ITER

Stand: 201142 / 43


Das ITER-Experiment

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Tokamak-Reaktor

Am weitesten erforschter Reaktortyp der Kernfusion

Wasserstoff-Isotope bilden ein extrem heißes (über 100 Mio. °C) und dichtes Plasma damit die Kernfusionsreaktion kettenreaktionsartig abläuft

Das Plasma wird von einem Magnetfeld eingeschlossen

Ein Tokamak-Reaktor arbeitet nicht kontinuierlich, sondern gepulst

Stand: 201144 / 43


Massenvergleich von Energieerträgen

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Stand: 201145 / 43


Zusammenfassung

Die Nukleartechnik lässt sich in zwei Gruppen aufteilen: Fusion und Spaltung

Die Kernspaltung ist ein kritischer Prozess. Es darf pro Spaltung genau ein Neutron „übrig bleiben“, damit keine Kettenreaktion entsteht.

Der kritische Punkt bei der Endlagerung ist die Vermeidung von Katakt zu Grundwasser -> Slazstollen, Tonstollen, Granitstollen

Der Treiber der Fusion ist die höhere Energieausbeute:1g H2 ≡ 11t Kohle

Die Fusion soll in 50 Jahren großtechnisch umsetzbar sein

Stand: 201146 / 43


Frei

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