t.09.15- Verbruik U en Th

1-   Kentallen voor U-verbruik
In [ZZ.03] heb ik via jaarcijfers van de World Nuclear Association het gemiddelde verband berekend tussen de (bestelde) hoeveelheid Uranium ,  de elektra-produktie ,  èn welke produktie-kapaciteit daarvoor gebruikt werd.
Uiteindelijk kom ik daar tot de volgende resultaten :
–  voor de geproduceerde elektra :   26,2 ton U/TWh (67250 ton U  voor  2563 TWh)
–  voor het gebruik per reactor :   ~182 ton U/GW.jr (betrokken op daadwerkelijke inzet van centrales)

Opmerkingen :
–  Het gaat over gemiddelden ;  de waarden kunnen per land best verschillen en per type reaktor enigszins
–  De bestelde hoeveelheid Uranium hoeft niet hetzelfde te zijn als de in dat jaar verbruikte voor de geleverde elektra.  Door de gegevens over meerdere jaren (2007….2019) te gebruiken worden teveel en te weinig bestellingen uitgemiddeld ,  waardoor er een goede indikatie overblijft voor het Uranium-verbruik tegen de elektra-produktie
–  In de originele tabellen [ZZ.03] wordt de kapaciteit van beschikbare centrales weergegeven ,  niet de werkelijk gebruikte kapaciteit (die een reëler verbruikcijfer zal geven)
Daarom heb ik geprobeerd te korrigeren voor het feit dat na “Fukushima” (2011-03) in Japan tijdelijk bijna alle centrales buiten bedrijf zijn gesteld ;  dat zie je in de terugval in E-produktie specifiek in Japan zelf. In de jaren nadien zijn er centrales geleidelijk weer opgestart. Dit is verwerkt via een kapaciteits-korrektie
Ook bleek er even een schrikreaktie over de wereld te gaan ;  dit heb ik niet kunnen korrigeren.

• 2-   Energie-inhoud  U
• –  In [ZZ.01] staat 1 kg Uranium-235 genoteerd op 23,09.10⁶ kWh energie-inhoud.
• –  In [ZZ.03]  werd berekend dat voor de produktie van 2563 TWh elektra gemiddeld 67.250 ton Uranium besteld/gebruikt werd.  Slechts 0,72% hiervan [N.01] is het splijtbare, energie-leverende U-235 ;  overeenkomend met 484 ton ,  dus met een totale energie-inhoud van ~11,180.10¹² kWh = 11180 TWh. 
  • Inklusief tussentijds opwerken van de brandstofstaven is van deze 11180TWh in centrales met een rendement van 35% slechts 7323TWh nodig voor omzetting naar 2563 TWh elektra. (Van deze 7323TWh wordt dus direkt 4760 TWh weggekoeld !)
• Van de aangeleverde 11180 TWh wordt dan 3857 TWh (166 ton , of 34,5%) niet eens gebruikt (= 11180 – 7323)
  • Dit zijn vermoedelijk de verliezen in de chemische processen van de verrijking, en/of bij het opwerken van de brandstofstaven, èn/of de achterblijvende energie in de brandstofstaven die tenslotte niet meer opgewerkt (kunnen) worden. Zie Apx.09.09.03
    • Deze 34,5% behoort bij het radioaktief afval van deze technologie….
• Samengevat :  de oorspronkelijke 11180 TWh energie geeft uiteindelijk maar 2563 TWh elektra ;  dwz dat Uranium-235 slechts voor 22,9% elektra levert ,  het overige wordt warmte en radioaktief afval
• Zie nog aantekeningen in punt 4–

• 3-   Schatting van verhouding verbruik U en Th
• In eerste instantie kon ik hierover geen verwachting vinden.  Daarom heb ik de volgende redenering opgesteld (“educated guess”)
• –  [ZZ.01] meldt dat 1 ton Th 24.10⁹ kWh energie bevat.
  • –  Vlgs [N.22 en Apx.09.15.01 ] wordt van Th-232  ca 94%  tot U-233 gemuteerd
    • in de veronderstelling dat de energie evenredig meegaat vertegenwoordigt de oorspronkelijke ton Th-232 dus 22,56.10⁹ kWh nucleair winbare energie  (voor deze aanname kon ik op Internet niks beters vinden)
      • –  Die andere ~6% levert U-234 ,  geen splijtings-energie ,  maar wel gevaarlijke gamma-straling… (zie Apx.09.15.01)
• –  Bij gelijk Th-reactor-rendement (gemiddeld 35% voor U-centrales) zou dan voor 2563 TWh elektra-opbrengst 324 ton U-233 nodig zijn (0,35 x 324 x 22,56 = 2563)
  • * Daarvoor is 345 ton Thorium nodig   (=324/0,94) ;
  • * en dat geeft een verhouding van 195 U : 1 Th   (=67250/345)
    • * Maar hier moet nog wel gekorrigeerd worden voor verliezen in de chemische fabriek [N.33]
      • (bij 12,5% verlies kom je op een verbruiks-verhouding van 171 Uranium : 1 Thorium)
• –  Vlgs [N.32] zijn er echter redenen om aan te nemen dat een Th-centrale een hoger rendement zal hebben dan een U-centrale
• Laten we eens aannemen dat het totaalrendement naar 45% gaat ipv van een gemiddelde 35% voor de U-centrales
  • • NB :  verondersteld is dat het verlies in de komplekse chemische processing [N.33] voor aanmaak èn voor het “op peil” houden van de reaktorvloeistof verrekend is in dit totaalrendement
    • Zie ook de tabel in t 06 (bij “RENDEMENTEN”)
  • * Dan zijn er niet 345 porties Thorium nodig maar 268   (=345 *35/45)
• –  De bruto tonnage-verhouding is hiermee  67250/268 ,  ofwel  251 Uranium : 1 Thorium
• –  Op grond van deze redenering wordt in [SCN] per 2073 gerekend met vervanging van 291000 ton U door 1160 ton Th.
  • • (NB :  het gaat hier om de oorspronkelijke on-verrijkte Uranium)

• In [N.26] veronderstelt de auteur (K Sorensen ,  artikel in 2006) een rendement van 50% voor de Thorium-technologie ;  dit rendement zou gehaald worden dankzij de inzet van een heliumgas-turbine.
• Maar aangezien deze turbine al sinds 1956 niet doorgebroken is in kern-centrales ,  vraag ik me af of dit een werkbaar alternatief is….
• –  KS stelt dat er 67000 ton U nodig is voor 2560 TWh elektra bij 33% rendement ;  en dat uit 1 ton Th wel 11 TWh elektra gemaakt wordt bij 50% rendement. Als je ook voor de Th-centrale 33% rendement zou stellen ,  kom je op een verhouding van 190 ton U tegen 1 ton Th .
  • * hierboven kwam ik op 195 : 1 uit !
  • * heeft de auteur rendementsverlies ingeschat voor de chemische processing ?

• 4-  De U-werkelijkheid is gekompliceerder !
  • Zie Apx.09.15.01 voor verdergaande onderbouwing en uitleg dan hieronder
• Voor de berekening in punt 2 hierboven ben ik uitgegaan van de idee dat alleen U-235 betrokken is bij de kernreaktie in de huidige reaktoren.
• Maar ook U-238 speelt mee !  namelijk doordat langzame neutronen van de U-235 splijtreakties een deel van de U-238 omzetten in splijtbaar Plutonium (toxisch !)
  • Een deel hiervan is Pu-239 dat (deels ?) zal splijten en bijdragen in de door ons gewenste energie.
  • De overige Pu blijft achter in de brandstofstaven (die al dan niet opgewerkt gaan worden).
• Dit betekent dat minder U-235 gesplitst wordt dan ik hierboven aannam…. Maar aangezien per hoeveelheid atomen de splijtingsenergie van Pu-239 ongeveer net zo veel is als van U-235 ,  is dit geen reden om het geschatte verhoudingsgetal 251 : 1 aan te passen !

• Aanpassing van de verbruikte hoeveelheid U-235
• In het meest gangbare type reactor (LWR) levert Pu 1/3 deel van de opbrengst (bron…Wikipedia)
• Dus wordt evenzoveel minder U-235 gespleten (zie hierboven)
  • Zoals we hierboven zagen werd 166 van de aangeleverde 484 ton U-235 sowieso al niet gespleten ; en daar komt nu nog 106 ton bij (1/3 van (484-166) ton).
• Van de 484 ton U-235 wordt dus uiteindelijk 272 ton niet gespleten :  goed 56% , gemiddeld over alle verbruik (inkl. eventuele opwerking).
  • hiermee kan ik me voorstellen dat ik ooit las dat ingebrachte nieuwe brandstofstaven al verwisseld werden als het percentage U-235 in de brandstofstaven ongeveer 1% gedaald was (bijv van ca 4 naar 3% ,  dwz als 25% verbruikt was van de aanwezige U-235)
  • Na enkele malen opgewerkt te zijn zal het totaalverbruik van U-235 gestegen zijn van 25 naar 44%  (=100 – 56)
• De niet gebruikte U-235 “verdwijnt” in het radioaktief afval…..

Opm : een kern-fysicus zal wellicht verbeteringen willen aanbrengen in bovenstaande redeneringen…. (kommentaar welkom)