Kernenergie - Kernspaltung - TU Bergakademie Freiberg · 2018. 12. 18. · Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen kernenergie Treibhausgasemissionen (Life Cycle) Treibhausgasemissionen

Kernenergie - Kernspaltung

[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)

[1] [1][2]

�2

Wie war das mit dem Atomausstieg?

Schleswig-Holstein

Mecklenburg-Vorpommern

Berlin

Brandenburg

Sachsen

Sachsen-Anhalt

Thüringen

Niedersachsen

Nordrhein-Westfalen

Hessen

Rheinland-Pfalz

Saarland

Baden-Württemberg

BremenHamburg

Bayern

Brokdorf

Ende 2021

Emsland

Ende 2022Grohnde

Ende 2021

Gundremmingen C

Ende 2021

Neckarwestheim 2

Ende 2022 Isar 2

Ende 2022

Philippsburg 2

Ende 2019

© BMU 2018

Atomkraftwerke in DeutschlandAbschaltung der noch betriebenen Reaktoren gemäß Atomgesetz (AtG)

• aktuellnoch7KKWsimBetrieb• Laufzeitnochbis2019/2021• DiedreijüngstenKKWslaufennochbis2022

KKWGrafenrheinfeldundGundremmingenBbereits2015bzw.2017abgeschaltet

• 28.Oktober2010LaufzeitverlängerungfürKKWsbeschlossen

• 30.Juni2011Beschlusszur13.GesetzzurÄnderungdesAtG

• 06.August2011EndederBetriebserlaubnisvon8KKWs

[2]https://de.wikipedia.org/wiki/Kernkraftwerk_Fukushima_Daiichi(Stand:10.12.18)

[2]

�3

Aktuelle Situation in der BRD

[1]https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34(Stand:03.12.18)

=126kWh/p/d

=7.73kWh/p/d

�4

Aktuelle Situation in der BRD

[1]https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34(Stand:03.12.18)

=22kWh/p/d

=2.5kWh/p/d

installierteKKWLeistung:netto10.8GWe

�5

Wie gewinnt man Kernenergie?[1]

[1] NUCLEAR ENERGY DATA/DONNÉES SUR L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2017, NEA No. 7365, © OECD 2017

Natururan:99,2738%U-2380,7205%U-235

angereich.Natururan:~3,3%U-235

�6

Wie gewinnt man Kernenergie?

[1]Prof.Lippmann,VorlesungsskriptGrundlagenderKernkraftwerkstechnik,2018

[1]

�7

Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen

[1]http://xkcd.com/1162/(Stand:03.12.18)

[1]

Energieäquivalent:10.000tErdöl=1tNatururan

=170kgangereich.Uran

BrennstäbeimReaktor:3.000MWth222W/Pellet,18.000himReaktor->4.000kWh/Pellet

modernesEinfamilienhaus:120kWh/m2a130m2->15.600kWh/a4Pellets/a

[2]Prof.Lippmann,VorlesungsskriptGrundlagenderKernkraftwerkstechnik,2018

[2]

[2]

�8

Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen

[1]https://www.bmwi.de/Redaktion/DE/Downloads/Energiedaten/energiedaten-gesamt-pdf-grafiken.pdf?__blob=publicationFile&v=34(Stand:03.12.18)

[1]

�9

Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformenkernenergie

Treibhausgasemissionen (Life Cycle)

Trei

bhau

sgas

emis

sion

en (

CO

2-Ä

quiv

alen

te)

in G

ram

m p

ro K

ilow

atts

tund

e an

der

N

iede

rspa

nnun

gsst

eckd

ose

Quelle: PSI/ESU Services 2012

0

250

500

750

1000

1250

Braunkohle

Steinkohle

Erdöl

Erdgas

Gaskombi

Photovoltaik

Wind

Kernenergie

Wasserkraft

KVA24 24 714

123

1

1078

885

684

452

77

�10

Kernenergie im Vergleich zu anderen Energieformen

[1]VGBPowertech,LevelisedCostofElectrisity,Issue2015

[1]

�11

Reichweite der Kernenergie

[1] NUCLEAR ENERGY DATA/DONNÉES SUR L’ÉNERGIE NUCLÉAIRE 2017, NEA No. 7365, © OECD 2017

[1] [1]

�12

Reichweite der Kernenergie

[1]NUCLEARENERGYDATA/DONNÉESSURL’ÉNERGIENUCLÉAIRE2017,NEANo.7365,©OECD2017[2]https://infcis.iaea.org/UDEPO/Statistics/ResourceByCountryAndType(Stand:09.12.18)[3]BGREnergiestudie,DatenundEntwicklungderdeutschenundglobalenEnergieversorgung,2017

[1]

5718E3 tU50127 tU

a

= 114 a

beiunter130$/kgU

weltweit:

weltweit:48.167.476tU[2]ohnePreisangabe11.576ktU[3]beiunter80$/kgU

�13

Reichweite der Kernenergie

Deutschland:• AbbauinderDDRvon1946bis1990durchWismutSAG(216.300tU)• Ressourcen399.074tU[1]keinePreisangabe• Ressourcen7.000tU[2]beiunter80$/kgU

[1]https://infcis.iaea.org/UDEPO/Statistics/ResourceByCountryAndType(Stand:09.12.18)[2]BGREnergiestudie,DatenundEntwicklungderdeutschenundglobalenEnergieversorgung,2017

ProbleminDeutschland:• vorrangigeNutzungvonDruckwasser-undSiedewasserreaktoren• keineAufbereitungderBrennelemente(seit2005AusfuhrvonBrennelementenverboten)• keinelaufendenBrüter• AbbauvonUran(vermutlich)politischnichtverfügbar

�14

Wiederaufbereitung von abgebrannten Brennelementen

Transmutation:UmwandlungvonstarkstrahlendenElementedurchKernreaktion

PUREX:• Flüssig-Flüssig-Extraktion• TrenntU,Pu,MinoreActinoide

• AuflösendurchHNO3

• ExtraktiondurchTri-n-butylphosphat• Aufreinigungu.a.Elektrolyse

• VieleWeiterentwicklungen

[1]A.Ramanujam,AnintroductiontoPurexProcess,IANCASBulletin,1997

[1]

�15

Geht nur Strom?

Wasserstoff-Produktion:• erfordertHTGR(T=900°C)• Iod-Schwefel-Prozess(=0.55)η

Prozess-undHeizwärme:• kanndurchSMRbereitgestelltwerden• Bsp.SlowpokeKanada,PolytechniqueMontreal(20kWth)[2]

• NHR200-IIniedrigTemperaturReaktor(China)[3]• 200MWth,135°CWassertemperatur• Umkreisvon35km• AuchEinsatzzurMeerwasserentsalzung

[2]http://teachnuclear.ca/all-things-nuclear/canadas-nuclear-history/nuclear-research/slowpoke-reactors/

[1]

[1]M.Yamasakietal.,EnvironmentallyfreindlyproductionofHydrogen,JapanAtomicResearchInstitut

[3]Z.Wengxiangetal.,NHR-200NuclearEnergyandistpossibleApplications,ProgressinNuclearEnergy,1995

�16

Sicherheit von Kernreaktoren

Lösung:• Gen.3+oder4Reaktoren(inherentsicher)• SMRbergengeringeresRisikoundsparenhoheSicherheitsinvestitionen• TransparenteStresstestsdurchEUKommission

[1]http://www.spiegel.de/thema/tschernobyl/(Stand:12.12.18)

[1]

• HoheInvestitioneninSicherheitsmaßnahmen• TschernobylundFukushimaGAUwarenmenschlicheFehler• StresstestdurchEUfüreuropäischeKKWsergab,dasskeinKKWaustechnischenGründenabgeschaltetwerdenmuss[2]

[2]EuropäischeKommission,überdieumfassendenRisiko-undSicherheitsbewertungen(„Stresstests“)vonKernkraftwerkeninderEuropäischenUnionunddamitverbundeneTätigkeiten,Brüssel,COM(2012)517final,2012

• 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

Radioaktivität und KKWs

�18

Vorbehalte und Lösungen

• Sicherheit

• ÖkonomischeUnabhängigkeit

• Endlagerung

• Strahlenbelastung• SMRund3+bzw.4Reaktoren

• Uranistgeopolitischneutral+großesPotential

• PUREXundTransmutationverkürzenLagerzeitauf<1000a

• Strahlenbelastungbiszu100malgeringeralsvonKohlekraftwerken[1]

• Klimafreundlich

• EUKommissionsiehtRückgratderemissionsfreienStromversorgunginKernenergie

[1]https://www.scientificamerican.com/article/coal-ash-is-more-radioactive-than-nuclear-waste/(Stand:13.12.2018)

Kernfusion - Zukunftsmusik?

• Massenunterschiedzw.FusionsproduktundEdukt

• EnergiewirdnachE=Δmc2frei• Reaktion2leichterKerne• AusreichenderWirkungsquerschnitt

• ThermonukleareBedingungen

Voraussetzung

• ReaktionvonDeuteriumundTritium• „ReaktionderZukunft“zurEnergiegewinnung

• Keinenat.VerfügbarkeitdesTritiums(HWZ12Jahre)->BrütenvonLithium

• DeuteriumausElektrolyseoder10^13timWeltmeer

• ThermischeEnergie1gGemisch=12,3tSKE

DT-Reaktion

ÜbersichtReaktionen• AllemitNachteilggü.DT-Reaktion• Stichworte:

− Energiegewinn− Verfügbarkeit− Reaktionsbe-dingungen

Weitere Reaktionen

• SelbsterhaltendesPlasma• ErfüllungdesLawson-Kriteriums• EinschließendesPlasmasim~10TMagnetfeld

• EnergieerzeugungdurchWärmetauscher/Turbine

• 2möglicheBauarten

Technisches Prinzip

Stellarator

BildRealität

Theorie

Kernfusion

TOKAMAK

2005Entscheidung,dasProjektinFrankreichzuplatzieren2007FormaleGründungderITER-Organisation2014-2021BaudesTokamak-Gebäudes2018-2025Montagephase2025ErstesPlasma2035Deuterium-TritiumBetriebbeginntAb2050KommerzielleNutzung?!

ITER/ Ausblick

- 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.html

Kernfusion

Quellen

• KKWISAR2Stromherstellung(2016):12TWh• 49Mio.Fahrzeugeverbrauchen2492PJ=692TWhKraftstoff• 1Mio.PKWverbrauchen53PJ=15TWhKraftstoff• E-Motor3maleffizienter→5TWhVerbrauch• 1KKWfür2Mio.Elektroautos

• VergleichdesFlächenbedarfs:

Elektromobilität?

�29

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!