Fysische mechanismen in de kernenergie Woudschotenconferentie Noordwijkerhout 16

Fysische mechanismen in de kernenergie Woudschotenconferentie Noordwijkerhout 16 -17 december 2005 A. van Heek

Olkiluoto 3, Finland Start bouw 2004 Borssele Start bouw 1969 Kernenergie-controverse: Is het wel veilig? ?

1. Domino-effect * Kernsplijting * Domino-effect

2. Energiedichtheid * Splijting van 1 gram uranium levert evenveel energie als het verbranden van 2500 liter benzine of 3000 kilogram kolen.

3. de vernietigingskracht van De Bom

Beeld krappe stabiliteit: een zeer krachtige maar moeilijk in de hand te houden reactie

Fysische verschijnselen in de kernenergie * De natuur komt ons te hulp bij – Regelbaarheid – Natuurlijke veiligheid van kernreactoren

Kernsplijting

Nakomende neutronen * Het grootste deel van de splijtingsneutronen komt direct (prompt) vrij bij de splijting * = prompte neutronen * Komen vrij binnen 10– 14 s * Een zeer kleine fractie β wordt pas enige tijd daarna door bepaalde splijtingsproducten uitgezonden. * = nakomende neutronen * voor 235 U ongeveer 7 op 1000

Herkomst nakomende neutronen

Regeling * Hoe reageert een kernreactor op regeling? Hiervoor twee begrippen invoeren: – Neutronenleeftijd – Reactiviteit

Neutronenleeftijd * De gemiddelde leeftijd l van een vrij neutron is de tijd die verloopt tussen zijn vrijmaking en zijn verdwijnen uit het reactorsysteem, hetzij door invangst, hetzij door weglekken.

Reactiviteit * Reactiviteit = relatieve netto neutronenproductie:

Positieve reactiviteit toevoeren * aantal neutronen stijgt exponentieel * Proportioneel hiermee stijgt het vermogen: * Hoe snel stijgt de exponent? * Ofwel: wat wordt de reactorperiode?

Rekenvoorbeeld regelbaarheid (1) * ρ = 0, 001 = 0, 1% * l = 0, 0005 s = 5 10 -4 s * * * * dan is: Te = l / ρ = 0, 5 s Dit betekent dat: na 0, 5 s: t / Te = 1 en n = n 0 e 1 2, 7 n 0; na 1 s: t / Te = 2 en n = n 0 e 2 7, 4 n 0; na 2 s: t / Te = 4 en n = n 0 e 4 54, 8 n 0 Regeling wordt onmogelijk!

Rekenvoorbeeld regelbaarheid (2) * gemiddelde emissietijd tm : tijd dat de nakomende neutronen na de splijting vrijkomen * erg lang: 13 s voor 235 U * Wat doet dit met de neutronenleeftijd l* voor een gehele generatie neutronen? * Een generatie splijtingsneutronen (totaal aantal: n 0) bestaat uit: – (1 - β) n 0 prompte neutronen – β n 0 nakomende neutronen

Rekenvoorbeeld regelbaarheid (3) * ρ = 0, 001 = 0, 1% * l = 0, 0005 s = 5 10 -4 s * dan is: * Te = l* / ρ = 85 s Regeling wordt praktisch mogelijk!

Natuurlijk veilige terugkoppeling als temperatuur Tf h a reactiviteit ri

Werkzame doorsnedes voor splijting en neutronenvangst

Splijtstoftemperatuureffect (1) * Indien splijtstoftemperatuur stijgt, dan meer neutronenabsorptie in 238 U 2 104 1 104 0 6, 4 6, 7 7, 0 e. V

Splijtstoftemperatuureffect (2) * Te beschrijven met splijtstoftemperatuurcoëfficiënt * Voor reactoren zoals die van Borssele: αD ‑ 4 10 -4 /K * Dus als Tf h (b. v. door koelwaterlek) a r<0: kettingreactie stopt!

Inherente veiligheid optimaliseren in reactorontwerp

Werking kerncentrale met drukwaterreactor (PWR)

Hoofdcomponenten PWR

PWR Hoofdcomponenten met veiligheidssystemen

Inherente veiligheid (1) * Veiligheidssystemen overbodig maken door: – lage vermogensdichtheid, – materialen met hoge warmtecapaciteit, – kleine eenheden

Inherente veiligheid (2) * Per eenheid: 160 MWe i. p. v. 1600 MWe * Als moderator grafiet i. p. v. water * Als splijtstofomhulling keramische coatings i. p. v. metallische huls * Dan splijtstof bestand tegen opwarming na totaal verlies warmteafvoer * Reactortype: Hoge-Temperatuur Reactor (HTR)

Inherente veiligheid (3)

Bolvormige splijtstofelementen

“Pebble bed” HTR reactorkern

HTR reactor met stoomgenerator Thermisch vermogen: 200 MWth Aantal splijtstofballen: 360. 000 Vermogen per splijtstofbal: 560 W/bal gemiddeld, 950 W/bal piek

HTR bouwprojecten Koeberg, Zuid-Afrika Rongcheng City, China

Experimentele test inherente veiligheid power control-rod position blower speed • Gemeten vermogen en temperatuurverloop na een volledig verlies van koeling met alle veiligheidssystemen overbrugd • Uitgevoerd in 1970 in AVR reactor, Jülich, Duitsland • Herhaald in 2004 in HTR-10 reactor, Beijing, China time / hours mid-core temperature

Resumé * Nakomende neutronen maken kernreactoren regelbaar * Temperatuureffect zorgt voor inherent veilige terugkoppeling * Hoge Temperatuur Reactor: inherente veiligheid geoptimaliseerd door keuze materialen en eenheidsgrootte

Reserve slides

Maar grafiet brandt toch?

Kweken natuurlijk uranium = 0, 7 % 235 U en 99, 3 % alleen 235 U is gemakkelijk splijtbaar 238 U splijtstof (Pu) kweken uit 238 U 100 x beter gebruik van de grondstof extra neutron benodigd

Afval wordt hergebruikbaar andere actiniden 6 kg afval plutonium 130 kg splijt- en kweekstof uranium 13000 kg getallen: jaarlijkse productie Borssele splijtingsproducten 450 kg