V_Rotary_AKW-Vk 2009 0909 ppt Klimaschutz kann Kernenergie einen

V_Rotary_AKW-Vk 2009. 0909. ppt Klimaschutz kann Kernenergie einen Beitrag leisten Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E 26 D-66041 Saarbrücken EU - Germany Tel. : (49) 0681/ 302 -2737; Fax /302 -4676 e-mail: Luther. Gerhard@vdi. de luther. gerhard@mx. uni-saarland. de (für größere Dateien) Homepage: http: //www. uni-saarland. de/fak 7/fze/

1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem , Ein Energieproblem , Ein Klimaproblem 2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung 3. Atomkraftwerke (Funktionsweise) 4. Wo punktet die Kernenergie (Strompreis, CO 2 -frei, kleine Massenströme 5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 6. Was bringt die Zukunft: Reaktoren der Generation IV (? ), Kernfusion (? ? ? )

1. 1. Der Problemdruck - Warum müssen wir handeln Ein Entwicklungsproblem Ein Energieproblem (Endlichkeit der Ressourcen; Lieferengpässe : Preise) Ein Klimaproblem nur 2 ganz besonders wichtige Bilder zeigen:

Wilfried Endlicher und Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe (Hrsg. ) Der Klimawandel - Einblicke, Rückblicke und Ausblicke ISBN 978 -3 -9811871 -0 -6 Herausgeber: Potsdam Institut für Klimafolgenforschung e. V. PF 601203 14412 Potsdam www. pik-potsdam. de Gesamtredaktion und Gestaltung: Humboldt-Universität zu Berlin Geographisches Institut Rudower Chaussee 16 12489 Berlin www. geographie. hu-berlin. de. Sehr empfehlenswerte Literatur, Texte und Vortragsbilder, frei zugängliches Seminar der Humboldt-Universität Berlin Link: http: //edoc. hu-berlin. de/miscellanies/klimawandel/

Heute 380 ppm 2006 CO 2 -Konzentration (ppm) 380 360 320 1750 280 240 200 160 600'000 500'000 400'000 300'000 Jahre vor heute 200'000 100'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310: 1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399: 429 BQuelle: C. Körner : “Wälder als Kohlenstoffspeicher. . “ http: //www. uni-saarland. de/fak 7/fze/AKE_Archiv/AKE 2006 F/Links_AKE 2006 F. htm#AKE 2006 F_05 0

Falling -1 bis -3%/a Im Klartext: Wir dürfen jetzt keine Zeit mehr verlieren, sonst lässt sich auch das Ziel 550 ppm CO 2 equ nicht mehr erreichen Quelle: „Stern Report“, Folie 4: http: //www. hm-treasury. gov. uk/media/987/6 B/Slides_for_Launch. pdf costs

Was tun

Ansatzpunkte zur Wende 1. CO 2 -freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) • Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion? • Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO 2 Sequester und Geo. Engineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer? • ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre 3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz • Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. • Gebäude isolieren, Passivhaus 4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit • Ernährung: „Weniger Fleisch“

2. Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung

Strombedarf 2005 und 2030 und seine Erzeugung Speicher: VGB 2008_Zahlen-und. Fakten-zuir. Stromerzeugung_28 ppt. pdf Quelle: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008; http: //www. vgb. org/daten_stromerzeugung. html

Quelle: : VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008

Quelle: : VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008

3. Atomkraftwerke

Es gibt drei Atomkerne, die man zur Energieerzeugung spalten kann: Uran 235 (0, 7% Anteil im Natururan) Plutonium 239 ( erbrütbar aus Uran 238 (99% Anteil) Uran 233 ( erbrütbar aus Thorium)

U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik 4_Vorlesung 5: Kernenergie „

Dampfkraftwerk mit Druckwasser-Reaktor „nur“ rund 300 °C und 150 bar I- Wärmeerzeugung-I Quelle: Halliday e. a. : „Physik“, Wiley , Weinheim , ISBN 3 -527 -40366 -32003, p. 1300, Abb. 44 -5

4. Wo punktet die Kernenergie: 1. Strompreis 2. CO 2 – frei 3. kleine Massen („heimische Bevorratung“)

1. Wirtschaftlichkeit Kostengünstige Stromerzeugung AREVA NP 3/19/2018 - * - S. 18 Quelle: R. Tarjanne & A. Kivistö, 2008 Lappeenranta University of Technology All rights are reserved, see liability notice.

2. Klimaschutz Spezifische Emissionen im Vergleich Referenzwert IER Stuttgart 840 Quellen: DAt. F, IER, UBA, Kearney, PSI, Öko-Institut Braunkohle 1230 750 Steinkohle 1080 550 Erdöl 950 400 Erdgas 80 Photovoltaik 640 220 10 - 40 Wind 4 - 35 Wasser 5 - 35 Kernenergie 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 g (CO 2 -äq. )/k. Wh AREVA NP 3/19/2018 - * - S. 19 All rights are reserved, see liability notice.

CO 2 -Vermeidung weltweit Gas; 3. 427 TWh (20 %) Biomasse/Abfall 175 TWh Geothermie, Sonne, Wind, Meeresenergie 140 TWh Öl; 1. 172 TWh (7 %) Kernenergie; 2. 745 TWh (16 %) Wasserkraft; 2. 815 TWh (16 %) Kohle; 7. 012 TWh (40 %) BQuelle: Areva Kernenergie weltweit: 50 % der CO 2 -freien Stromerzeugung 16 % der Stromerzeugung 6, 5 % der Primärenergie Erneuerbare Energien in Zahlen – nationale und internationale Entwicklung Bundesumweltministerium 2007

Kernkraftwerke vermeiden bereits heute weltweit jedes Jahr rund 2, 5 [Gt] CO 2 bei einem globalen Gesamtausstoß von rund 11 [Gt ] CO 2 aus der Stromerzeugung. Quelle: Dr. Walter Hohlefelder, Präsident des Deutschen Atomforums e. V. Jahrestagung Kerntechnik, 12. - 14. Mai 2009, Dresden http: //kernenergie. de/r 2/documentpool/de/Unsere_Position/Reden/ansprache_drhohlefelder_jk 2009. pdf

CO 2 Mehremission bei vorzeitigen Atomausstieg in Deutschland • 160 Mt/a CO 2 ersparten die AKW‘s 2004 im Vergleich zur „historischen Alternative“ =„hätte man seinerzeit Kohlekraftwerke statt Ak. W‘s gebaut und damit den gleichen Stom produziert“) • 112 Mt/a CO 2 Mehremission bei Ersatz durch Strom. Mix mit 40%Gasanteil Der vorzeitige Atomausstieg kostet uns 10% -Punkte CO 2 -Einsparung Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität Atom. Ausstieg 40 % weniger CO 2 in 2020 zu 1990 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO 2 -Einsparziel bis 2020 erreichen. Quelle: DPG-Studie 2005

3. Versorgungssicherheit Große Uranvorkommen, Ressourcenschonung Betrachtung ohne Wiederaufarbeitung, die Reichweiten noch weiter vergrößert Quelle: BGR, Kurzstudie Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen 2007

5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 1. Reaktorsicherheit „keine Verschlechterung, da innerhalb der technischen Lebensdauer“ kerntechnische Kompetenz muss bewahrt werden 2. Entsorgung Hochaktive Abfälle proportional zu den Betriebsjahren Beim Rückbau anfallende Abfallmengen bleiben gleich 3. Uranvorräte noch unkritisch 4. Proliferation die hohen gesetzlichen und politischen Barrieren in der BRD werden nicht tangiert.

Zur Sicherheit in AKW

Grundelemente des Sicherheitskonzepts > Isolation der radioaktiven Stoffe gegenüber der Umwelt durch ein System von mehreren umschließenden Barrieren → Barrierenkonzept > Gewährleistung der ausreichenden Integrität und Funktion der Barrieren bei allen zu unterstellenden Zuständen und Ereignissen durch ein System gestaffelter Maßnahmen → Konzept der Sicherheitsebenen > Konstruktion des Reaktorkerns derart, dass die Energieerzeugung durch die Kettenreaktion ein selbststabilisierendes Verhalten aufweist → inhärente Stabilität > Technische Lösungen für Sicherheitseinrichtungen, die auch bei unterstellten Fehlern (technischem oder menschlichem Versagen) den Schutz von Barrieren gewährleisten → Auslegungsprinzipien für Sicherheitseinrichtungen Quelle: AREVA Waas 2006 > AREVA NP • Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006 -05 -17

Barrierenkonzept Einschluss der radioaktiven Stoffe durch > Brennstoffkeramik > Brennstabhüllrohre > druckdichtes Reaktorkühlsystem > Sicherheitsbehälter > den Sicherheitsbehälter umgebende Stahlbetonstruktur Wirkung: > Wird die Zerstörung der ersten Barrieren (Kristallgitter in der Keramik des Brennstoffs, Brennstabhüllrohre) verhindert, ist Freisetzung von radioaktiven Stoffen in gefährlichem Umfang physikalisch unmöglich. Zerstörung aber nur möglich, wenn Reaktorkern stark überhitzt wird. Vereinfacht: Reaktorkern mit Wasser bedeckt/gekühlt, → keine Freisetzung von gefährdenden Mengen radioaktiver Stoffe in die Umgebung > Weitere Barrieren im realisierten Barrierensystem → keine gefährdende Freisetzung, selbst wenn die ersten Barrieren weitgehend unwirksam geworden sind. Quelle: AREVA Waas 2006 NP • > AREVA Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006 -05 -17

Gestaffelte Sicherheitsebenen Grundgedanke: > Maßnahmen auf einer Ebene, um Fehler und Ausfälle mindestens unwahrscheinlich zu machen. > Weitere Maßnahmen auf der nächsten Ebene, um dennoch unterstellte („postulierte“) Fehler und Ausfälle zu beherrschen. Quelle: AREVA Waas 2006 > AREVA NP • Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – 2006 -05 -17

Weitere Details: siehe diesen Vortrag von Ulrich Waas Das Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – international richtungweisend Ulrich Waas AREVA NP Gmb. H, NRA 1 -G Aachen, 2006. 05. 17 > AREVA NP <

Statistik der tatsächlichen Ereignisse

The International Nuclear Event Scale (INES) User’s Manual, 2001 Edition Quelle: http: //www-news. iaea. org/news/inesmanual/INES 2001. pdf Speicher: IAEA 2001_INES-User. Manual_102 p. pdf

Systematik der internationalen Bewertungsskala (INES) : Deutschland: In den letzten 15 Jahre wurden 2198 Ereignisse gemeldet , davon lagen 3 Ereignisse bei Stufe 2 (Störfall) -> 2 % bei Stufe 1 (Störung) und 98 % bei Stufe 0. Quelle: Ludwig Lindner, www. buerger-fuer-technik. de Quelle: http: //www. bfs. de/kerntechnik/ereignisse/ines. html

Stufe / Kurzbezeichnung 7 Katastrophaler Unfall 6 Schwerer Unfall 5 Ernster Unfall 4 Unfall Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen innerhalb der Anlage Schwerste Freisetzung: Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt in einem weiten Umfeld Erhebliche Freisetzung: Voller Einsatz der Katastrophenschutzmaßnahmen Begrenzte Freisetzung: Einsatz einzelner Katastrophenschutzmaßnahmen Geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung etwa in der Höhe der natürlichen Strahlenexposition Schwere Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren Begrenzte Schäden am Reaktorkern / an den radiologischen Barrieren Strahlenexposition beim Personal mit Todesfolge Quelle: http: //www. bfs. de/kerntechnik/ereignisse/ines. html , eigene Formatierung Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen

Stufe / Kurzbezeichnung 3 Ernster Störfall 2 Störfall Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage innerhalb der Anlage Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen Sehr geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung in Höhe eines Bruchteils der natürlichen Strahlenexposition Schwere Kontaminationen Beinahe Unfall Akute Gesundheitsschäden Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen beim Personal Beinahe Unfall Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen 1 Störung 0 Quelle: http: //www. bfs. de/kerntechnik/ereignisse/ines. html Störfall Begrenzter Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen Abweichung von den zulässigen Bereichen für den sicheren Betrieb der Anlage Keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung

Zur Endlagerung

Die vom radioaktivem Abfall, wie er im Verlauf eines Jahrs in einem typischen Kernkraftwerk anfällt, freigesetzte thermische Energie als Funktion der Zeit. Die Kurve ist die Summe der Beiträge einer großen Anzahl von Radionukliden mit einer ebenso großen Streuung der Halbwertszeiten. Man beachte, dass beide Skalen logarithmisch sind. Quelle: Halliday e. a. : „Physik“, Wiley , Weinheim , ISBN 3 -527 -40366 -32003, p. 1301, Abb. 44 -6

5. Weitere Entwicklung Reaktoren der Generation IV Kernfusion (? ? ? )

Quelle: J. U. Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4. “ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin 2005 Link zum Original im AKE-Archiv

Quelle: J. U. Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4. “ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin 2005 Link zum Original im AKE-Archiv

Quelle: J. U. Knebel: „Neue Kernreaktoren der Generation 4. “ Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin 2005 Link zum Original im AKE-Archiv

Kernfusion: kurz vor der Zündung

Prinzip der Fusion D T n (14, 6 Me. V) He (3, 6 Me. V) * bei hinreichend kleinen Abständen zwischen dem Deuterium und dem Tritium Kern kommt es zu Fusionsreaktionen * in einem heißen Plasma (100 -200 Mio °) werden bei Stößen diese Abstände „regelmäßig“ erreicht * bei einer ausreichenden Isolierung kann das Plasma seine hohe Temperatur allein durch die Heizenergie der a-Teilchen aufrecht erhalten

Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt Zur Zündung müssen : ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ] oft [Energieeinschlusszeit E ] und heftig genug [Temperatur T ] miteinander zusammenstoßen. Zündkriterium (Lawson): n * E * T >= 6* 1016 [cm-3 s MK ] Praktische Zündbedingungen: Plasmadichte ca. 10 14 Teilchen pro cm 3 Energieeinschlusszeit 1 - 2 [s] Plasmatemperatur 100 -200 [M K] Quelle: Milch, I. : “Die Sonne auf die Erde holen“, Phiu. Z 26 (1995), Heft 2, p. 69 -74; p 7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p. 9; IPP_Kernfusion 1995. ppt

Progress • Huge strides in physics, engineering, technology • JET: 16 MW of fusion power ~ equal to heating power. • Ready to build a Giga Watt-scale tokamak: ITER – expected to produce 10 x power needed to heat the plasma MAST [Pi =pressure in plasma; τE = (energy in plasma)/(power supplied to keep it hot)] Quelle: Chris Llewellyn Smith : The Path to Fusion Power, AKE 2008 F-Heraeus, http: //www. uni-saarland. de/fak 7/fze/AKE_Archiv/AKE 2008 F-Heraeus/Vortraege/AKE 2008 F_E 9_Llewellyn. Smith_Path-to. Fusion. Power. ppt

• Aim - demonstrate ITER integrated physics and engineering on the scale of a power station • Key ITER technologies fabricated and tested by industry • 5 Billion Euro construction cost (will be at Cadarache in southern France) • Partners house over half the world’s population

Schlussbemerkung

Bilanz: Klimawandel , Bevölkerungswachstum, Peak Oil : Engpass bei Energiequellen, insbsondere bei Erschließung von CO 2 - freien Energiequellen Einsatz an allen Fronten: Erneuerbare Energien, rationelle Energieanwendung CCS (Carbon Capture and Storage) Kernenergie vorerst beibehalten

well…. Zitat aus dem Vortrag eines französischen Kollegen , Alex Mueller, CNRS, Paris: as a physicist I try to use only "hard" numbers • But of course some rely on assumptions • Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher as "citoyen" I CO 2 emission than France (world rank 66) per capita am of course influenced by my own environment • Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO 2 emission • France (world rank 66) than in first-order discards fossile-fueled systems France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production for • electricity production – Nuclear Power 78%, Hydro 13% Power Hydro 13% • The electricity prize for a private household depends of course of the installed power, type of abonnement (0. 066 cts/k. Wh – 0. 108 cts/k. Wh taxes included) • electricity a new nuclear powerplant (3 rd generation EPR) at • The. France constructsprize for a private household. . . Flamanville • France has a law that forces the cts/k. Wh taxes included) (6, 6 cts/k. Wh – 10, 8 research organisations to work on nuclear waste management • France spents 0. 3 G€/y on natural Uranium, but for roughly the same energy 46 G€/y on fossile fuel in 2006, possibly 100 G€ in 2008 Strompreis in BRD: glatt doppelt so teuer Energy Supply and Climate Change, Bad Honnef, Germany, May 26 -29 2008 48 Ur. Quelle: AKE 2008 F_Heraeus

Reste

Ansatzpunkte zur Wende 1. CO 2 -freie Energiequellen • Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) • Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion? • Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO 2 Sequester und Geo. Engineering • CCS= Carbon Capture & Storage: in geologischen Schichten, im Meer? • ? Eisendüngung zum Algenwachstum, Aufforsten • ? Sulfat in die Stratoposhäre 3. Rationelle Energieverwendung (2000 W –Gesellschaft) • Gleiche Energiedienstleistung mit geringerem Energieeinsatz • Höhere Wirkungsgrade bei Kraftwerken, Motoren etc. • Gebäude isolieren, Passivhaus 4. Verhaltensänderung • Leben mit weniger Energiedienstleistungen, aus Knappheit oder Bescheidenheit • Ernährung: „Weniger Fleisch“

Erdgeschichtliche CO 2 -Konzentrationen CO 2 -Konzentration (ppm) 380 Heute 380 ppm 2006 360 320 1750 280 240 200 160 600'000 500'000 400'000 300'000 Jahre vor heute 200'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310: 1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399: 429 100'000 BQuelle: C. Körner : “Wälder als Kohlenstoffspeicher. . “ http: //www. uni-saarland. de/fak 7/fze/AKE_Archiv/AKE 2006 F/Links_AKE 2006 F. htm#AKE 2006 F_05 0

Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität Atom. Ausstieg 40 % weniger CO 2 in 2020 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO 2 -Einsparziel bis 2020 erreichen.