t.06- Nucleaire energie

  • –  In dit hoofdstuk behandel ik punten die voor elke vorm van kern-energie gelden.
  • –  In de sub-hoofdstukken daarna heb ik het vervolgens over
    • t 06.01 –  kernsplijting  (Uranium en Thorium)
      • t 06.01.01 –  een scenario voor schatting van hoelang we kunnen doen met de ertsen
      • t o6.01.02 –  snelle kweekreactie  (Uranium)
    • t 06.02 –  kernfusie  (Waterstof-isotopen)
  • ALGEMEEN
  • –  In industrieel opzicht is nucleaire energie alleen te benutten voor de produktie van elektra.
  • –  Het inzetten van nucleaire energie wordt nogal eens gepropageerd als een hygiënische en ekonomische oplossing.
    • * In de kerncentrale zèlf is de produktie van elektra wel CO2-vrij…..
      • andere fasen in de produktie-keten zijn dat niet
    • * De konkurrentie-positie tov “groen” is inmiddels op zijn minst twijfelachtig [N.14]
  • RENDEMENTEN
  • –  De nucleaire energie komt beschikbaar als warmte. Met deze hitte wordt via een warmte-wisselaar hoogwaardige stoom (hoge druk en temperatuur) geproduceerd.  Die stoom drijft een turbine-generator aan , waarbij de stoom expandeert en afkoelt. Na condensatie wordt het water teruggepompt in het circuit. Zie (Hfdst. 09.09. Fig.1)
    • Nucleaire centrales zijn dus in feite thermische centrales.
  • –  Het produktie-rendement van zo’n centrale wordt bepaald door hoogst en laagst optredende temperaturen in het circuit (in dit geval het water/stoom-circuit). Die temperaturen stellen namelijk een bovengrens aan het theoretisch haalbare rendement.
    • –  Het hoogste rendement zou je in deze fase halen als de ideale Carnot-cyclus gevolgd zou (kunnen) worden.
      In hfdst. t 09.08.01 wordt uitgelegd waarom dit theoretisch ideale rendement in de praktijk niet boven de 64% zal uitkomen
    • –  In de praktijk is een Carnot-cyclus niet haalbaar en wordt de Rankine-cyclus toegepast.
      • * en natuurlijk verloopt ook deze cyclus in werkelijkheid niet ideaal ; 
      • * terwijl op Internet voor kerncentrales bedrijfstemperaturen gemeld worden van 290….320°C ,  hetgeen het rendement verder omlaag haalt (naar max 49%,  zie tabel in t.09.08.01)
  • –  En er zijn in het totale elektra-produktieproces nog meer plaatsen met verliezen (bijv in de generator).
    • (de verhouding tussen het Carnot-rendement en het totale centrale-rendement geeft de overige verliezen , zie hiernaast. Deze verliesfaktor gebruik ik ook bij de hogere temperaturen)
  • –  In de praktijk komt het totale produktie-rendement op 33…37% [FA.04] voor alle types Uranium-kerncentrale (33% voor oudere centrales ?)
    • Dit behoort tot de laagste omzettingsrendementen voor elektra-produktie. Diesel-aggregaten liggen in dezelfde orde ,  maar die worden alleen toegepast op kleinere niet goed bereikbare lokaties , bijv eilandjes
  • –  De konstruktie-materialen zijn beperkend voor de hoogst toepasbare temperatuur bij de heersende (stoom)druk.
  • Reken maar dat er in de afgelopen 50 jaar veel research is geweest voor materiaal-onwikkeling…. Daarom is het minder waarschijnlijk dat het totaal produktie-rendement de 40% haalt in de eerstkomende decennia.
    • Tenzij misschien ….   als ipv de stoom-cyclus uiteindelijk toch een gesloten Helium-cyclus realiseerbaar blijkt
      • (hiervan is overigens al sprake sinds de jaren-50 van de vorige eeuw !)
      • Zie ook slot van alinea “Schaalbaarheid” ,  bij HOLOS
  • –  Zolang 40% rendement niet gehaald wordt is het eigenlijk al een te positieve benadering als gesteld wordt dat er tegenover 100% elektra (P) minstens 150% aan direkte afvalwarmte uit de kerncentrale naar de omgeving weggekoeld moet worden. Ook de elektra zelf eindigt in warmte ,  dus zal het milieu met minstens 2,5P belast worden. (Zie hfdst. t 08)
  • –  Niet het elektrische ,  maar het ekonomisch centrale-rendement kan nog wat worden opgekrikt door het afvalprodukt condensatie-warmte te gebruiken voor verwarming van omliggende woonwijken, etc. Dit kan niet overal en is bovendien seizoensafhankelijk ,  dus moet de koelcapaciteit van de centrale maximaal gedimensioneerd blijven.
    • Er zal best ook een portie warmte afvloeien naar industriële doelen in de omgeving ,  maar iha. is warmte van ~100°C of minder daar niet bijster interessant
  • –  Opm :  de toekomstige Thorium-technologie zou hogere rendementen geven…. 
    Deze zou namelijk werken bij atmosferische druk in het reactorvat ,  dus mag de temperatuur hoger ,  misschien naar 550°C ?
    • Dan zou vlgs bovenstaande tabel een rendement van bijv 48% mogelijk zijn , nog wel te korrigeren voor de verliezen in de noodzakelijke chemische processen….
      • Open kwestie :  in hoeverre wordt de toelaatbare temperatuur beperkt door de agressieve chemische omstandigheden in de Th-reactor ?
  • REGELBAARHEID
  • Door hun omvang (0,5…1,7GW) kunnen kerncentrales niet snel op- en afgeregeld worden bij variërende vraag.
    • – temp.variaties over de dikke wanden van het reactorvat geven te grote plaatselijke trek- en druk-spanningen in het materiaal , waardoor bij (snelle) temperatuurwisselingen haarscheurtjes kunnen ontstaan (met het risiko van doorgroeien). 
      • Die dikke wanden (bijv. 18cm) zijn nodig om de optredende proces-drukken (bijv. 150 bar) op levensduur te weerstaan bij de heersende temperatuur (bijv 300°C of hoger).
  • Daarom zijn er strikte reguleringen voor vermogens- , dus temperatuurs-variaties binnen korte tijd.
  • Voorbeelden :
    • *  sinds 2001 moeten nieuwe (3e generatie) centrales tussen 50 en 100% van hun kapaciteit kunnen variëren binnen 15 minuten [N.24] ; zij het dat ze dit maar een gelimiteerd aantal keren in hun levensduur mogen doen [N.29]
    • *  de moderne EPR-centrale zou kunnen opschalen van 25 naar 100% vermogen in ca 30 minuten ;  maar ook dit gaat wel ten koste van zijn levensduur !

LEVERINGSZEKERHEID
–  Leveringszekerheid van de elektra wordt genoemd als argument vóór kerncentrales.
Binnen een bepaalde tijdspanne is dit waar , maar net als alle andere technische apparatuur hebben ook deze installaties periodiek onderhoud nodig ; dat levert een shutdown-tijd van betekenis (met daarnaast nog gemiddeld 4% ongeplande shutdown-tijd …. Ref. ZZ.04 figuur 3)
Dus zul je meerdere centrales moeten inzetten voor redelijke leveringszekerheid

  • ACCEPTATIE
    • * Melding van incidenten en incidentjes (bijv lekkages, haarscheurtjes, storingen) is verplicht ,  maar soms wordt via de media duidelijk dat er wel een en ander onder de pet wordt gehouden…..
    • *  Bovendien is er de kwetsbaarheid voor terroristen of vijandelijkheden
    • *  Er is niet voor niks een non-proliferatie politiek op wereld-nivo :  een poging om ongewenste verspreiding van kennis en techniek te voorkomen, ivm. het risiko op produktie van kernwapens
  • Onder andere om deze redenen worden kerncentrales niet willekeurig geplaatst (zie hieronder)

  • LOCATIES
  • –  Door de behoefte aan veel koeling worden kerncentrales aan zee of grote rivieren geplaatst.  Dit zou ook nu al de beschikbare plaatsen beperken [bron….?]
    • Voorbeeld :  een kleine centrale van 500MW (Borssele) levert in vol bedrijf bij 37% rendement ca 850MW aan afvalwarmte die direkt weggekoeld moet worden. Als je voor het koelwater een temp.verhoging van 10°C toestaat is per seconde ca 20 m3 koelwater nodig !
  • –  Er moet bovendien veel bouwplaats zijn , want na de levensduur van de reactor moet ie bijv 50 jaar rusten eer de ontmanteling kan beginnen. Dus moet er plek zijn voor de ondertussen bij te bouwen centrales.
  • –  Niemand wil een kerncentrale in zijn nabijheid ,  omdat gebruik van kernenergie niet zonder risiko is (heel kleine kans op enorme catastrofe).
    • * Nu al is er veel maatschappelijke weerstand wanneer een bouwplaats voor een centrale gevonden moet worden (“not in my backyard”). En dit terwijl er vlgs [N.20] per 2019-01 in de wereld nog pas 450 kerncentrales waren.
    • Punt om niet te vergeten….

  • Opmerkingen : 
  • 1.-  Een aparte nucleaire niche ligt in de medische sfeer :  bestraling van tumoren  èn  bereiding van nucleaire preparaten (bijv. tracers).
    • Voor die laatste volstaan al een paar centrales over de wereld…. (één daarvan staat in Petten) ;
  • – ook zijn er niches voor gen-modifikatie (zaad-veredeling) ; 
  • – en voor militaire doeleinden (afschrikking)
  • 2.-  Het is jammer dat die stoomfase het haalbare rendement zo aftopt (Carnot). Kennelijk hebben we nog geen efficiëntere manier kunnen vinden om nucleaire energie te benutten….
  • –  Wel is er al sinds halverwege de 1950’s sprake van een gesloten heliumgas-cyclus die hogere rendementen zou kunnen halen [N26a]. Maar die is nog niet doorgebroken….
    • * De auteur van N26 suggereert het gebruik hiervan voor Thorium-centrales ;  en neemt alvast een stevig voorschot op een beter rendement.
    • Zijn er principiële redenen waarom het bij een Thorium-centrale wèl zou lukken ?  terwijl het bij een Uranium-centrale blijkbaar niet lukt.