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Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology Der Hochtemperaturreaktor – Sicherheitseigenschaften und Projekte von.

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Präsentation zum Thema: "Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology Der Hochtemperaturreaktor – Sicherheitseigenschaften und Projekte von."—  Präsentation transkript:

1 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology Der Hochtemperaturreaktor – Sicherheitseigenschaften und Projekte von Peter-W. Phlippen Forschungszentrum Jülich GmbH Institut für Sicherheitsforschung und Reaktortechnik 67. Physikertagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Hannover, 24. – 28. März 2003

2 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

3 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Heutige Situation der Kernenergienutzung Core-Zerstörung durch Ausfall der Nachwärmeabfuhr möglich

4 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Heutige Situation der Kernenergienutzung (2) Probabilistisches Sicherheitskonzept (Defence in Depth) Unfälle können sehr großes Schadensausmaß annehmen Langandauernde Flächenkontamination Umsiedlungen erforderlich Zahlreiche Todesfälle (unmittelbar oder verspätet) erwartet Schäden nicht versicherbar

5 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Anforderung: Sicherheitskonzept nachweisen, technisches Konzept anpassen!

6 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

7 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Zukünftige Kernenergienutzung Katastrophenfreie Kernenergienutzung Keine Todesfälle außerhalb des Anlagenzaunes Keine unzulässige Freisetzung von Radioaktivität in die Umgebung Keine Umsiedlung Keine Landkontamination Keine volkswirtschaftliche Katastrophe, denn Schäden bleiben auf die Anlageninvestition begrenzt Schäden sind versicherbar

8 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Zukünftige Kernenergienutzung (2) Ertüchtigung der LWR-Technik durch Einführung des Core-Catchers (EPR) oder Reduktion der Kernschmelzhäufigkeit (AP-600, ABWR, SWR-1000) è Containment muss trotz Wasserstoffver- brennung, Druckaufbau und evtl. Kernschmelze für lange Zeit dicht bleiben! Dimensionierung/Realisierung nicht schmelzfähiger Reaktoren (HTR) è Kernschmelzen ist physikalisch ausgeschlossen. è Spaltprodukte bleiben im Brennelement!

9 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Zukünftige Kernenergienutzung (3)

10 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

11 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Stabilitätskriterien Katastrophenfreie Kernreaktoren müssen folgende Stabilitätskriterien durch selbsttätige Eigenschaften erfüllen: Thermische Stabilität Nukleare Stabilität Mechanische Stabilität Chemische Stabilität Keine Zerstörung durch Überhitzung Keine Zerstörung durch nukleare Transienten Keine Zerstörung durch Komponentenversagen Keine Zerstörung durch Korrosion oder deren Folgeprodukte

12 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Stabilitätskriterien (2) Der HTR erfüllt die Stabilitätskriterien durch keramischen Coreaufbau (Graphit) keramische Brennelemente (Graphit) Limitierung der Leistungsdichte im Core und der bestimmenden Dimensionen (Durchmesser) inertes Kühlmittel (He) Limitierung des Zutritts korrosiver Medien (Luft, Wasser) Wahl des Primärkreiseinschlusses (z. B. vorgespannte Behälter) Brennstofftemperaturen bleiben stets unterhalb der Schädigungsgrenze

13 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR – Kugelbrennelement Werkstoff: Graphit Dichte: 1,75 g/cm 3 Durchmesser: 60 mm Schalendicke: 5 mm Uran-Beladung: < 12 g/BE Coated Particle: TRISO UO 2 -Kern: 500 m Dichte: 10,4 g/cm 3 Anreicherung: < 10 Gew.-% Schichten: C, PyC, SiC,PyC Dicke / m: 95, 40, 35, 40 Dichte / g/cm 3 : 1,05/1,9/3,18/1,9

14 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR – Spaltprodukteinschluss Partikelschädigung Spaltproduktfreisetzung

15 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR – Katastrophenfrei Solange T max < 1600 °C bleibt Spaltproduktfreisetzung < des Inventars Dosisleistung in der Umgebung sehr gering keine Evakuierung keine Umsiedlung extreme Störfallannahme Kühlmittelverlust, d.h. keine aktive NWA Verlust der aktiven Abschaltfunktionen, d.h. Freigabe von Überschussreaktivität Spaltprodukte im BE in der Umgebung I 0 I* < · I 0

16 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Katastrophenfrei – Geltungsbereich Einschluss der radioaktiven Stoffe in der Reaktoranlage, besser noch im Brennstoff Zeit für aktive Maßnahmen zur Begrenzung der Auswirkungen ist wichtig.

17 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

18 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Thermische Stabilität - Prinzip è Ausfall der aktiven Systeme zur Nachwärmeabfuhr

19 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Thermische Stabilität - Prinzip thermisch instabil thermisch stabil

20 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Thermische Stabilität - Prinzip

21 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR - Thermische Stabilität è Ausfall der aktiven Systeme zur Nachwärmeabfuhr, Druckentlastung, mit/ohne 1. Abschaltsystem Temperatur / °C Zeit / h

22 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR - Thermische Stabilität è Ausfall der aktiven Systeme zur Nachwärmeabfuhr, Druckentlastung, mit/ohne Kühlung der Kaverne Radius / cm RDBRCCS Core Beton Temperatur / °C

23 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR – Thermische Stabilität Radius / cm Zeit / h Annahme: Ausfall der aktiven NWA und Druckentlastung Beispiel: Modul HTR 200 MW th

24 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nukleare Stabilität - Prinzip è Reaktivitätssteigerung bei Ausfall aller aktiven Systeme zur Regelung / Abschaltung

25 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nukleare Stabilität - Prinzip thermisch instabil thermisch stabil

26 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR - Nukleare Stabilität è Schnelles Ausfahren des 1. Abschaltsystems im Volllastbetrieb ohne Gegenmaßnahmen / % /°C Beispiel: Modul HTR 200 MW th

27 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Beispiel: ISR-300 Konzept eines katastrophenfreien HTR

28 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

29 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR-Projekte weltweit Angaben im MW th

30 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR-Projekte weltweit (2)

31 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR-10 China Aufgabe: experimenteller Reaktor Kugelhaufen-Zylinder-Core Leistung: 10 MW Leistungsdichte: 3,3 MW/m 3 TRISO-Coated Partikel Helium: °C Druck: 4 MPa kontinuierliche Beschickung mit 10-fachem Kugeldurchlauf Abschaltsysteme: 1. Stäbe in Reflektorkanälen 2. KLAK in Reflektorkanälen Behälterkühlung mit Kaltgas

32 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR PBMR Südafrika Aufgabe: Stromerzeugung Kugelhaufen-Ring-Core Leistung: 400 MW Leistungsdichte: 4,8 MW/m 3 Höhe / Durchm. 11 / 1 - 3,7 m Abbrand: 90 MWd/kg SM TRISO-Coated Partikel Helium: 480 °C 900 °C Druck: 9 MPa kontinuierliche Beschickung mit 6-fachem Kugeldurchlauf Abschaltsysteme: 1. Stäbe in Reflektorkanälen 2. KLAK in Reflektorkanälen Behälterkühlung mit Kaltgas 3-Wellen-Gasturbinenanlage

33 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR PBMR - Schaltung Merkmale: T He (E/A) = 480/900 °C Druck: 9 MPa kompakte Bauweise schnelllaufende Turbomaschinen Lastwechsel: 10 % / min Wasserkühlung

34 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Gliederung Heutige Situation der Kernenergienutzung Anforderungen an zukünftige Kernreaktoren HTR - Sicherheit Stabilitätskriterien Beispiel: Thermische Stabilität Beispiel: Nukleare Stabilität Laufende HTR-Projekte Nachhaltigkeit Ausblick

35 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nachhaltigkeit Erwarteter Verlauf des Weltenergiebedarfs CO 2 -frei Bereitstellung fossile Energieträger Kernfusion Solarenergie Kernspaltung Realisierung Kosten Sicherheit, Endlagerung Zuwachs Entwicklungsländer Schwellenländer

36 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nachhaltigkeit (2)

37 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Spezifische Investitionskosten Basis: industrielle Angebotsabgaben

38 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nachhaltigkeit – Kostenstruktur Life-Cycle-Kosten von Stromerzeugungsanlagen in Deutschland

39 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Ausblick Der Einsatz katastrophenfreier Kerntechniken kann helfen, die öffentliche Akzeptanz der Kernspaltung wieder zu gewinnen. Der HTR hält die Spaltprodukte im Core zurück, solange die Stabilitätskriterien eingehalten werden (i. w. T < 1600 °C). Selbsttätige Nachwärmeabfuhr und selbsttätige Begrenzung der nuklearen Leistung wurden am AVR bereits demonstriert. Eine unterirdische Bauweise bietet auch Schutz gegen extreme äußere Einwirkungen. Kernspaltung ist eine seit langem etablierte und wirtschaftliche Technik zur Stromerzeugung. Daher wird Kernenergie auch weiterhin eine dominante Rolle in der CO 2 -freien Stromerzeugung wahrnehmen.

40 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Ausblick Der Einsatz katastrophenfreier Kerntechniken kann helfen, die öffentliche Akzeptanz der Kernspaltung wieder zu gewinnen. Der HTR hält die Spaltprodukte im Core zurück, solange die Stabilitätskriterien eingehalten werden (i. w. T < 1600 °C). Selbsttätige Nachwärmeabfuhr und selbsttätige Begrenzung der nuklearen Leistung wurden am AVR bereits demonstriert. Eine unterirdische Bauweise bietet auch Schutz gegen extreme äußere Einwirkungen. Kernfusion muss noch technisch entwickelt werden und steht zur Lösung der anstehenden Energieprobleme nicht zur Verfügung. Solarenergie ist noch weit entfernt von einem generellen wirtschaftlich konkurrenzfähigen Einsatz. Kernspaltung ist eine seit langem etablierte und wirtschaftliche Technik zur Stromerzeugung.

41 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Der

42 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Nachhaltigkeit (2)

43 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR und GT-Anwendung GT-Technologie 1250 °C Turbinen- Eintrittstemperatur kommerziell verfügbar Hochtemperatur-Materialien verfügbar Schaufelkühlung und Schutzschichten eingeführt 100 MWe und mehr Lebensdauer und Verfügbarkeit gut

44 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR und GT-Anwendung Prinzip: geschlossener GT-Zyklus Vorteile: nur ein Medium (kein Wasser!) kompakte Bauweise elektrischer Wirkungsgrad (bis ca. 45 %) KK 4 unten

45 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR HTR und GT-Anwendung Prinzip: GUD-Zyklus Anwendung von Trockenkühltürmen mögliche Kraft- Wärmekopplung hoher elektrischer Wirkungsgrad ( %) KK 4 unten

46 Forschungszentrum Jülich GmbH Institute for Safety Research and Reactor Technology DPG AKE 24. März 2003, Phlippen, FZJ-ISR Endlagerung (Granit)

47 EPR


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