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Kernkraftwerke der Zukunft

Kernkraftwerke der Zukunft. Energiewirtschaft & Energiesysteme. Alper Yuksekbas Farhan Shedam 5 Mai. 2006. Inhaltsverzeichnis. Kapitel 1 - Kernkraftwerke 1.1 Definition der Kernenergie 1.2 Energieumwandlung in einem Kernkraftwerk 1.3 Kernreaktortypen

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Kernkraftwerke der Zukunft

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  1. Kernkraftwerke der Zukunft Energiewirtschaft & Energiesysteme • Alper Yuksekbas • Farhan Shedam • 5 Mai. 2006

  2. Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 - Kernkraftwerke 1.1 Definition der Kernenergie 1.2 Energieumwandlung in einem Kernkraftwerk 1.3 Kernreaktortypen Kapitel 2 - Endlagerung der Abfälle 2.1 Endlagerung der radioaktiven Abfälle 2.2 Sicherheit des Endlagers 2.3 Transmutation Kapitel 3 - Alternative Verwendugsbereiche der Kernenergie 3.1 Wasserstoffproduktion 3.2 Kernfusionreaktoren Kapitel 4 - Entwicklung der Kernenergie 4.1 Kernkraftwerkgenerationen 4.2 Wesentlische Unterschiede zwischen II und III Generationen 4.3 Technologie Generation IV Kapitel 5 - Zukunft der Kernenergie 5.1 Zukunft der Kernenergie in der We 5.2 Zukunft der Kerntechnik 5.3 Rolle der Kernenergie in der Energiewirtschaft 5.4 Szenerien über die Zukunft der Energiewirtschaft 5.5 Warum es keinen schnellen Ausstieg geben kann?

  3. Kapitel1 – Kernkraftwerke

  4. 1.1 Was ist Kernenergie? Die Kernenergie ist als die innere Bindungs- energie der Atomkerne definiert. Es gibt 2 Möglichkeiten um diese Energie zu gewinnen : • Durch Spaltung der schweren Kerne (Fission) • Durch Verschmelzung der leichten Kerne (Fusion)

  5. Der Spaltungsprozess (Fission) Durch den Stoß eines Neutrons spaltet sich der Atomkern in zwei Teile und dabei entstehen zwei oder drei Neutronen und Energie. *Quelle: kernenergie.de

  6. Beispiel für Kernspaltung an Uran *Quelle: kernenergie.de Nach jeder Spaltung des Urankernes-235 wird ein Energiebetrag von rund 210 MeV frei!

  7. 1.2 Energieumwandlung in einem Kernkraftwerk • Freisetzung der Kernbindungsenergie bei der Spaltung • Die Umwandlung dieser Energie in Bewegungsenergie der erzeugten Spaltprodukte. • Wärmeenergie durch das Abbremsen der Teilchen(Neutronen) im festen Kernbrennstoff • Nutzen der Wärmeenergie durch Erhitzen und Verdämpfen eines Kühlmittels(Wasser)

  8. Wasserdampf wird auf Turbinen geleitet Die Umwandlung der Bewegungsenergie der Turbinen in elektrische Energie über den Generator. Einspeisung der Elektrizität in das Verbundnetz. Die Abwärme muss entweder direkt(z.B.an einem Fluß) oder indirekt(z.B.über Kühltürme in die Luft) an die Umwelt abgegeben werden.

  9. Energieumwandlung bei einem Kernkraftwerk(SWR-Siedewasserreaktor) *Quelle: Paul Shearer Institut

  10. 1.3 Reaktortypen LWR (Leicht Wasser Reaktor) : Normales Wasser als Kühlmittel undModerator SWR (Siedewasserreaktor) DWR (Druckwasserreaktor) Schwerwasserreaktoren(CANDU): Schwerwasser(Deuteriumoxid) als Kühlstoff und Moderator Natriumgekühlte(Sodium) Brüterreaktoren(SNR): Schnelle Neutronen, ohne Moderator (in Japan und Russland) Hochtemperaturreaktoren(AGR): Gas als Kühlmittel und Grafit als Moderator Druckröhren-Siedewasserreaktoren(RMBK): Mit Wasser gekühlt und Grafit moderiert

  11. SNR CANDU AGR RBMK *Quelle: kernenergie-wissen.de

  12. Nutzungsdauer: mindestens 40 Jahren Brennstoff: Uran, Plutonium, Thorium Bei einem Kernbrennstoffbedarf von rund 20 Tonnen pro Jahr erzeugt ein typisches KKW 8 Milliarden kWh Strom Dafür müssten in einem modernen Kohlekraftwerk 2 Millionen Tonnen Steinkohle verfeuert werden!!

  13. Kraftwerke weltweit in Bau nach Reaktortypen * Stand31.12.2005

  14. Kraftwerke Weltweit *Quelle: kernenergie.de

  15. Kapitel 2 –Endlagerung der Abfälle

  16. 2.1 Die Endlagerung der hochaktiven Abfälle Es gibt dafür zwei Möglichkeiten: Chemische Aufbereitung der Brennelemente in einer Wiederaufbereitungsanlage. Dabei wird der verbrauchte Kernbrennstoff aufgearbeitet, die Spaltprodukte vom Uran und Plutonium abgetrennt. Das Plutonium kann mit neuem Uran zu so genanntem MOX-Kernbrennstoff (Uran-Plutonium-Misch-Oxid) verarbeitet und wieder in Kernreaktoren zur Stromerzeugung genutzt werden.

  17. Die zweite ist die direkte Endlagerung der Abgebrannten Brennelemente ohne vorherige Wiederaufarbeitung. Die Brennelemente in den Castor-Behältern werden dabei in standortnahen Zwischenlagern (Wasserbecken) etliche Jahre zum weiteren Abklingen der Radioaktivität gelagert. Als Endlager für den radioaktiven Abfall unter der Erde erscheinen Salz, Granit und Ton alsgrundsätzlich geeignet. 2.1 Die Endlagerung der hochaktiven Abfälle

  18. Zwischenlager schwach-/mittelaktive Abfälle (Schweiz) hochaktive Abfälle(Schweiz) *Quelle:www.hmi.de www.kernenergie.de

  19. 2.2 Sicherheit des Endlagers Die Beseitigung dieser Abfälle soll nicht nur für lösbar, sondern die Lösung auch vor allen künftigen Generationen für vertretbar gehalten werden. Zunächst ist festzustellen, daß der Einschluß in Glas und Edelstahl nach bisherigen Experimenten und Erfahrungen ausreicht, sicherzustellen, daß das eingeschlossene Material auch nach 10000 Jahren nicht in die Umwelt entweichen könnte; d.h. die Umhüllung hält der Strahlenbelastung durch das eingeschlossene Material stand. Damit ist eine erste Barriere geschaffen.

  20. 2.2 Sicherheit des Endlagers • Die zweite und wichtigste Barriere ist die Tieflagerung der Stahlbehälter in geeigneten Salzstöcken. • Salzstöcke haben 3 wichtige Eigenschaften, die sie für die Endlagerung hochaktiver Abfälle hervorragend geeignet erscheinen lassen: • Erstens hat Salz eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit • zweitens ist das Salz unter Druck und Hitze plastisch verformbar • und schließlich existieren solche Stöcke seit mehr als 100 Mill Jahren; das bedeutet, dass es langfristig stabile Gebilde sind, die in geologischen Zeiträumen nicht durch Grundwasser ausgelaugt worden sind

  21. Endlager in Granit (z.B.Schweden und Finnland) Endlager im Salz(z.B. In Deutshland) Langzeit Zwischenlagerung (>300 Jahre) *Quelle:www.hmi.de www.kernenergie.de

  22. 2.3 Transmutation In der Kerntechnik steht der Begriff Transmutation für ein Verfahren zurUmwandlung langlebiger, stark toxischer Radionuklide (Plutonium und andere Aktiniden) aus dem Betrieb von Kernkraftwerken in kurzlebigere, wenigertoxische Nuklide. *Quelle: wikipedia.com

  23. 2.3 Transmutation Das Interesse in Europa an der Technik der Transmutation ist groß. Frankreich,Italien und Spanien haben bereits vor vier Jahren eine Zusammenarbeit mit dem Langfristigen Ziel vereinbart, einen "Demonstrator" von ca. 100 MW Leistung zu bauen. Im Konzept von Professor Rubbia wird ein Teilchen „Beschleuniger“ mit einem Spaltreaktor Kombiniert (Accelerator Driven Transmutation Technology - ADDT)

  24. Kapitel 3 – Alternative Verwendugsbereiche der Kernenergie

  25. 3.1.1 Wasserstoffproduktion von Kernkraftwerken • Die Wachstum der Nachfrage nach Wasserstoff ist benutzt um schwer, hochSchwefel-Rohöl in Transportbrennstoff(Gasoline,Diesel, und Jet) umzuwandeln. • Quellen des hohen Schwefel-Rohöls werden erschöpft. • Deswegen,um die Transportkraftstoffe zu produzieren, ist es notwendig, schwere Rohöle zu verfeinern, die mehr Wasserstoff für Umwandlung erfordern. • Die Nachfrage nach saubereren Kraftstoffen erhöht auch die Nachfrage für Wasserstoff

  26. Wasserstoff kann durch Kernenergie durch thermo -chemische Wasseraufspalten produziert werden. Hohe Temperaturen werden für ökonomisch entwicklungsfähige Methoden der Wasserstoffproduktion angefordert. Thermochemische Produktion des Wasserstoffs erlegt einen Satzt technische Anforderungen dem Reaktor auf: Temperaturen zwischen 700 und 1000 grad C sind angefordert. Wärme muss vom Kernsystem in das chemische Werk umgewandelt werden.

  27. 3.1.2 Warum ist Wasserstoffproduktion wirtschaftlich wichtig? • Wasserstoff ist kein primärer Energieträger wie Kohle, Gas oder Öl, sondern er ist ein Sekundärenergieträger ebenso wie Elekrizität. • Er kann durch vielfältige Methoden hergestellt werden( z.B.über die nukleare Prozesskette).

  28. Es wird prognostiziert, dass bis 2030 die Versorgungsabhängigkeit der EU von Erdöl und Erdgas weiter zunehmen, und von heute c.a. 50% auf dann etwa 70% steigern wird. Regenerative Energien und Wasserstoff bieten die Chance, die Primärenenergie-basis heimischer Quellen zu verbreitern und damit diesem Trend der Versorgungs-abhängigkeit entgegenzuwirken.

  29. Iodine-Sulfur Prozess für die Wasserstoffproduktion

  30. 3.1.3 Welche Kernkraftwerke sind für die Wasserstoffproduktion verwendbar ? Es gibt drei Reaktorkonzepten,die mit Koppelung zu einer thermochemischen Wasserstoffproduktion kompetibel sind: • Hoch-Temperatur Gas-Gekühlt Reaktor(HTGR) • Advanced Hoch-Temperatur Reaktor(AHTR) • Blei-Gekühlt Schnell Reaktor

  31. Wenn eine ökonomische externe Quelle des Wasserstoffes vorhanden wäre: könnten erheblich mehr Transportkraftstoffe pro Barrel Rohöl erzeugt werden. würde die erhöhte Koppelung derTransportkraftstoffpreise zu steigenden Erdgaspreisen gestoppt würden die Chemikalie-und Raffinerieindustrie mehr konkurrierend werden. würden die Freisetzung von Treibhausgasen verringert. 3.1.4 Vorteile der Wasserstoff- produktion

  32. Nach diesen Vorteilen ist es klar, dass Wasserstoff einen potentiellen Markt für die Kernkraftwerken kann und die zukünftige Kernkraftwerken darauf berücksichtigen werden. Wenn die technische und ökonomische Aufgaben behoben werden können,wird die erwartete Wachstum der Nachfrage des Wasserstoffs viele kurzfristige Applikationen für die Kernkraft verursachen.

  33. 3.2.1 Kernfusion • Kernfusion bezeichnet eine Kernreaktion, bei der zwei Atomkerne zu einem schwereren Kern verschmelzen. • Grundsätzlich kann diese Reaktion exotherm oder endotherm sein. • Energie wird in Form von kinetischer Energie der Reaktionsprodukte und in Form von Strahlungsenergie frei.

  34. Fusionreaktion *Quelle: www.physicsweb.org

  35. 3.2.2 Kernfusionreaktoren • An Kernfusionsreaktoren wird seit etwa 1960 intensiv geforscht. • Die grundlegenden nuklearen Reaktionen und deren Potenzial zur Energiefreisetzung sind durch die Entwicklung der Wasserstoffbombe bestens bekannt, jedoch verläuft dort die Reaktion unkontrolliert. • Die erste kontrollierte Kernfusion gelang 1970 mit Tokamak 3 in der Sowjetunion.

  36. 3.2.2 Kernfusionreaktoren • Der erste Versuchsreaktor, der mehr Energie erzeugen soll, ist der ITER, dessen Planungsphase kürzlich abgeschlossen wurde. • Die Europäische Union, die USA, Japan, die Volksrepublik China, Russland, Indien und Südkorea gaben am 28. Juni 2005 nach langen Verhandlungen den Startschuß für den Bau dieser Versuchsanlage. • Sie soll in Cadarache in Südfrankreich mit Kosten von insgesamt 9,6 Milliarden Euro aufgebaut und 20 Jahre lang betrieben werden.

  37. Kapitel 4 – Entwicklung der Kernenergie

  38. 4.1 Die Generationen der Kernkraftwerken Die Beschreibung der Entwicklung der KKW über drei Generationen dient der Standpunktbestimmung, um die Auslegung der neuen KKW zu begründen. Die KKW-Entwicklung laßt sich in drei Abschnitten durch eine jeweils vorrangig gelöste Aufgabe charakterisieren. • 1.Generation sind KKW , mit denen die Reaktivität beherrscht werden konnte • 2.Generation sind KKW , deren Wirtschaftlichkeit entwickelt und erreicht wurde • 3.Generation sind KKW , die inhärent sicher arbeiten / ausgelegt sind

  39. Die Entwicklung der Kernenergie

  40. KKW der GenerationI Das Ziel war die Gewinnung der Elektroenergie aus der Atomkernenergie. KKW der Generation II Die 2. KKW-Generation besteht heute. Die evolutionäre Entwicklung der KKW der 2. Generation besagt : • Die Sicherheit der in Betrieb befindlichen LWR bei Eintritt eines Störfalles ist davon abhängig, dass Sicherheitseinrichtungen, wie Notkühlung über Pumpen mit den Notstromerzeugungsanlagen richtig angeregt, gesteuert und betrieben werden. • Aktive Eingriffe sind notwendig, bei denen es Probleme geben kann und gegeben hat. Verbesserung der Sicherheit erfolgte schrittweise durch Erfahrungen.

  41. *Quelle: Paul Shearer Institute

  42. KKW der Generation III • Als neue KKW, die inhärent sicher sind, kostengünstig arbeiten und sich ökologisch vertreten lassen, werden die KKW der 3. Generation betrachtet (sichtbarer Entwicklungssprung = neue Qualität) • "Inhärent" sicher zu sein, bedeutet, daß bei Eintritt eines Störfalles weder menschliches Eingreifen zwingend notwendig ist noch zusätzliche aktive Sicherheitssysteme wie Pumpen und Steuerstäbe angeregt werden müssen. • Bei diesem neuartigen Reaktorkonzept befindet sich der Reaktorkern in einem offenen Steigrohr in einem großen, mit boriertem Wasser gefüllten Spannbetondruckbehälter

  43. Dieser Tank wirkt gleichzeitig als Abschaltsystem und Wärmesenke für die Nachwärme. Das Steigrohr bildet mit den außen liegenden Dampferzeugern und den Kühlmittelpumpen einen fluiddynamischen Regelkreislauf. Diesem wird mittels einer Dampfblase über dem Steigrohr der Druck aufgeprägt. Durch die Regelung der Pumpen wird dafür gesorgt, dass im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Grenzschichten an den Öffnungen des Steigrohrs zum Tank stabil bleiben (density lock). KKW der Generation III

  44. Zwischen heißem, unborierten Primär-Kreislauf-Wasser und kaltem, hoch borierten Tankwasser tritt demnach keine Vermischung ein. Bei Abweichungen von bestimmungsgemäßen Betrieb brechen die stationären Grenzschichten zusammen, und es wird kaltes boriertes Wasser aus dem Tank in den Kern gezogen, wodurch dieser abgeschaltet und gleichzeitig gekühlt wird. Die Nachzerfallswärme wird dann im Naturumlauf vom großen Kühlmittelvolumen des Tanks aufgenommen und von dort über die Wasserkühler mit Naturzug an die Atmosphäre abgegeben. KKW der Generation III

  45. 4.2 Wesentliche Unterschiede zwischen II und III Generationen Im Gegensatz zur evolutionäre Entwicklung der KKW der 2. Generation besagt die revolutionäre Entwicklung der KKW der 3. Generation : Beim revolutionären Sicherheitsansatz sollen sowohl zur Schadenprävention als auch zur Beherrschung der Nachzerfallswärme-Abfuhr weitgehende passive und inhärente Sicherheitsmerkmale zur Anwendung kommen Die verbleibenden aktiven Elemente sollen auch im Hinblick auf die Verwendung von Redundanz und Diversität optimiert, die entsprechende Systemtechnik im Vergleich zu heutigen Reaktoren erheblich vereinfacht werden

  46. 4.3 Technologie Generation IV *Quelle: Paul Shearer Institute

  47. Technologie Generation IV *Quelle: www.nuclear.inl.gov

  48. Technologie Generation IV *Quelle: www.nuclear.inl.gov

  49. Technologie Generation IV *Quelle: www.nuclear.inl.gov

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