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 Atoms for Peace TMI-2Chernobyl 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, Finland Start bouw 2004 Generatie III *EPR *AP1000 *ABWR *ESBWR

Meest voorkomende reactortype: Pressurized Water Reactor (PWR) *koelmiddel/modera- tor (licht) water *koelmiddel verwarmd tot 320 o C *druk 150 bar (drukvat) *lichtverrijkt (3-4%) UO 2 splijtstof *eenheidsgrootte 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 290 o C *druk 7 MPa (drukvat) *lichtverrijkt (3%) UO 2 splijtstof *eenheidsgrootte 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-Afrika Start bouw Fabrikant: PBMR (Pty) Ltd. Generatie III+ *PBMR *HTR-PM *GT-MHR *ANTARES

Waarom inherente veiligheid? Hoofdcomponenten PWR

Waarom inherente veiligheid? PWR Hoofdcomponenten met veiligheidssystemen

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: 160MWei.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 UO 2 pellets fuel rods fuel element

HTR splijtstof

“Pebble bed” HTR reactorkern

Inherente veiligheid: splijtstoftemperatuur na koelmiddelverliesongeval

ReactorCore Barrel Conditioning System Maintenance Isolation/Shutdown Valve Generator Power Turbine RecuperatorHigh Pressure Compressor Low Pressure Compressor Gearbox Inter-Cooler Core Conditioning System Pre-Cooler PBMR reactor en energieconversiesysteem

HTR in China HTR-10 testreactor Beijing In bedrijf sinds 2000 HTR-PM demonstratie- 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) ArgentinaBrazilFrance S. Africa KoreaSwitzerland UKUS Canada Japan Euratom

Achtergrond Generation IV initiatief 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 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 o C *hoge druk (>15 MPa) *UO 2 splijtstof *eenheidsgrootte ca MWe *toepassing: elektriciteitsproduktie

Very High Temperature Gas-Cooled Reactor *koelmiddel helium *koelmiddel verwarmd tot 1000 o C *hoge druk (7-15 MPa) *UO 2 splijtstof *eenheidsgrootte ca. 250 MWe *toepassingen: waterstof- en elektriciteitsproduktie

Achtergrond nadruk op snelle kweekreactorconcepten: Fuel Cycle Study

Opgebrande splijtstof (LWR) Verse splijtstofOpgebrande splijtstof

Kweken natuurlijk uranium = 0,7 % 235 U en 99,3 % 238 U alleen 235 U is gemakkelijk splijtbaar splijtstof (Pu) kweken uit 238 U 100 x beter gebruik van de grondstof extra neutron benodigd

Gas-Cooled Fast Reactor *koelmiddel helium *koelmiddel verwarmd tot 850 o C *hoge druk (7-15 MPa) * 238 U splijtstof *eenheidsgrootte ca. 300 MWe *toepassingen: elektriciteits- en waterstofproduktie

Sodium-Cooled Fast Reactor *koelmiddel natrium *koelmiddel verwarmd tot 550 o C *lage druk * 238 U en MOX splijtstof *eenheidsgrootte ca MWe *toepassing: elektriciteitsproduktie

Lead-Cooled Fast Reactor *koelmiddel vloeibaar lood (-bismuth) *koelmiddel verwarmd tot o C *lage druk * 238 U splijtstof *eenheidsgrootte 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 o C *lage druk *UF splijtstof in zout *eenheidsgrootte ca 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 Waterstof en andere produkten Elektriciteitsopwekking Transmutatie van nucleair afval Aanmaak splijtstoffen Inzet op korte termijn DEMO fusiecentrale gepland ITER

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