PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019

Transkriptio

1 PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019 Prof. Filip Tuomisto Fuusion perusteet, maanantai

2 Reaktorivierailu ma klo Osoite: Otakaari 3 Pakollinen ilmoittautuminen: mycourses Sulkeutuu ma klo Pakollinen kuvallinen poliisin myöntämä henkilöllisyystodistus: passi, ajokortti, henkilökortti Läsnäolo ei pakollinen

3 Päivän aiheet Fuusioreaktio(t) Fuusion vaatimat olosuhteet Miten fuusiota voidaan ylläpitää? Pohdintaa yksinkertaisen mallin rajoituksista Vaihtoehtoisia fuusioreaktioita

4 Fuusioreaktio Auringon sydän tuottaa 380 jotawattia (3.8 x W) fuusioreaktioilla Auringossa vedyn isotoopit fuusioituvat heliumiksi tämä silloin kun tähden massa on enintään auringon suuruusluokkaa jos tähden massa > 1.3 aurinkoa, niin raskaammatkin ytimet fuusioituvat (hiili, happi, typpi)

5 Fuusioreaktio, jatkuu

6 Fuusiorelevanteissa lämpötiloissa aineen olomuoto on plasma Plasma on (sähköstaattisesti) neutraali Plasman kuumana pitäminen edellyttää sen koossapitoa gravitaatio inertia magneettikentät

7 Fuusioreaktioita (käyttökelpoisia?)

8 Käytännöllisin: D-T -fuusio Suurin reaktionopeus matalissa lämpötiloissa Vapautuvan energian määrä: 17.6 MeV Pääosa (80%) neutroneilla, näillä tuotetaan lämpöä ja hyödetään lisää tritiumia (litiumista) 4 He (α-hiukkaset) lämmittävät plasmaa sisäisesti, mahdollistaen itseään ylläpitävän fuusioprosessin

9 Käytännöllisin: D-T -fuusio Fuusioituvien ydinten täytyy voittaa sähköstaattinen repulsio! Täytyy lämmittää jotta saadaan ydinten liike-energia riittävän korkeaksi Käytännössä n. 10 kev (n C) on saavutettavissa D-T fuusio kolme kertaluokkaa todennäköisempi kuin seuraava (D-D)

10 Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Sisäinen lämmönlähde: fuusio-α:t (> 1 MeV) Fuusioteho neutroneissa Säteily- ja kuljetushäviöt Ulkoista tehoa (lämmitystä) tarvitaan, kunnes fuusio ylläpitää itseään

11 Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Syttymisehto: Q = P fusion / P aux >> 1 (Q = 1 break-even) Fuusioteho: P fusion = 5P α = 5n D n T σv E α V p Nettolämpöteho: P heat = P aux + P α P brems Auki: P heat = P aux + n D n T σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p D-T: P heat = P aux n e2 σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p

12 Fuusiotehon täytyy ylittää häviöt (Lawsonin ehto)

13 Energiaa (lämpöä) virtaa jatkuvasti ulos, pitää siis kompensoida Plasman kineettinen energia: W p = 3n e k B TV p Lämmitetään: P heat = dw p /dt + P trans Energian koossapitoaika: τ E = W p / (P heat dw p /dt) Ajasta riippuva tehotasapaino:

14 Tasapainoehto (D-T plasma) Break-even tilanteessa saadaan edellä olevista kaavoista (kun vähän pyöritellään) n e τ E = sm -3

15 Todellisuudessa reaktionopeus riippuu lämpötilasta

16 Onko tämä näin yksinkertaista? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Mitä tapahtuu heliumille? Polttoaineen syöttö, mistä deuterium ja tritium? Olosuhteiden / koossapidon vaatima energia Lämmityksen hyötysuhde, fuusiosähkön hyötysuhde Kuinka pitkään materiaalit kestää?

17 Onko tämä näin yksinkertaista (2018)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Mitä tapahtuu heliumille? Plasman puhtaus yleensä, irtoaako seinistä materiaalia? Plasman tiheys ei vakio paikan tai ajan suhteen Polttoaineen syöttö Osa fuusioneutroneista käytetään tritium tuottoon Sähköntuotannon hyötysuhde Olosuhteiden luomiseen tarvitaan energiaa Ulkoisen lämmitystehon hyötysuhde

18 Onko tämä näin yksinkertaista (2017)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Plasman homogeenisuus ei välttämättä vakio ajan suhteen Polttoainetasapaino (kuluminen, syöttö) Materiaalien kestävyys ja ominaisuudet Hyötysuhteet (lämmitys, sähköntuotto)! Plasman puhtaus, mukaan lukien syntyvä 4 He Olosuhteiden luominen ei ilmaista sekään

19 Onko tämä näin yksinkertaista (2016)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Magneettikenttä pitää synnyttää jotenkin (teho) Sähköntuoton hyötysuhde Käytetään jotain muuta kuin D-T Heliumin poisto Polttoaine sisään? Tiheys, lämpötila ei vakioita (ajan tai paikan suhteen)

20 Onko tämä näin yksinkertaista (2015)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: koossapitoon (magneetit, laserit?) menevä teho tiheys, lämpötila vakioita? epäpuhtaudet miten materiaalit kestää? fuusiotuotteet: erityisesti He polttoaineen syöttö ja tuotto lämmönsiirto, hyötysuhde

21 Pohditaan hetki muitakin kuin D-Treaktioita D-D-reaktio ei tarvitse huolehtia sekoitussuhteesta tritiumia tulee toisesta reaktiohaarasta (bonuksena D-T fuusio) pienemmät reaktiotuotteiden (erityisesti neutronien) energiat Muut polttoaineet: esim. 3 He, 11 B vaativat koossapidolta enemmän (tiheys, lämpötila, jne) deuterium ja tritium helposti saatavilla (D-pitoisuus 33 mg litrassa vettä, tritiumia hyötämällä litiumista)

22 Fuusio huoneenlämpötilassa: scifiä?

23 Yhteenveto Fuusioreaktion ylläpitämiseen tarvitaan sopivasti koossapidettyä kuumaa plasmaa magneettinen, inertiaali- tai gravitaatiokoossapito Break-even ja syttyminen (Lawsonin ehto) sisäisen lämmityksen tulee ylittää häviöt käytännössä heliumin tuotto ja epäpuhtaudet asettavat lisäehtoja toiminnalle D-T tällä hetkellä suosituin vaihtoehto paras tehontuotto matalissa lämpötiloissa Polttoainetta helposti saatavilla (D-D voisi tulevaisuudessa tosin olla parempi)

24 Kotitehtävä maanantaiksi Ei kotitehtävää, mutta kertaa kotitehtävän 9 (SMR) materiaaleja ja vastauksiasi! Ville Tulkin sijaan tuleekin Ville Sahlberg, mutta luennon sisältö on sama

25 Viimeiset kotitehtävät (12): to Lue kansallisen ydinturvallisuustutkimusohjelman (SAFIR2022) runkosuunnitelma (mycourses). Vastaa seuraaviin kysymyksiin: Mitä tutkimusohjelmalla tavoitellaan? Kuvaile lyhyesti kokonaisturvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti reaktoriturvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti rakenteiden turvallisuuden tutkimustarpeet. Mitä koelaitteistoja Suomessa on ydinturvallisuustutkimuksen käytettävissä?

26 Viimeiset kotitehtävät (13): ma Tutustu Haldenin reaktoriprojektiin sekä tulevaan Jules Horowitz materiaalintutkimusreaktoriin seuraavien nettisivustojen avulla: Mitä tutkimusta näillä reaktoreilla tehdään tai aiotaan tehdä? Mitä materiaaleja niissä tutkitaan? Mitä näiden materiaalien tutkimiseen tarvitaan näiden reaktorien lisäksi?

27 Viimeiset kotitehtävät (14): torstai Lue kansallisen ydinjätehuollon tutkimuksen (KYT2022) puiteohjelma (mycourses). Vastaa seuraaviin kysymyksiin: Mitä tutkimusohjelmalla tavoitellaan? Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon teknologioiden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon turvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon yhteiskunnalliset tutkimustarpeet (hyväksyttävyys).

28 Viimeiset kotitehtävät (15): ma 1.4. Lue sivut (kappale 1.4) Kikuchin, Lacknerin ja Tranin toimittamasta Fusion Physics kirjasta (löytyy Nopasta) Vertaile magneettiseen koossapitoon perustuvaa sekä inertiaalifuusiota Selitä lyhyesti molempien perusperiaatteet Mitkä ovat tärkeimmät yhtäläisyydet ja erot?

29 Viimeiset kotitehtävät (16): to 4.4. Tutustu lehden Journal of Nuclear Materials vuoden 2019 kahteen ensimmäiseen numeroon: 513 (ss ) ja 514 (ss ). Finna-portaalin kautta pääsee (kun kirjautuu sisään Aalto-tunnuksilla, aalto.finna.fi) Elsevierin Science Direct palveluun, josta lehti löytyy Minkä tyyppisiä materiaaleja ydintekniikan alalla tutkitaan? Mitä niistä yritetään selvittää? Miten? Ovatko kaikki olennaiset materiaaliryhmät edustettuina? Puuttuuko lähestymistapoja?