Nuclear Energy: Problems or Solution Helmut Rauch Atominstitut, TU-Wien

Nuclear Energy:Problems or Solution

Helmut RauchAtominstitut, TU-Wien

Reactors worldwide

Nuclear power stations (NPP) 441 (35 construction)Research reactors 249 (in operation)Heating units 8Naval-Reactors (U-Boats, aircraft carrier, icebreaker) 220 Satellite reactors 26

TOTAL ~ 950

Quellen - http://www.iaea.org/DataCenter/statistics.html

- http://www.world-nuclear.org/info/info.htm

Electricity production

World Electricity Generation

Coal40%

Oil10%

Hydro19%

Nuclear16%

Gas15%

worldwide

Austria

EU

Nuclear fission

1 kg Natururan ≐ 12.600 l Erdöl≐ 18.900 kg Steinkohle

Reaktortypen - 1

Reaktortypen - 2

g CO2-äquivalent/kWh

4 3,72 22

150

430

909985

1031

0

200

400

600

800

1000

1200

Wasserkraft Kernkraft Windkraft Photovoltaik Gas undDampf

Gasturbine Erdöl Kohle

Source: EDF Environmental Report

Specific CO2-Emissions

General problems• prompt criticality (~ 0,6% in case of U-235)

• Decay heat ( ca. 20 MW after 1 St.)

• Waste (pro KKW:18 kg/a Np-237; 70 kg/a Am-243 )

• Terrorism

Chernobyl

Fukushima

TEMPERATUR RÜCKWIRKUNG

Doppler-Effekt

dTdp

dTd

dTdk

Absorpion Entkommfaktor

p(300K) = 0,861

p(1000K)= 0,835

Dieser Faktor ist immer negativ !!!

Xenon – Poison

XeXeJdtdXe

XeaJt

Xe

Te135 J135

(Xe135)*

Xe135 Cs135 Ba135

30 sec. 70 %

30 %

9,2 h 2,6 x 108 a6,7 h

a = 3,4x106 bSpaltprodukte

Xenon – Poison

Xe-135 Gleichgewicht

P = 0

Core Core

Regelstäbe

Regelstäbe

VOID - KOEFFIZIENTC

= - 0,035

U

= - 0,08

= + 0,0064

= - 0,17

U

H2O

H2O

a = 0,33b a = 0,0034b

Cutaway of the Nuclear Unit 1.  Core2.  Piping of water lines3.  Lower biological shielding 4.  Distribution headers5.  Side biological shielding 6.  Drum-separator7.  Piping of steam-water lines8.  Upper biological shielding9.  Refuelling machine10.  Demountable plating11.  Fuel channel ducts12.  Downcorners13.  Pressure header14.  Suction header15.  Main circulation pump

Power Diagram - Accident

Cs-137 Contamination in Vienna since 1956

Erich Tschirf et al.

Radiation Exposure of the Public

Occupational radiation exposure ≈ 0.05 mSv

Chernobyl accident, nuclear weapon tests

< 0.01 mSvIonizing radiation and

radionuclides in research, industry and household

< 0.02 mSvIonizing radiation and

radionuclides in medicine ≈ 1.3 mSv

Ingestion of natural radionuclides ≈ 0.3 mSv

External exposure from natural sources

≈ 1 mSv

Inhalation of radon and its progeny ≈ 1.6 mSv

≈ 4.3 mSv

Problems• prompte Kritikalität (~ 0,6% bei U-235)

• Decay heat ( ca. 20 MW nach 1 St.)

• Abfall (pro KKW:18 kg/a Np-237; 70 kg/a Am-243 )

• Terrorismus

Chernobyl

Fukushima

Decay heat

2,00

2,02

0

1022,6 tTtPP

Nachzerfallswärme der Spaltprodukte

Fukushima

20

Fukochima Daiichi 1-6

Siedewasserreaktor

I-1: 440 MW

I-2: 760 MW

I-3: 760 MW

I-4: 760 MW

I-5: 760 MW

I-6: 1067 MW

Normal operation Emergency operation Core melting

Venting H2O and H2H2 explosion Spent fuel pool problem

Fukushima↔Chernobyl

• Das Japan Desaster ist eine Folge des Erdbebens der Stärke 9.

• Der Zumani ist eine Folge davon.

• Die Probleme mit den Kernkraftwerken sind ebenfalls eine Folge davon.

Fakten

Press Articles „on Fukushima“: until 14.04.2011

Germany43.640 All other EU

member states 9.300

Source: Meltwater News

Consequences

Increasing safety

passive safety measures

Man independent safety features

Increasing time for passive safety handling

Construction accepting large accidents

Standardisation, Modul Structure

Improving economic factors

European Pressured Water Reactor - EPR

melted core pot

Problemfelder• prompte Kritikalität (~ 0,6% bei U-235)

• Nachzerfallswärme ( ca. 20 MW nach 1 St.)

• Waste (pro KKW:18 kg/a Np-237; 70 kg/a Am-243 )

• Terrorismus

Chernobyl

Fukushima

Waste

Radiotoxizität ohne und mit Transmutation

Spallation Process

~ 1 GeV

Each heavy nucleus can be transfered to

a light and short living one

Accelerator Driven Nuclear Systems

• nuclear transmutation• nuclear energy• no transient behavior

• high current accelerator• high activity handling• window problems

Probleme:

Fusion

MeVnHeHH 588,1710

42

31

21

Probleme:

100 Mill. Grad

kg Mengen von Tritium

Magneteinschluss

ITER-FEAT Design

International Thermonuclear Experimental Reactor-Fusion Energy Amplifier TOKAMAK Design

Divertor

Central Solenoid

Outer Intercoil Structure

Toroidal Field Coil

Poloidal Field Coil

Machine Gravity Supports

Blanket Module

Vacuum Vessel

Cryostat

Port Plug (EC Heating)

Torus Cryopump

SUMMARY

More nuclear energy

More efficient and safer installationsNuclear Transmutation as an OptionFusion in 50 Years ?In Europe and oversea

Comparison of Electricity Generating Costs (Finland 2008)

Abfall

Radiotoxizität ohne und mit Transmutation

Deutschland

Österreich

__________________________Fortschrittliche Reaktoren - EPR

___________________________Otmar Promper Atominstitut der Österreichischen Universitäten

ReaktorgebäudeReaktorgebäude

zylindrisch

doppelschalig

gegen Absturz eines schnellfliegenden Militärflugzeuges ausgelegt

__________________________Fortschrittliche Reaktoren - EPR

Opfermaterial zur Temperaturabsenkung

Ausbreitungsfläche

passive Einrichtungen zur Kühlung

Beherrschung von KernschmelzunfällenBeherrschung von Kernschmelzunfällen

Electricity Production in Germany (2008 – 2010)

TWh

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2008

2009

2010

24% 23%

19%

13%

1%

6%

3%5%

2%

4%

57% Fossil23% Nuclear16% Renewables

14 % 13% 18% 15% 3% 17% 11%Installed capacity