Kernenergie - für eine strahlende Zukunft · 2018. 4. 17. · Grundlagen –Deutschland...

Kernenergie - für eine strahlende Zukunft

Modellierung natürlicher Systeme

Hans Lesny

Julia Wünsche

• Grundlagen

• Situation in Deutschland

• Vorkommen und Reichweite

• Sicherheitskonzepte

• Zwischen- und Endlager

• Folgen von Strahlung

TU Bergakademie Freiberg | Vortragende: Hans Lesny, Julia Wünsche | Modellierung natürlicher Systeme | Kernenergie – für eine

strahlende Zukunft | 23.11.2017

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Gliederung

Grundlagen – Deutschland – Vorkommen – Sicherheit – Lagerung – Strahlung

• Natur-Uran besteht aus

folgenden Isotopen:

U-238 99,2738 %

U-235 0,7205 %

U-234 0,0056 %

• Thorium



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Grundlagen Kernspaltung


Aufteilung der bei der Kernspaltung freigesetzten Energie:

Kinetische Energie der Spaltprodukte: 168 MeV

Kinetische Energie derSpaltneutronen: 5 MeV

Prompte Gamma-Strahlung: 5 MeV

β-Strahlung der Spaltprodukte: 7 MeV

γ-Strahlung der Spaltprodukte: 7 MeV

Neutrino-Energie: 10 MeV

(nicht nutzbar)

___________________________

SUMME: 202 MeV



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Neutronenspektrum: thermisch schnell

Kühlmittel: Leichtwasser (H2O)

Druckwasserreaktor (PWR)

Siedewasserreaktor (BWR)

Druckröhrenreaktor

(RBMK)

Flüssigmetall (Na, K,

Pb)

Brüter (FBR)

Schwerwasser (D2O)

CANDU

Gas (CO2, He)

Magnox, AGR, HTR

Gas (He)

Brüter (GCFBR)

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Kernreaktorarten



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Druckwasserreaktor



Wasser (Reaktorkreislauf)Dampf

Wasser (Kondensatorkühlung)




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Standorte in Deutschland

Gundremmingen B (KRB II B) - Bayern

Typ : SWR Bruttoleistung: 1344 MW

Inbetriebnahme 1984

Philippsburg 2 (KKP 2) - Baden-Württemberg

Typ : DWR Bruttoleistung: 1458 MW

Inbetriebnahme 1985

Grohnde (KWG) - Niedersachsen


Inbetriebnahme: 1985

Gundremmingen, Block C (KRB II C) - Bayern

Typ : SWR Bruttoleistung: 1344 MW

Inbetriebnahme 1985

Brokdorf (KBR) - Schleswig-Holstein


Inbetriebnahme 1986

Isar 2 (KKI 2) - Bayern


Inbetriebnahme 1988

Emsland (KKE) - Niedersachsen


Inbetriebnahme 1988

Neckarwestheim 2 (GKN 2) - Baden-Württemberg


Inbetriebnahme 1989




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Anteil Kernenergie am deutschen Strom

23%

13%

17%12%

30%

5%

Energiemix Deutschland 2016

Braunkohle

Kernenergie

Steinkohle

Erdgas

Erneuerbare Energien

andere

26%

18%

18%

14%

20%

5%

Energiemix Deutschland 2011

Braunkohle

Kernenergie

Steinkohle

Erdgas

Erneuerbare Energien

andere


• Nominale Bruttonennleistung: 1350 - 1500 MW

• Höchste Bruttoleistung Dt. (2015): 11.304.000.000 kWh/a

(30.970.000 kWh/d)

• Im Vergleich:

Solarpark Groß-Dölln (212 ha) 120.000.000 kWh/a

(328.767 kWh/d)

Windpark Stößen (81 WKA) 41.000.000 kWh/a

(112.329 kWh/d)



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Wie viel Strom erzeugt ein KKW?


1 kg Öl 12 kWh [Wärmemenge]

1 kg Steinkohle 8 kWh [Wärmemenge]

1 kg U-235 2 x 107 kWh [Spaltung]

Bei Verstromung:

1 kg Natururan = 10.000 kg Erdöl = 14.000 kg Steinkohle =

45.000 kWh Strom



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Vergleich zu anderen Energieträgern


• Australien

• USA

• Kanada

• Kasachstan

• Niger

• …



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Vorkommen Uran


• Brasilien

• Türkei

• Indien

• Australien

• USA

• …



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Vorkommen Thorium


0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Steinkohle

Braunkohle

Erdöl

Erdgas

Uran

Zeit in a

Reserven Resourcen



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Reichweite von Energieträgern


• Hängt vom Uranpreis ab!

• ‚Teurere‘ Fördermöglichkeiten nicht beachtet

• Uranpreis nur 4 - 10 % Strompreis



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Uranreichweite erklärt

Förderkosten ( $/kg)

Vorräte (106 t) Reichweite (a) bei 68.000 t/a

Reserven < 80 4,6 67

Reserven + Ressourcen < 130 11,3 166

Phosphaterze 60 - 100 22 490

Meerwasser 300 > 4.000 > 10.000

• Wiederaufbereitung Brennstäbe (Plutonium) 30 % länger

• U-238 in schnellen Brüter Verlängerung auf bis zu 600.000 a


• Oberstes Ziel: Einschluss der entstehenden Radioaktivität

• Barriere-Konzept

• Sicheres Abschalten

des Reaktors

• Abfuhr der

Nachzerfallswärme



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Sicherheitskonzept




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4 Generationen von KKW‘s

1. Generation

2. Generation3. Generation

Einsatz für nahe

Zukunft

ShippingPort

Magnox

Kahl

LWR-DWR, SWR

CANDU I

WWER, RBMK

EPR, ABWR

System 80+, AP600

SWR-1000 / KERENA

Generation I Generation II Generation III Generation III+ Generat. IV

Magnox LWR-DWR

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

3+ Generation

Geringes Kapitalrisiko

kurze Genehmigung

Fehlerverzeihende

Technik

Minimierung des

radioaktiven Abfalls

Proliferationsresistent


• Baustart: 12.08.2005

• Bisherige Kosten: 8,5 Mrd €

• Fertigstellung: Mai 2019 (geplant 2011)



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KKW Olkiluoto (Finnland)(European Pressurized cooled water Reactor)

• Bruttoleistung: 1750 MW

• Lebensdauer: 60 a


• Diversitäre Ersatzfunktionen für Sicherheitssysteme

• Verbessertes Gebäudekonzept zur räumlichen Trennung von

Systemen

4 strangiges Konzept

• ‚Warten-Konzept‘

• Verbesserte Prozessüberwachung

durch digitale Leit- und

Regeltechnik

• Doppelwandige Außenhülle



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Sicherheitskonzept


KKW Flameville (Frankreich):

• Baubeginn: 3. Dezember 2007

• Bisherige Kosten: 10,5 Mrd €

• Inbetriebnahme: Herbst 2018 (geplant 2012)

KKW Taishan (China):

• 2 Reaktorblöcke

• Baubeginn: 8. Oktober 2009 ;15. April 2010

• Gesamtkosten: 8 Mrd €

• Inbetriebnahme 1: 2. Hälfte 2017 (März 2016 Testphasenbeginn)

• Inbetriebnahme 2: 2018



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Weitere geplant EPR‘s


• Hochtemperaturreaktor

• Kugelhaufenreaktor

• Wanderwellenreaktor

• SMR (Small and Medium sized Reactors)

• Salzschmelzreaktor

• Schnelle Brutreaktoren (Gas-, Blei-, Natriumgekühlt)

• Reaktoren mit überkritischem Wasser



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Andere KKW-Konzepte


• Unbehandelt: 170.000 a

• Abtrennung und Umwandlung von

99,99 % Pu und U

(Wiederverwendung als Brennstoff):

16.000 a

• Abtrennung und Umwandlung von

99,99 % Pu, U und Minor Actinoide:

330 a



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Abklingzeiten


~ ist ein vorübergehender Aufbewahrungsort für abgebrannte

Brennelemente und/oder radioaktive Abfälle.

• Aufbewahrung, bis die Nachzerfallswärme so weit abgeklungen ist,

dass die Brennelemente in ein Endlager gebracht werden könnten.

• 2 Typen:

Nasslager: Brennelemente in einem Wasserbecken

Trockenlager: Brennelemente in Transportbehältern (Castor-

Typ) und durch Umluft gekühlt



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Zwischenlagerung


• Transportbehälterlager Gorleben

Zwischenlager für hochradioaktiven Abfall

Aktuell 113 Behälter

• Transportbehälterlager Ahaus

Zwischenlager für stark und schwach strahlenden

radioaktiven Abfall

Aktuell 329 CASTOR-Behälter

• Transportbehälterlager Nord bei Lubmin

Zwischenlager für schwach-, mittel- und hochradioaktivem

Abfall

Aktuell 74 CASTOR-Behälter



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Zwischenlagerung


• Konzepte:

Schutzziel

Einlagerung in tiefe

geologische

Formationen

Rückholbare

Endlagerung



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Endlagerort

~ ist ein Lagerort für eine sichere, zeitlich unbeschränkte und wartungsfreie

Aufbewahrung von Schadstoffen.


• 2011 Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie zur

Energiegewinnung

• 2013 Standortauswahlgesetz verabschiedet

erstmals eine Grundlage für ein offenes, transparentes und

wissenschaftsbasiertes Suchverfahren in Deutschland

• 2016 soll die Arbeit der Kommission „Lagerung hoch radioaktiver

Abfallstoffe“ (umgangssprachlich Endlagerkommission), die der

Standortsuche vorangestellt ist, abgeschlossen sein.

• 2023 soll die Entscheidung für untertägig zu erkundende Standorte

gefällt werden.

• 2031 ist die endgültige Standortentscheidung geplant.



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Schacht Konrad

• stillgelegtes Eisenerz-Bergwerk

• wird für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer

Wärmeentwicklung umgerüstet

• 2007 nach Atomrecht als erstes Endlager Deutschlands genehmigt

• bis zu 303.000 Kubikmeter radioaktive Abfälle

Salzstock Gorleben

• altes Salzbergwerk

• auf seine Eignung zur Endlagerung von wärmeentwickelnden,

hochradioaktiven Abfällen untersucht

• Juli 2013 wurde die Erkundung Gorlebens vorerst für beendet erklärt



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Mögliche Endlagerorte


Morsleben

• altes Kali- und Steinsalzbergwerk

• Zwischen 1971 und 1991 sowie von 1994 bis 1998 wurden 36.754

Kubikmeter schwach- und mittelradioaktive Abfälle end- und in

geringen Mengen zwischengelagert.

Schachtanlage Asse

• ehemaliges Salzbergwerk

• Von 1967 bis 1978 wurden rund 47.000 Kubikmeter schwach- und

mittelradioaktive Abfälle eingelagert.

• Nach heutigem Kenntnisstand kann die Langzeitsicherheit der

Anlage nur durch die Rückholung der radioaktiven Abfälle

gewährleistet werden. Die Rückholung ist seit 2013 gesetzlicher

Auftrag.



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Exkurs: Folgen von Strahlung



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Belastungsquelle Belastung

in mSv/a

Kosmische Strahlung 0,3

Kosmogene Nuklide 0,015

Primordiale Nuklide 2,12

Medizin (incl. Röntgen) 1,5

Kernspaltung 0,016

Sonstige 0,061

Gesamt 4,0



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Jährliche Strahlenbelastung in Deutschland


Dosis [mS] Grund

0,01 Rechnerisch ermittelte

Größenordnung der jährlichen

Höchstdosis der Bevölkerung in

Deutschland durch

Kernkraftwerke im Normalbetrieb

0,01 – 0,03 Typischer Dosisbereich bei einer

Röntgenaufnahme des Brustkorbs

(Thorax)

10 - 20 Typischer Dosisbereich für eine

Ganzkörper-

Computertomographie eines

Erwachsenen



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Verschiedene Dosiswerte


• Dosisgrenzen in Strahlenschutzverordnung und Röntgenverordung

• Grenzwerte zeigen ab wann Wahrscheinlichkeit für Auftreten

gesundheitlicher Schäden über akzeptablem Wert liegt

• Dosisgrenzen allgemeine Bevölkerung

Zusätzliche Strahlenexposition: 1 mS/a

Abluft Abwasser: 0,3 mS/a

Medizinische Strahlenbelastung nicht mit einbezogen

• Beruflich Strahlenexponierte Personen:

20 mS/a

100 mS in 5 aufeinanderfolgenden Jahren

Berufslebensdosis: 400 mS



31

Dosisgrenzen




32

Mittlere Jahresdosen für gefährdete Berufsgruppen


• Zwei Arten von Strahlenschäden

Deterministische: akut, treten durch hohe Dosen radioaktiver Strahlung in folge direkter Exposition auf

z.B: 100 mS Unterer Schätzwert des Schwellenwerts für Schädigungen des Ungeborenen

1000 mS Bei akuter Exposition treten ab diesem Schwellenwert akute Strahleneffekte auf (zum Beispiel Übelkeit, Erbrechen)

3000 – 4000 mS Ohne medizinische Eingreifen sterben bei dieser Dosis 50 Prozent der exponierten Personen nach 3-6 Wochen, wenn es sich um eine in kurzer Zeit erfahrene Strahlenbelastung handelte (LD50)

Stochastische: strahlenbedingte Krebserkrankungen und Leukämie



33

Strahlenschäden/Spätfolgen




34

DNA Schäden durch Strahlung

• DNA-Schäden durch

Stoffwechsel: 106 pro

Tag

• DNA-Schäden

1 mS/a : 0,005 pro Tag

• Strahlungsschäden mehr

Doppelstrangbrüche

• Erfolg Reparatur bei

Strahlungsschäden um Faktor 20

geringer




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Wichtigste Krebsursachen


• Frage Stellungen:

Treten Krebserkrankungen bei Kindern unter fünf Jahren in der Umgebung von Kernkraftwerken häufiger auf?

Nimmt das Risiko mit der Nähe zum Standort von Kernkraftwerken zu (negativer Abstandstrend)?

Gibt es gegebenenfalls Einflussfaktoren, die das gefundene Ergebnis erklären können?

• Untersuchter Zeitraum: 1980 bis 2003

• Teil 1: Fall-Kontroll-Studie ohne Befragung

• Teil 2: Fall-Kontroll-Studie mit Befragung

Bereitschaft an Befragung zu anderen möglichen Ursachen, nahm ab, je näher an KKW gefragt wurde



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KiKK Studie zur Krebserkrankung von Kleinkindern in KKW-Umgebung


• Ergebnis:

37 Leukämie Fälle im 5 km Radius um KKW‘s

Bundesdurchschnitt: 17

Strahlendosis kann nach heutigen wissenschaftlichen

Kenntnissen nicht allein verantwortlich sein

Fazit: Zusammenspiel von Ursachen, Strahlung eine davon

• Anschließende Studien in anderen Ländern nicht so aussagekräftig

• Bekannte Leukämie Cluster in nicht KKW Umgebung



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Anteil Kernenergie Deutschland 2016: 13 %

Höchste Bruttoleistung (1 KKW) 2015: 11.304.000.000 kWh/a

30.970.000 kWh/d

Kosten Neubau : 8 – 11 Mrd €

Dauer Neubau: 8 – 14 a

Lebensdauer: 60 a



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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

• Skript Grundlagen der Kernkraftwerkstechnik SS 2017

• http://www.bmub.bund.de/themen/atomenergie-strahlenschutz/nukleare-sicherheit/aufsicht-ueber-kernkraftwerke/kernkraftwerke-in-deutschland/

• https://www.stromauskunft.de/strompreise/strommix-in-deutschland/

• http://www.kernfragen.de/sites/default/files/media/publication/file/621kernenergie-in-zahlen2016.pdf

• https://www.welt.de/wirtschaft/article118651329/Gigantisches-Solarkraftwerk-versorgt-Berlin.html

• https://de.wikipedia.org/wiki/Windpark_St%C3%B6%C3%9Fen-Teuchern

• https://de.statista.com/statistik/daten/studie/152334/umfrage/statische-reichweite-von-ressourcen/

• https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Flamanville#Erweiternder_Neubau_eines_Europ.C3.A4ischen_Druckwasserreaktors_.28EPR.29

• https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Hinkley_Point#Hinkley_Point_C

• https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Taishan

• https://www.bge.de/de/morsleben/kurzinformationen/

• http://www.bfe.bund.de/DE/ne/endlager/einfuehrung/einfuehrung.html

• http://www.endlagerung.de/language=de/6415/gorleben

• https://www.energie-lexikon.info/kernreaktor.html

• Skript Strahlenwirkungen SS 2017

• https://www.bfs.de/DE/themen/ion/strahlenschutz/grenzwerte/grenzwerte.html

• https://www.bfs.de/DE/themen/ion/strahlenschutz/grenzwerte/grenzwerte.html

• https://www.bfs.de/DE/bfs/wissenschaft-forschung/ergebnisse/kikk/kikk-studie.html



39

Literaturquellen

• http://cdn2.spiegel.de/images/image-89739-640_panofree-feli-89739.jpg

• https://data.motor-talk.de/data/galleries/0/48/8025/12126497/203148137-w250-h250.jpg

• http://www.ndr.de/fernsehen/comic234_v-contentxl.jpg

• https://web-docs.gsi.de/~wolle/Schuelerlabor/IMAGES/u238-decay.gif

• Skript Grundlagen der Kernkraftwerkstechnik SS 2017

• http://www.bmub.bund.de/themen/atomenergie-strahlenschutz/nukleare-sicherheit/aufsicht-ueber-kernkraftwerke/kernkraftwerke-in-deutschland/

• http://www.nuklearforum.ch/de/aktuell/e-bulletin/red-book-2014-uranbedarf-waechst-trotz-fukushima

• http://www.spektrum.de/fm/912/thumbnails/thoriumvorr%C3%A4te.jpg.1250035.jpg

• http://slideplayer.org/slide/11979837/68/images/32/Barrierenkonzept+bei+modernen+Leichtwasserreaktoren.jpg

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5a/EPR_OLK3_TVO_fotomont_2_Vogelperspektive.jpg

• https://www.euronuclear.org/e-news/images/epr-olki-3-5.jpg

• http://ixtract.de/new/wp-content/uploads/2013/08/0201_IXT_WEB_Alternative_Nuclear_Power_Plant_Portfolio_fu.jpg

• http://www.medicalradiation.com/wp-content/uploads/kreisdiagramm.jpg

• https://www.bfs.de/SharedDocs/Bilder/BfS/DE/ion/strahlenschutz/beruf-jahresdosis-mittel.jpg?__blob=poster&v=5

• https://www.bfs.de/SharedDocs/Bilder/BfS/DE/ion/strahlenschutz/beruf-jahresdosis-haeufigkeitsverteilung.jpg?__blob=poster&v=6

• http://www.energie-fakten.de/assets/images/autogen/a_strahlung_abb.gif

• https://www.emf.ethz.ch/emf-info/themen/gesundheit/krebs/



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Bildquellen

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