Derde en vierde generatie kernenergie

KIVI NIRIA congres ‘Smart Energy Mix’

Zwolle

12 oktober 2006

Dr.ir. Aliki van Heek

- Early prototype/demo reactors

- Shippingport- Dresden, Fermi I- Magnox

Generation I

- First demo of nuclear power on commercial scale

- Close relationship with DOD

- LWR dominates

- LWR-PWR, BWR- CANDU- HTGR/AGR- VVER/RBMK

Generation II

- Multiple vendors

- Custom designs

- Size, costs, licensing times driven up

- ABWR, System 80+, AP600, EPR

Generation III

- Passive safety features

- Standardized designs

- Combined license

Generation IV

- Highly economical

- Proliferation resistant

- Enhanced safety

- Minimize waste

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Atoms forPeace TMI-2 Chernobyl

Generaties kerncentrales

Generatie I

* Prototypen en demonstratiecentrales

* Voorbeeld: Kerncentrale Dodewaard– Diverse leveranciers, b.v.:

– Reactorsysteem: General Electric

– Reactorvat: RDM– Turbine: VMF– Gebouw: BAM

– Start bouw: 1965

Generatie II

* Commerciële centrales verkrijgbaar bij meerdere leveranciers

* Voorbeeld: Kerncentrale Borssele– Turnkey leverancier:

Siemens

– Start bouw: 1969

– Inbedrijfstelling: 1973

Kenmerken Generatie I en II

* Initatief bij de overheid* Marktregulering door de overheid* Schaalvergroting* Lock-in op het type lichtwaterreactor (LWR)

Centrale vragen

* Welke verbeteringen de volgende generaties kernenergiesystemen met zich mee?

* Hoe gaan die gerealiseerd worden?

* Aan de orde komen:– Generatie III

– Generatie III+

– Generatie IV

– (Kernfusie)

Generatie III

* Ontwerpen geëvolueerd uit bestaande ontwerpen met verbeteringen voor de eigenaar

* Nieuwe veiligheidsbenaderingen* Gestandaardiseerde ontwerpen

Olkiluoto 3, FinlandStart bouw 2004

Generatie III

* EPR

* AP1000

* ABWR

* ESBWR

Meest voorkomende reactortype: Pressurized Water Reactor (PWR)

* koelmiddel/modera-tor (licht) water

* koelmiddel verwarmd tot 320oC

* druk 150 bar (drukvat)

* lichtverrijkt (3-4%) UO2 splijtstof

* eenheidsgrootte 150-1500 MWe

Voorbeeld Generation III ontwerp: European Pressurized water Reactor (EPR)

* Extra veiligheidssysteem: Corecatcher vangt radioactieve stoffen uit reactor op in geval van kernsmeltongeval

Fabrikant: Areva (F/D)

Het andere type lichtwaterreactor: Boiling Water Reactor (BWR)

* koelmiddel/mode-rator (licht) water

* koelmiddel verwarmd tot 290oC

* druk 7 MPa (drukvat)

* lichtverrijkt (3%) UO2 splijtstof

* eenheidsgrootte 460-1350 MWe

Voorbeeld Generation III ontwerp: Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR)

* Meer gebruik van passieve systemen

* Geen primaire koelmiddelpompen

Fabrikant: General Electric (US)

Generatie III+

* Ontwerpen gebaseerd op Generatie I Hoge-Temperatuur Reactoren (HTR)

* Modulair* Inherente veiligheid* Ook voor niet-elektrische energieprodukten:

– Waterstof

– Industriële proceswarmte

– waterontzilting

Koeberg, Zuid-AfrikaStart bouw 2007-2008Fabrikant: PBMR (Pty) Ltd.

Generatie III+

* PBMR

* HTR-PM

* GT-MHR

* ANTARES

Waarom inherente veiligheid?

Hoofdcomponenten PWR

Reactor

SteamGenerator

Turbine / Generator

Condenser

Waarom inherente veiligheid?PWR Hoofdcomponenten met

veiligheidssystemen

Reactor

SteamGenerator

Turbine / Generator

Condenser

Emergency Feed Water

Safety InjectionContainment Spray

Containment Building

+ Diesel Generators

+ Ventilation Systems

+ ..........

Accumulator

Inherente veiligheid

* Inherente veiligheid is middel om schaalvergroting te voorkomen

* Veiligheidssystemen overbodig maken door:

– lage vermogensdichtheid,

– materialen met hoge warmtecapaciteit,

– kleine eenheden

Inherente veiligheid (2)

* Per eenheid: 160MWe i.p.v. 1600MWe* 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

PWR splijtstof

UO2 pellets

fuel rods fuel element

HTR splijtstof

“Pebble bed” HTR reactorkern

Inherente veiligheid:splijtstoftemperatuur na

koelmiddelverliesongeval

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104

112

120

Temperature

Decay Heat

Heat Loss

Hours

Deg C

Reactor

Core Barrel Conditioning

SystemMaintenance Isolation/Shutdown Valve

Generator

Power Turbine

Recuperator

High Pressure Compressor

Low Pressure Compressor

Gearbox

Inter-Cooler

Core Conditioning System

Pre-Cooler

PBMR reactor en energieconversiesysteem

HTR in China

HTR-10 testreactorBeijingIn bedrijf sinds 2000

HTR-PMdemonstratie-

centrale,Rongcheng

City

Generatie IV

* Ontwerpen met substantiële verbeteringen voor eigenaar en maatschappij

* Naast reactorontwerp ook splijtstof en splijtstofcyclus

* Samenwerking tussen regeringen (nog geen fabrikanten)

Generaties kerncentrales

Het Generation IV initiatief

* 2000: US DOE initieert samenwerking tussen 11 landen met een positieve grondhouding t.a.v.kernenergie

* 2002: Generation IV Roadmap

Generation IV International Forum (GIF)

Argentina Brazil France

S. Africa Korea Switzerland UK US

Canada Japan

Euratom

Achtergrond Generation IV initiatief

world population

6

10

0

2

4

6

8

10

12

2000 2050

per-capita energy use

67

100

0

20

4060

80

100

120

2000 2050

world energy demand

400

1000

0

200

400

600

800

1000

1200

2000 2050

Ontwikkeling wereldenergievraag

Generation IV Technology Roadmap (2002)

* Identificatie van systemen die significante vooruitgang bieden:

– Duurzaamheid

– gebruik grondstoffen– minimalisatie hoeveelheid en levensduur radioactief

afval

– Veiligheid en betrouwbaarheid

– veilig en betrouwbaar in bedrijf– lage kans op schade aan reactorkern– eliminatie noodzaak off-site emergency response

– Economie

– lage life cycle costs– laag financieel risico

– Proliferatie: onaantrekkelijk voor misbruik voor wapenproduktie

– Terrorisme: verbeterde bestendigheid

Meer energieprodukten

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065

Waterstof en andere produkten

Elektriciteitsopwekking

Transmutatie van nucleair afval

Aanmaak splijtstoffen

Inzet op

korte termijn

Geselecteerde concepten

* Eén concept dat dicht bij de Generatie III LWR staat: Super-Critical Water-Cooled Reactor (superkritische watergekoelde reactor)

* Eén concept om de waterstofmarkt te bedienen: Very High Temperature Gas-Cooled Reactor (zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor)

* Drie snelle (kweek-)reactorconcepten:– Gas-Cooled Fast Reactor (gasgekoelde snelle

reactor)– Sodium-Cooled Fast Reactor (natriumgekoelde

snelle reactor)– Lead-Cooled Fast Reactor (loodgekoelde snelle

reactor)* Eén ‘bijzonder concept’: Molten Salt Reactor

(gesmolten zout reactor)

Super-Critical Water-Cooled Reactor

* koelmiddel water in superkritische toestand

* koelmiddel verwarmd tot 510-550oC

* hoge druk (>15 MPa)

* UO2 splijtstof

* eenheidsgrootte ca. 1500 MWe

* toepassing: elektriciteitsproduktie

Very High Temperature Gas-Cooled Reactor

* koelmiddel helium* koelmiddel verwarmd

tot 1000oC* hoge druk (7-15 MPa)

* UO2 splijtstof

* eenheidsgrootte ca. 250 MWe

* toepassingen: waterstof- en elektriciteitsproduktie

Achtergrond nadruk op snelle kweekreactorconcepten:

Fuel Cycle Study

Opgebrande splijtstof (LWR)

Component Hoeveelheid (kg/tU)

uranium 955

plutonium 10

andere actiniden 1

splijtingsprodukten 35

Verse splijtstof Opgebrande splijtstof

Kweken

natuurlijk uranium = 0,7 % 235U en 99,3 % 238Ualleen 235U is gemakkelijk splijtbaar

splijtstof (Pu) kweken uit 238U100 x beter gebruik van de grondstof

extra neutron benodigd

238 239 239 23992 92 93 9423 5 2 3

β β

, min , dU pnU N Pu

Gas-Cooled Fast Reactor

* koelmiddel helium* koelmiddel verwarmd

tot 850oC* hoge druk (7-15 MPa)* 238U splijtstof* eenheidsgrootte ca.

300 MWe* toepassingen:

elektriciteits- en waterstofproduktie

Sodium-Cooled Fast Reactor

* koelmiddel natrium* koelmiddel verwarmd

tot 550oC* lage druk* 238U en MOX splijtstof* eenheidsgrootte ca.

150-1500 MWe* toepassing:

elektriciteitsproduktie

Lead-Cooled Fast Reactor

* koelmiddel vloeibaar lood (-bismuth)

* koelmiddel verwarmd tot 550-850oC

* lage druk * 238U splijtstof* eenheidsgrootte 50-

1200 MWe* toepassingen:

elektriciteits- en waterstofproduktie

Vereist: gesloten splijtstofcyclus

Mijnbouw van Uranium

Conditionering

(geologische) Eindberging

Splijtstof fabricage

OpwerkingConversie en Verrijking

Recycle ?ja nee

Molten Salt Reactor

* koelmiddel fluoridezouten

* koelmiddel verwarmd tot 700-800oC

* lage druk* UF splijtstof in zout* eenheidsgrootte ca.

1000 MWe* toepassingen:

elektriciteits- en waterstofproduktie

Prioriteiten geselecteerde 4e generatie concepten (1)

* Priority 1 (economically competitive energy products):– Very High Temperature Gas-Cooled

Reactor (zeer hoge temperatuur gasgekoelde reactor): demonstratiereactor gepland in Idaho, USA; contract pre-conceptual design verleend aan Westinghouse consortium

– Super-Critical Water-Cooled Reactor (superkritische watergekoelde reactor): prioriteit buiten Verenigde Staten

Prioriteiten geselecteerde 4e generatie concepten (2)

* Priority 2 (advances in proliferation and sustainability):– Gas-Cooled Fast Reactor (gasgekoelde snelle

reactor): Frankrijk plant testreactor – Lead-Cooled Fast Reactor (loodgekoelde

snelle reactor)– Sodium-Cooled Fast Reactor

(natriumgekoelde snelle reactor): maakt come-back

* Molten Salt Reactor (gesmolten zout reactor): “vreemde eend”

één van deze kiezen

Relatie Generation IV - kernfusie

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060 2065

Waterstof en andere produkten

Elektriciteitsopwekking

Transmutatie van nucleair afval

Aanmaak splijtstoffen

Inzet op

korte termijn

DEMO fusiecentrale geplandITER

Rol Nederland

* R&D vindt plaats bij – NRG (Petten en Arnhem)

– Reactor Instituut TU Delft

* bilaterale samenwerking met PBMR* participatie via Europese samenwerking in

ontwikkeling Generation IV

Resumé

* Generatie III: momenteel beschikbare verbeterde LWR-concepten

* Generatie III+: modulaire HTR* Generatie IV: mondiale samenwerking voor

lange termijn

Hartelijk dank voor uw aandacht