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Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676

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Präsentation zum Thema: "Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten Tel.: (49) 0681/ 302-2737; Fax /302-4676"—  Präsentation transkript:

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2 Klimaschutz - kann Kernenergie einen Beitrag leisten Tel.: (49) 0681/ ; Fax / (für größere Homepage: Dr. Gerhard Luther Universität des Saarlandes, FSt. Zukunftsenergie c/o Technische Physik – Bau E26 D Saarbrücken EU - Germany V_Rotary_AKW-Vk ppt

3 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, CO2-frei, kleine Massenströme 5. Vorbehalte zum regulären Weiterbetrieb der AKW 6. Was bringt die Zukunft: Reaktoren der Generation IV (?), Kernfusion (???)

4 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: 1.

5 Wilfried Endlicher und Friedrich-Wilhelm Gerstengarbe (Hrsg.) Der Klimawandel - Einblicke, Rückblicke und Ausblicke ISBN Herausgeber: Potsdam Institut für Klimafolgenforschung e.V. PF Potsdam Gesamtredaktion und Gestaltung: Humboldt-Universität zu Berlin Geographisches Institut Rudower Chaussee Berlin Sehr empfehlenswerte Literatur, Texte und Vortragsbilder, frei zugängliches Seminar der Humboldt-Universität Berlin Link:

6 Jahre vor heute CO 2 -Konzentration (ppm) '000200'000300'000400'000500'000600'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399: Heute 380 ppm BQuelle: C.Körner :Wälder als Kohlenstoffspeicher..

7 Quelle: Stern Report, Folie 4: costs Falling -1 bis -3%/a Im Klartext: Wir dürfen jetzt keine Zeit mehr verlieren, sonst lässt sich auch das Ziel 550 ppm CO2 equ nicht mehr erreichen

8 Was tun

9 Ansatzpunkte zur Wende 1. CO2-freie Energiequellen Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion? Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO2 Sequester und GeoEngineering 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

10 Die Kernenergie in der weltweiten Stromerzeugung 2.

11 Strombedarf 2005 und 2030 und seine Erzeugung Quelle: VGB Powertec 2009: Zahlen und Fakten zur Stromerzeugung 2008; Speicher: VGB2008_Zahlen-undFakten-zuirStromerzeugung_28ppt.pdf

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

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14 Atomkraftwerke 3.

15 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)

16 U_Gießen_Düren_Vorlesung Kernphysik4_Vorlesung5: Kernenergie

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

18 Wo punktet die Kernenergie: 1. Strompreis 2. CO2 – frei 3. kleine Massen (heimische Bevorratung) 4.

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

20 All rights are reserved, see liability notice. AREVA NP - - S Klimaschutz Spezifische Emissionen im Vergleich Erdöl Photovoltaik Wind Wasser Braunkohle Steinkohle Erdgas Kernenergie Referenzwert IER Stuttgart g (CO2-äq.)/kWh Quellen: DAtF, IER, UBA, Kearney, PSI, Öko-Institut

21 CO 2 -Vermeidung weltweit Kohle; TWh (40 %) Öl; TWh (7 %) Gas; TWh (20 %) Kernenergie; TWh (16 %) Wasserkraft; TWh (16 %) Biomasse/Abfall 175 TWh Geothermie, Sonne, Wind, Meeresenergie 140 TWh 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 BQuelle: Areva

22 Kernkraftwerke vermeiden bereits heute weltweit jedes Jahr rund 2,5 [Gt] CO2 bei einem globalen Gesamtausstoß von rund 11 [Gt ] CO2 aus der Stromerzeugung. Quelle: Dr. Walter Hohlefelder, Präsident des Deutschen Atomforums e. V. Jahrestagung Kerntechnik, Mai 2009, Dresden

23 CO2 Mehremission bei vorzeitigen Atomausstieg in Deutschland 160 Mt/a CO2 ersparten die AKWs 2004 im Vergleich zur historischen Alternative =hätte man seinerzeit Kohlekraftwerke statt AkWs gebaut und damit den gleichen Stom produziert) 112 Mt/a CO2 Mehremission bei Ersatz durch StromMix mit 40%Gasanteil Der vorzeitige Atomausstieg kostet uns 10% -Punkte CO2-Einsparung Quelle: DPG-Studie 2005 Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 zu 1990 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen.

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

25 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. 5.

26 Zur Sicherheit in AKW

27 Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – > AREVA NP 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 Energie- erzeugung durch die Kettenreaktion ein selbststabilisie- rendes 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

28 Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – > AREVA NP 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

29 Waas – Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – > AREVA NP 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

30 > AREVA NP < Das Sicherheitskonzept deutscher Anlagen – international richtungweisend Aachen, Ulrich Waas AREVA NP GmbH, NRA1-G Weitere Details: siehe diesen Vortrag von Ulrich Waas

31 Statistik der tatsächlichen Ereignisse

32 The International Nuclear Event Scale (INES) Users Manual, 2001 Edition Quelle:http://www-news.iaea.org/news/inesmanual/INES2001.pdf Speicher: IAEA2001_INES-UserManual_102p.pdf

33 Quelle: 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,

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

35 Stufe / Kurz- bezeich- nung Aspekte Erster Aspekt: Radiologische Auswirkungen außerhalb der Anlage Zweiter Aspekt: Radiologische Auswirkungen innerhalb der Anlage Dritter Aspekt: Beeinträchtigung der Sicherheitsvorkehrungen 3 Ernster Störfall Sehr geringe Freisetzung: Strahlenexposition der Bevölkerung in Höhe eines Bruchteils der natürlichen Strahlenexposition Schwere Kontaminationen Akute Gesundheitsschäden beim Personal Beinahe Unfall Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen 2 Störfall Beinahe Unfall Weitgehender Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen Störfall Begrenzter Ausfall der gestaffelten Sicherheitsvorkehrungen 1 Störung Abweichung von den zulässigen Bereichen für den sicheren Betrieb der Anlage 0 Keine oder sehr geringe sicherheitstechnische Bedeutung Quelle:

36 Zur Endlagerung

37 Quelle:Halliday e.a.: Physik, Wiley,Weinheim, ISBN , p. 1301, Abb.44-6 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.

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

39 Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: Neue Kernreaktoren der Generation 4. Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

40 Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: Neue Kernreaktoren der Generation 4. Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

41 Link zum Original im AKE-Archiv Quelle: J.U.Knebel: Neue Kernreaktoren der Generation 4. Vortrag auf der Jahrestagung der DPG, Berlin2005

42 Kernfusion : kurz vor der Zündung

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

44 Das Lawson Kriterium: Tripelprodukt Praktische Zündbedingungen: Plasmadichte ca Teilchen pro cm 3 Energieeinschlusszeit 1- 2 [s] Plasmatemperatur [M K] Quelle:Milch,I.:Die Sonne auf die Erde holen, PhiuZ 26 (1995),Heft 2,p.69-74; p7; und IPP 1995; Kernfusion- berichte aus der Forschung; p.9; IPP_Kernfusion1995.ppt Zur Zündung müssen : ausreichend viele Teilchen [Plasmadichte n ] oft [ Energieeinschlusszeit ] und heftig genug [Temperatur T ] miteinander zusammenstoßen. Zündkriterium (Lawson): n * * T >= 6* [cm -3 s MK ]

45 MAST 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 [P i =pressure in plasma; τ E = (energy in plasma)/(power supplied to keep it hot)] Quelle: Chris Llewellyn Smith :The Path to Fusion Power, AKE2008F-Heraeus,

46 Aim - demonstrate 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 worlds population ITER

47 Schlussbemerkung

48 Bilanz: Klimawandel, Bevölkerungswachstum, Peak Oil : Engpass bei Energiequellen, insbsondere bei Erschließung von CO2- freien Energiequellen Einsatz an allen Fronten: Erneuerbare Energien, rationelle Energieanwendung CCS (Carbon Capture and Storage) Kernenergie vorerst beibehalten

49 48 Energy Supply and Climate Change,Bad Honnef, Germany, May well…. as a physicist I try to use only "hard" numbers But of course some rely on assumptions as "citoyen" I am of course influenced by my own environment Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO 2 emission than France (world rank 66) France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production –Nuclear Power 78%, Hydro 13% The electricity prize for a private household depends of course of the installed power, type of abonnement (0.066 cts/kWh – cts/kWh taxes included) France constructs a new nuclear powerplant (3rd generation EPR) at Flamanville France has a law that forces the 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 Germany (world polluting rank 33) has a 63% higher per capita CO2 emission than France (world rank 66) France in first-order discards fossile-fueled systems for electricity production –Nuclear Power 78%, Hydro 13% The electricity prize for a private household (6,6 cts/kWh – 10,8 cts/kWh taxes included) Strompreis in BRD: glatt doppelt so teuer Zitat aus dem Vortrag eines französischen Kollegen, Alex Mueller, CNRS, Paris: UrQuelle: AKE2008F_Heraeus AKE2008F_Heraeus

50 Reste

51 Ansatzpunkte zur Wende 1. CO2-freie Energiequellen Erneuerbare Energien ( RE =Renewable Energies) Wasserkraft, Wind, Biomasse, Sonne (thermisch, Strom) Kernenergie ( Generation IV) ; Kernfusion? Geothermie (Oberflächennah, Tiefe Geothermie) 2. CO2 Sequester und GeoEngineering 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

52 Jahre vor heute CO 2 -Konzentration (ppm) '000200'000300'000400'000500'000600'000 Dome Concordia ice core data: Siegenthaler U et al. (2005) Science 310:1313 Vostoc ice core data: Petit JR et al. (1999) Nature 399: Heute 380 ppm BQuelle: C.Körner :Wälder als Kohlenstoffspeicher.. Erdgeschichtliche CO2-Konzentrationen

53 Wenn sich mit dem amtlichen Szenario bei Priorität AtomAusstieg 40 % weniger CO2 in 2020 verwirklichen lässt, dann lässt sich bei Abkehr von dieser Priorität auch ein 50+% CO2-Einsparziel bis 2020 erreichen.


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