EEAE ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος 4 Απρίλιου 2007 Πυρηνική ενέργεια νέες προοπτικές Γιώργος Γιαδικιάρογλου Ομότ. καθ. Πυρηνικής Τεχνολογίας Πολ. Ζυρίχης 1
Αντικείμενο και προειδοποιήσεις Ενέργεια: Τεράστιο θέμα. Θα αναφερθώ μόνο σε μερικά σημεία κυρίως σε ηλεκτρική ενέργεια Εάν έχετε τοποθετηθεί δογματικά εναντίον της πυρηνικής ενέργειας θα απογοητευθείτε Διακοπές και ερωτήσεις ενθαρρύνονται 2
Που βρισκόμαστε σήμερα πληθυσμός ανάπτυξη ενέργεια περιβάλλον Αειφορία (sustainability) 3
I Πληθυσμός και ανάπτυξη 4
1999 6 billion 11
2050 9 billion 12
Αύξηση του πληθυσμού: ασυμμετρία Ανεπτυγμένες και αναπτυσσόμενες χώρες 13
Μεγάλες αντιθέσεις: φτώχεια ευημερία κατανάλωση ενέργειας Source: J. Rich, WNA 14
II Ενέργεια 15
Παγκόσμια κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας Source: BP Statistical review of world energy 2006 16
Αποθέματα πετρελαίου στο τέλος 2005 Source: BP Statistical review of world energy 2006 17
Ηροήτουπετρελαίου 18
Κατανάλωση πρωτογενούς ενέργειας: Ανατολή - Δύση 7.5 Energy Consumption (TW) (in terms of power) Per Capita Primary Energy Consumption (kw) 5 2.5 5 2.5 0 1 0 N. America, W and E Europe 1 2 3 4 5 Population (Billion) kw/person Other areas except S. America and Africa Population 1998 2020 19 Source of Data: IAEA, 1999
III Περιβάλλον 20
900 τόνοι CO 2 το δευτερόλεπτο το μεγαλύτερο μέρος από καύση ορυκτών καύσιμων 21
Συγκέντρωση CO 2 στην ατμόσφαιρα 22
Η συγκέντρωση του CO 2 έχει αυξηθεί κατά 30% 23
Global warming -Το φαινόμενο του θερμοκηπίου 24
Το φαινόμενο του θερμοκηπίου Σχεδόν γενική αποδοχή ότι πράγματι η γη θα θερμανθεί κατά μερικούς βαθμούς Τα αποτελέσματα αβέβαια αλλά πιθανότατα καταστροφικά: κυρίως ανύψωση της στάθμης των ωκεανών από τήξη των πάγων Μπορούμε να περιμένουμε; Αρχίζουμε να πιστεύουμε πως όχι 25
Προσωρινά συμπεράσματα Ο πληθυσμός αυξάνεται με ασύμμετρο ρυθμό (Βοράς Νότος) Τα αποθέματα ορυκτών καυσίμων είναι αναγκαστικά πεπερασμένα + φαινόμενο του θερμοκηπίου Η αύξηση κατανάλωσης στις αναπτυσσόμενες χώρες είναι "αναπόφευκτη" Αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας χωρίς σημαντικές δομικές αλλαγές: πολύ δυσμενείς περιβαλλοντολογικές, κοινωνικές, πολιτικές συνέπειες (φαινόμενο του θερμοκηπίου, κλπ.) Πρώτη θετική αντίδραση: Πρωτόκολλο του Κυότο 26
Ποιές πηγές ενέργειας για το μέλλον ; 27
Οι προσφερόμενες λύσεις Εξοικονόμηση/βελτιστοποίηση: τα περισσότερα σοβαρά σενάρια προβλέπουν αύξηση της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας Ανανεώσιμες ενέργειες Ορυκτά καύσιμα και απομόνωση, αποθήκευση του CO 2 (sequestration) Πυρηνική ενέργεια 28
Πυρηνική ενέργεια: διαμετρικά αντίθετες τοποθετήσεις 29
Η προ-πυρηνική άποψη Humankind cannot conceivably achieve a global clean-energy revolution without a huge expansion of nuclear power: to generate electricity to produce hydrogen and battery power for tomorrow s vehicles to desalinate seawater in response to the world s rapidly emerging fresh-water crisis John Rich, World Nuclear Association, 2006 30
Η άλλη άποψη: επικίνδυνη, ακριβή, κατάλοιπα, διασπορά, Nuclear Power s excessive costs, inadequate safety record, and lack of competitiveness make it clear that nuclear energy is the wrong solution to global warming. Instead, federal and local governments should focus more on energy efficiency research and the development of clean, safe, renewable sources like wind, solar, biomass, or geothermal. (National Environmental Trust, Washington DC, 1999) We want to start an energy policy for the future. We want to make a seamless policy. Renewable energy sources, more energy efficiency, saving energy and phasing out nuclear energy are elements of a responsible and sustainable energy policy. (J. Trittin, German Federal Minister for the Environment, 2002) The nuclear industry s disingenuous claims to a role in alleviating climate change must be rejected for what they are: dangerous and selfserving fantasies which would create a serious legacy of deadly radioactive waste, increase the risks of catastrophic nuclear accidents and also vastly increase the threat of nuclear weapons proliferation. (Greenpeace, 2006) 31
Optimistic view: future based on renewable energies only Πολλοί προβλέπουν ένα λαμπρό ηλιακό μέλλον χωρίς να είναι καλά πληροφορημένοι Ένα παράδειγμα: everything will be solar in 30 years Ralph Nader (1978) Συγγραφεύς του Unsafe at any speed, 1965 Επίσης υποψήφιος για την Προεδρία ΗΠΑ σε δυο εκλογές 32
Γιατί το τεράστιο θεωρητικό δυναμικό των ανανεώσιμων (ηλιακών) πηγών δεν πραγματοποιείται στην πράξη; 33
Είναι θέμα εντροπίας Τα ορυκτά και τα πυρηνικά καύσιμα: τεράστια ενεργειακή πυκνότητα Όλες οι ανανεώσιμες μορφές ενέργειας είναι διάσπαρτες και διακοπτόμενες Πετρέλαιο Άνθρακας Φυσικό U (σχάση μόνο του U-235) Φυσικό U (σχάση 100% σε αναπαραγωγικό αντιδραστήρα Ενεργειακή πυκνότητα MJ/kg 42 28 (1) 574 x 10 3 (20'000) 82x10 6 (3'000'000) Φωτοβολταΐκά (CH) -- θερμοηλιακά (έρημος): 3-10-15 W/m 2 στο έδαφος Βιομάζα (οινόπνευμα από τεύτλα, ξύλο, μπαμπού): 0.5 1.5 W/m 2 Άνεμος: 3 W/m 2 στο έδαφος O νόμος: 3 1±1.5 W/m 2 Συνεχής ισχύ ανά μονάδα επιφανείας στο έδαφος 34
Horns Rev (DK), 160 MWp, 68 MWave, 270 M, 3.4 W ave /m 2 35
Η πυρηνική "αναγέννηση" 36
χρειαζόταν ορισμένα "σημεία" Πολύ σημαντική αύξηση της ζήτησης ενέργειας (Ασία) Οι τιμές του πετρελαίου και του φυσικού αερίου που απογειώνονται Πολιτική αστάθεια (Μέση Ανατολή) Σημάδια του φαινόμενου του θερμοκηπίου (ο φετεινός χειμώνας;) Μια ορισμένη "προσγείωση" σχετικά μες τις εναλλακτικές/ανανεώσιμεςμορφέςενέργειας 20 χρόνια χωρίς πυρηνικά ατυχήματα Η πυρηνική ενέργεια (ξανα)εμφανίζεται σαν η αναπόφευκτη λύση 37
Πυρηνική ενέργεια: τα αρνητικά σημεία Πραγματικά: διαφυγή ραδιενεργών προϊόντων της σχάσης σοβαρά ατυχήματα με μικρή πιθανότητα: ρύπανση μεγάλης έκτασης διάθεση των καταλοίπων (transmutation?) διασπορά πυρηνικών όπλων πεπερασμένα αποθέματα ουρανίου (δίχως αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες) Όπως τα διαισθάνεται το κοινό (Perceived): η παραγωγή πυρηνικής ενέργειας είναι επικίνδυνη για ένα μέρος του κοινού και για ορισμένους πολιτικούς (που επωφελούνται όμως από τα προϊόν: το ηλεκτρικό ρεύμα) ατυχήματα, καταστροφές το "πρόβλημα" με τα πυρηνικά κατάλοιπα υποθήκηγιατιςεπόμενεςγενιές συγκεντρωτική τεχνολογία 38
Πυρηνική ενέργεια και αειφορία Η έννοια της αειφορίας είναι σχετική! Καύσιμο: χωρίς αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες: περιορισμένα κοιτάσματα Με αναπαραγωγικούς αντιδραστήρες: πολύ σημαντικά αποθέματα (ουράνιο, θόριο) Κόστος της κιλοβατώρας: εξαρτάται πολύ λίγο από την τιμή του καυσίμου (φυσικού ουρανίου) Περιβάλλον: σε κανονική λειτουργία: οι εκλύσεις ελέγχονται η και παραμένουν αμελητέες Κόστος του κύκλου του πυρηνικού καυσίμου ("Life cycle") και περιβαλλοντολογικές επιβαρύνσεις έχουν ήδη ενσωματωθεί στο κόστος της κιλοβατώρας (αποθεματικά κεφάλαια για επανεπεξεργασία και τελική διάθεση καταλοίπων και αποξήλωση των εγκαταστάσεων) Ασφάλεια: έλεγχος των κινδύνων (τουλάχιστο στη Δύση) μέχρι σήμερα. Υπάρχει "παραμένον ρίσκο" (residual risk - πολύ μικρή πιθανότητα/ μεγάλες συνέπειες) αλλά και οι άλλες εφικτές εναλλακτικές λύσεις συνεπάγονται κινδύνους 39
Τέσσερες γενιές αντιδραστήρων 40
Τέσσερες γενιές αντιδραστήρων 41
"Τρίτη γενιά" ανάπτυξη στο εγγύς μέλλον Εξελιγμένοι (Evolutionary) ALWRs (αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος με κλασσικά συστήματα ασφάλειας) 42
ABWR with active ECCS Αντιδραστήρας ζέοντος ύδατος: Ιαπωνία, Ταιβάν 43
EPR with active ECCS Αντιδραστήρας πεπιεσμένου ύδατος: Φινλανδία, Γαλλία, Κίνα Double-wall containment with ventilation and filtering system Molten core spreading area Containment heat removal system Water tank inside containment 4-train redundancy of main safeguard systems 44
"Τρίτη γενιά +" για ανάπτυξη στο εγγύς μέλλον Passive ALWRs (αντιδραστήρες ελαφρού ύδατος με παθητικά συστήματα ασφάλειας) 45
Προχωρημένοι ΑLWR με παθητικά συστήματα επείγουσας ψύξης της καρδιάς και του περιβλήματος ασφάλειας Αντικατάσταση των ενεργών συστημάτων (αντλίες, γεννήτριες, ) με παθητικά συστήματα που βασίζονται για τη λειτουργία τους σε φυσικές δυνάμεις: βαρύτητα, αποθηκευμένη ενέργεια, παθητική απόρριψη θερμότητας στο περιβάλλον, Εξίσου καλή η καλύτερη ασφάλεια με πολύ σημαντική απλοποίηση του όλου συστήματος 46
Τα παθητικά συστήματα Replacement of highly redundant safety-grade ECCS systems by passive systems does not necessarily improve safety but has the potential of significantly reducing capital and operating costs: reducing upstream complexity εξαλείφεται η πολυπλοκότητα των παροχών "που κρύβονται από πίσω" Fuel, air, Diesel Electricity ECCS coolant delivery Startup and control 47
Avoid the sophisticated, redundant, etc. safety grade ECCS and its upstream complexity DG Room Ventilation System Emergency Bus Loading Program Initiation Signal Crankcase Ventilation Engine Governing Control DG Lubrication Oil System DC Pwr Courtesy of B. Shiralkar, GE Nuclear Energy Starting Air Diesel Generator Room 1 of 3 DG Cooling Water System Diesel DG Fuel Oil System Air Intake & Exhaust DG Fuel Oil Storage and Transfer System Plant Service Water Generator Control and Protection Generator Emergency Bus Breaker Closes < 10 s HVAC Plant Service Water Breaker Pump Motor HVAC Reactor Component Cooling Water Breaker Pump Motor RCCW HVAC Emergency Core Cooling System Breaker Pump Motor Typical of HPCS, LPCS, & RHR Conventional Active Plant Loads Water Source Loads A Q Plant Service Water Q ADS Logic DC Pwr M ECCS Logic Initiation Signal ADS RPV Core A S/P Aux. Water Source M Passive Plant 48
AP1000 Passive safety system design: savings through simplification 50% Fewer Valves 35% Fewer Pumps 80% Less Pipe* 45% Less Seismic Building Volume 85% Less Cable Reduced Number of Components 1000 MW Reference AP1000 Safety Valves 2844 1400 Pumps 280 184 Safety Grade Piping 110,000 LF 19,000 LF Cable 9.1 MLF 1.2 MLF Reduced Amount of Building Materials Seismic Building Volume 12.7 Mft 3 5.6 Mft 3 49
Παράδειγμα: Ρήγμα του πρωτεύοντος κυκλώματος ψύξης των AP600, AP1000: Core Make-up Tank (CMT) Principle of CMT: the top of the tank is connected to the primary system by a pressure equalization line; gravity injection of coolant into the RPV at any pressure is made possible. 50
Παθητική πλήρωση του πρωτεύοντος κυκλώματος ψύξης του ESBWR: Gravity Driven Cooling System (GDCS) Courtesy of B. Shiralkar, GE Nuclear Energy Following depressurization of the primary system by the ADS gravity driven flow keeps core covered 51
Παράδειγμα: Παθητική ψύξη του περιβλήματος ασφάλειας Passive Containment cooling AP600, AP1000 Cooling of the containment from outside by natural circulation, aided initially by a water spray Volume (power) to surface limitation 52
Παράδειγμα: Παθητική ψύξη του περιβλήματος ασφάλειας Passive containment cooling: PCCS των ESBWR, SWR-1000 SWR-1000 53
Αντιδραστήρες τέταρτης γενιάς 54
Long-term developments: Generation IV have agreed on a framework for international cooperation in research for an advanced generation of nuclear energy systems, known as Generation IV. Deployment before 2030 55
Τα έξη συστήματα Generation IV 56
Στόχοι: Goals for Generation IV Systems Sustainability 1 Generation IV nuclear energy systems will provide sustainable energy generation that meets clean air objectives and promotes long-term availability of systems and effective fuel utilization for worldwide energy production. Sustainability 2 Generation IV nuclear energy systems will minimize and manage their nuclear waste and notably reduce the long-term stewardship burden, thereby improving protection for the public health and the environment. Economics 1 Generation IV nuclear energy systems will have a clear life-cycle cost advantage over other energy sources. Economics 2 Generation IV nuclear energy systems will have a level of financial risk comparable to other energy projects. Safety and Reliability 1 Generation IV nuclear energy systems operations will excel in safety and reliability. Safety and Reliability 2 Generation IV nuclear energy systems will have a very low likelihood and degree of reactor core damage. Safety and Reliability 3 Generation IV nuclear energy systems will eliminate the need for offsite emergency response. Proliferation Resistance and Physical Protection 1 Generation IV nuclear energy systems will increase the assurance that they are a very unattractive and the least desirable route for diversion or theft of weapons-usable materials, and provide increased physical protection against acts of terrorism. 57
SCWR: ελαφρού αλλά υπερκρίσιμου ύδατος 58
VHTR: τεχνολογία "γραφίτης-ήλιο" αλλά για πολύ υψηλές θερμοκρασίες: παραγωγή υδρογόνου (1000 C) 59
Tο καύσιμοhtr-vhtr Diameter 1 mm 60
Workers on top of the core 61
LFR: τετηγμένου μόλυβδου, ταχέων νετρονίων 62
GFR: αναπαραγωγικός, ψύξη με ήλιο 63
SFR: αναπαραγωγικός, ταχέων νετρονίων, ψύξη με υγρό νάτριο 64
MSR: τετηγμένου άλατος 65
Tο «άμεσο» μέλλον της πυρηνικής ενέργειας 66
Eξελίξεις στις ΗΠΑ 67
Ειδήσεις: Μερικοί πρόσφατοι τίτλοι (2007) European minority worry about nuclear (30 March) Environment Ministers from Austria, Iceland, Ireland and Norway met in the convivial surroundings of Dublin Castle on 26 March, to discuss their position on nuclear energy. They recognised it remains the sovereign right of each country to decide on its energy mix but stated that their view was that nuclear energy can not claim to be a clean alternative to fossil fuels. Nuclear energy plans progress in Turkey [Turkish Daily News, 20 March] Studies for sixth Finnish reactor (30 March) Committee studies nuclear for oil sands (30 March) Russia to invest $5.75bn in nuclear energy (28 March) Fluor creates nuclear power business unit [Fluor, 22 March] Eon considers building plant in Slovakia [Bloomberg, Slovak Spectator, 22 March] PBMR under consideration for synthetic fuels in South Africa (16 March) TXU choose Mitsubishi for new reactors (15 March) EU commits to reduce CO2 (16 March) Balkan states call for Kozloduy restarts (14 March) UK Minister backs nuclear, launches first ever climate bill (13 March) 68
Ειδήσεις: Μερικοί πρόσφατοι τίτλοι (2007) Suez to "own and operate" nuclear plants (10 March) EU sets carbon and renewables targets, backs nuclear (9 March) TVA uprate returning reactor and consider more (8 March) Texas kills coal projects, affirms nuclear (9 March) China progress on new reactors (9 March) International report on UK energy policy (9 March) Alberta prepares for nuclear power (9 March) Exelon's Clinton site suitable for new nuclear (9 March) TVA uprates returning reactor and considers more (8 March) Switzerland affirms nuclear future (2 March) Poland and Baltic states to build reactor (2 March) New Indian reactor starts up (2 March) Chile to propose nuclear power (2 March) South Africa expanding nuclear reliance (23 February) 69
Η "αναπόφευκτη" άμεση και μεσοπρόθεσμη λύση ΓιαναμειωθούνταατμοσφαιρικάεπίπεδατουCO 2 Ανυπαρξία άλλης πλήρους λύσης η εξοικονόμηση ενέργειας - ηκαλύτερηλύση- σκοντάφτει σε κοινωνικά και πολιτικά εμπόδια ηεισαγωγήτωνανανεώσιμων πηγών είναι βραδεία και ακριβή Carbon sequestration είναι μια μακρινή, αβέβαιη, ακριβή και προσωρινή λύση ησύντηξηδεν θα είναι έτοιμη πριν πολλά χρόνια όταν / εάν πραγματοποιηθεί θα είναι μια πολύπλοκη τεχνολογία οι αναπτυσσόμενες χώρες δεν είναι διατεθειμένες να κάνουν ενεργειακές θυσίες Πρέπει να μειωθούν ακόμα τα residual risks της πυρηνικής τεχνολογίας (που υπάρχουν όμως και αλλού) 70