Kernenergie - Kernspaltung 1 - TU Freiberg
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Kernenergie - Kernspaltung [1] [2] [1] [1] https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Isar (Stand: 10.12.18) [2] https://www.kernenergie.ch/de/brennstoffkreislauf-_content---1--1259--364.html (Stand: 10.12.18)
Wie war das mit dem Atomausstieg?
Atomkraftwerke in Deutschland [2]
Abschaltung der noch betriebenen Reaktoren gemäß Atomgesetz (AtG)
• 28. Oktober 2010 Laufzeitverlängerung
Schleswig-Holstein
Brokdorf
für KKWs beschlossen
Ende 2021
Hamburg
Mecklenburg-Vorpommern
• 30. Juni 2011 Beschluss zur
13. Gesetz zur Änderung des AtG
Bremen
Niedersachsen
Berlin
• 06. August 2011 Ende der Betriebserlaubnis
Emsland
Ende 2022
Grohnde Brandenburg
Ende 2021
Nordrhein-Westfalen
Sachsen-Anhalt
von 8 KKWs
Thüringen
KKW Grafenrheinfeld und
Sachsen
Hessen
Rheinland-Pfalz
Philippsburg 2
Gundremmingen B bereits 2015 bzw. 2017 abgeschaltet
Ende 2019 Bayern
Saarland
• aktuell noch 7 KKWs im Betrieb
Neckarwestheim 2
Ende 2022 Isar 2
Baden-Württemberg Ende 2022
Gundremmingen C
Ende 2021 • Laufzeit noch bis 2019/2021
• Die drei jüngsten KKWs laufen noch bis 2022
2
© BMU 2018 [2] https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Fukushima_Daiichi (Stand: 10.12.18)
Aktuelle Situation in der BRD
=126 kWh/p/d
=7.73 kWh/p/d
3
[1] https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34 (Stand: 03.12.18)
Aktuelle Situation in der BRD
= 22 kWh/p/d
installierte KKW Leistung: netto 10.8 GWe
= 2.5 kWh/p/d
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[1] https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34 (Stand: 03.12.18)
Wie gewinnt man Kernenergie?
[1]
angereich. Natururan:
~ 3,3 % U-235
Natururan:
99,2738 % U-238
0,7205 % U-235
5
[1] NUCLEAR ENERGY DATA/DONNÉES SUR L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2017,
NEA No. 7365, © OECD 2017
Wie gewinnt man Kernenergie?
[1]
6
[1] Prof. Lippmann, Vorlesungsskript Grundlagen der Kernkraftwerkstechnik, 2018
Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen
Energieäquivalent:[2]
10.000 t Erdöl = 1 t Natururan
= 170 kg angereich. Uran
Brennstäbe im Reaktor: [2]
3.000 MWth
222 W/Pellet, 18.000 h im Reaktor
-> 4.000 kWh/Pellet
modernes Einfamilienhaus:
120 kWh/m2a
130 m2 -> 15.600 kWh/a
4 Pellets/a
[1]
7
[1] http://xkcd.com/1162/ (Stand: 03.12.18) [2] Prof. Lippmann, Vorlesungsskript Grundlagen der Kernkraftwerkstechnik, 2018
Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen
[1]
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[1] https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34 (Stand: 03.12.18)
Kernenergie
kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen
Treibhausgasemissionen
Braunkohle
(Life Cycle)
Steinkohle
Treibhausgasemissionen (CO 2 -Äquivalente)
Erdöl
1250 Erdgas
1231
in Gramm pro Kilowattstunde an der
Gaskombi
1078
1000
Photovoltaik
885
Niederspannungssteckdose
750
Wind
684
500
Kernenergie
452
250
Wasserkraft
77
24 24 14 7
0 KVA
Quelle: PSI/ESU Services 2012
9
Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen
[1]
10
[1] VGB Powertech, Levelised Cost of Electrisity, Issue 2015Reichweite der Kernenergie
[1] [1]
11
[1] NUCLEAR ENERGY DATA/DONNÉES SUR L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2017, NEA No. 7365, © OECD 2017Reichweite der Kernenergie
[1]
weltweit:
5718E3 tU
tU
= 114 a
50127 a
bei unter 130 $/kg U
weltweit: 48.167.476 tU [2] ohne Preisangabe
11.576 ktU [3] bei unter 80 $/kg U
[1] NUCLEAR ENERGY DATA/DONNÉES SUR L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2017, NEA No. 7365, © OECD 2017
12
[2] https://infcis.iaea.org/UDEPO/Statistics/ResourceByCountryAndType (Stand: 09.12.18)
[3] BGR Energiestudie, Daten und Entwicklung der deutschen und globalen Energieversorgung, 2017Reichweite der Kernenergie Deutschland: • Abbau in der DDR von 1946 bis 1990 durch Wismut SAG (216.300 tU) • Ressourcen 399.074 tU [1] keine Preisangabe • Ressourcen 7.000 tU [2] bei unter 80 $/kg U Problem in Deutschland: • vorrangige Nutzung von Druckwasser- und Siedewasserreaktoren • keine Aufbereitung der Brennelemente (seit 2005 Ausfuhr von Brennelementen verboten) • keine laufenden Brüter • Abbau von Uran (vermutlich) politisch nicht verfügbar [1] https://infcis.iaea.org/UDEPO/Statistics/ResourceByCountryAndType (Stand: 09.12.18) 13 [2] BGR Energiestudie, Daten und Entwicklung der deutschen und globalen Energieversorgung, 2017
Wiederaufbereitung von abgebrannten Brennelementen
PUREX: [1]
• Flüssig-Flüssig-Extraktion
• Trennt U, Pu, Minore Actinoide
• Auflösen durch HNO3
• Extraktion durch Tri-n-butylphosphat
• Aufreinigung u.a. Elektrolyse
• Viele Weiterentwicklungen
Transmutation: Umwandlung von stark
strahlenden Elemente durch
Kernreaktion
14
[1] A. Ramanujam, An introduction to Purex Process, IANCAS Bulletin, 1997Geht nur Strom?
Wasserstoff-Produktion: Prozess- und Heizwärme:
• erfordert HTGR (T = 900 °C) • kann durch SMR bereitgestellt werden
• Iod-Schwefel-Prozess ( η = 0.55) • Bsp. Slowpoke Kanada, Polytechnique Montreal
(20 kWth) [2]
[1] • NHR200-II niedrig Temperatur Reaktor(China)[3]
• 200 MWth, 135°C Wassertemperatur
• Umkreis von 35 km
• Auch Einsatz zur Meerwasserentsalzung
[3] Z. Wengxiang et al., NHR-200 Nuclear Energy and ist possible Applications,
Progress in Nuclear Energy, 1995
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[1] M. Yamasaki et al., Environmentally freindly production of Hydrogen, Japan Atomic Research Institut
[2] http://teachnuclear.ca/all-things-nuclear/canadas-nuclear-history/nuclear-research/slowpoke-reactors/Sicherheit von Kernreaktoren
[1]
Lösung:
• Gen. 3+ oder 4 Reaktoren (inherent sicher)
• SMR bergen geringeres Risiko und sparen hohe
Sicherheitsinvestitionen
• Transparente Stresstests durch EU Kommission
• Hohe Investitionen in Sicherheitsmaßnahmen
• Tschernobyl und Fukushima GAU waren menschliche Fehler
• Stresstest durch EU für europäische KKWs ergab, dass kein KKW aus technischen Gründen
abgeschaltet werden muss [2]
[1] http://www.spiegel.de/thema/tschernobyl/ (Stand: 12.12.18)
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[2] Europäische Kommission, über die umfassenden Risiko- und Sicherheitsbewertungen („Stresstests“) von Kernkraftwerken in der Europäischen
Union und damit verbundene Tätigkeiten, Brüssel, COM(2012) 517 final,2012Radioaktivität und KKWs • Natürliche Strahlung 2,2 mSv/a • Nähe von Kerntechnische Anlagen < 0,01 mSv/a • Erhöhung des Krebsrisikos ab 200 mSv • Tödliche Einmaldosis 5000 mSv • 20 Zigaretten/d → 8,8 mSv/a
Vorbehalte und Lösungen
• Sicherheit
• Ökonomische Unabhängigkeit
• Endlagerung
• SMR und 3+ bzw. 4 Reaktoren • Strahlenbelastung
• Uran ist geopolitisch neutral + großes Potential
• PUREX und Transmutation verkürzen Lagerzeit aufKernfusion - Zukunftsmusik?
Voraussetzung • Massenunterschied zw. Fusionsprodukt und Edukt • Energie wird nach E=Δmc2 frei • Reaktion 2 leichter Kerne • Ausreichender Wirkungsquerschnitt • Thermonukleare Bedingungen
DT-Reaktion • Reaktion von Deuterium und Tritium • „Reaktion der Zukunft“ zur Energiegewinnung • Keine nat. Verfügbarkeit des Tritiums (HWZ 12Jahre)-> Brüten von Lithium • Deuterium aus Elektrolyse oder 10^13 t im Weltmeer • Thermische Energie 1g Gemisch = 12,3 t SKE
Weitere Reaktionen
Übersicht Reaktionen
• Alle mit Nachteil ggü. DT-Reaktion
• Stichworte:
− Energiegewinn
− Verfügbarkeit
− Reaktionsbe-dingungenTechnisches Prinzip • Selbsterhaltendes Plasma • Erfüllung des Lawson-Kriteriums • Einschließen des Plasmas im ~10T Magnetfeld • Energieerzeugung durch Wärmetauscher / Turbine • 2 mögliche Bauarten
Stellarator
Bild Realität
TheorieKernfusion TOKAMAK
ITER/ Ausblick 2005 Entscheidung, das Projekt in Frankreich zu platzieren 2007 Formale Gründung der ITER-Organisation 2014-2021 Bau des Tokamak-Gebäudes 2018-2025 Montagephase 2025 Erstes Plasma 2035 Deuterium-Tritium Betrieb beginnt Ab 2050 Kommerzielle Nutzung?!
Kernfusion
Quellen
- https://www.iter.org/proj/inafewlines
- Vorlesungsskript Grundlagen der Kernkraftwerkstechnik Prof.Lippmann
- https://www.planet-wissen.de/technik/atomkraft/grundlagen_der_atomkraft/
pwiekernfusionenergiederzukunft100.html
- H.-St. Bosch, A. Bradshaw: Kernfusion als Energiequelle der Zukunft. In: Physikalische Blätter 2001,
57(11), S. 55–60.
- Jeffrey P. Freidberg: Plasma Physics And Fusion Energy. 2007, S. 16f.
- https://www.kkg.ch/de/i/radioaktivitaet-_content---1--1258.htmlElektromobilität? • KKW ISAR 2 Stromherstellung (2016): 12 TWh • 49 Mio. Fahrzeuge verbrauchen 2492 PJ = 692 TWh Kraftstoff • 1 Mio. PKW verbrauchen 53 PJ = 15 TWh Kraftstoff • E-Motor 3 mal effizienter → 5 TWh Verbrauch • 1 KKW für 2 Mio. Elektroautos • Vergleich des Flächenbedarfs:
Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!
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