Neljännen sukupolven fissioreaktorit

Transkriptio

1 Neljännen sukupolven fissioreaktorit Jarmo Ala-Heikkilä, opettava tutkija Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu Teknillisen fysiikan laitos Aalto University School of Science and Technology Department of Applied Physics

2 Sisällysluettelo Miksi? - Tarvitaanko ydinvoimaa? Mitä? - Neljäs sukupolvi? (Gen-IV) Missä? - Tutkimus maailmalla ja meillä? Milloin? - Rakennusaikataulu?

3 Tarvitaanko ydinvoimaa? Yksi energiantuotantomuoto muiden joukossa Päästötöntä sähköntuotantoa Suuret laitokset, korkea käyttökerroin => perusvoimantuotanto Mahdollisuus sähkön ohella prosessilämmön ja kaukolämmön tuotantoon Juba

4 Mtoe Tarvitaanko ydinvoimaa? Maapallon väestö kasvaa, elintaso kasvaa =>energiankulutus kasvaa Ilmastonmuutos uhkaa, fossiiliset polttoaineet arvokkaita raakaaineita Siirrytään vety- ja sähkökäyttöisiin ajoneuvoihin - Molemmat polttoaineet täytyy valmistaa Muut uusiutuvat Ydin Biomassa Kaasu Hiilil Öljy Lähde: IEA World Energy Outlook 2006, perusskenaario

5 Ydinvoiman käyttö vedyn tuotannossa Kangas&Auterinen, VTT

6 Riittääkö ydinvoimaa?

7 Ydinvoiman sukupolvet OECD/NEA, Kansainvälinen 4. sukupolven foorumi (GIF): - Teknologiatiekartta julkaistu 2002 ( Generation V Fusion 2060? GEN4FIN

8 Gen-IV-tavoitteet Kestävä kehitys - Kestävä energiantuotanto, uraanin riittävyyden varmistaminen, ydinjätteen määrän ja eliniän minimointi Turvallisuus ja luotettavuus - Sydänvaurioiden estäminen, laitosalueen ulkopuoliset turvatoimet tarpeettomiksi Taloudellisuus - Elinkaaren kokonaiskustannusetu, taloudelliset riskit muiden energialähteiden tasolle Ydinaseiden leviämisen estäminen - Ydinmateriaalin asekäytön hankaloittaminen, laitosten paremmat turvatoimet

9 Gen-IV-vaihtoehdot Kuusi laitostyyppiä valittu tarkempaan tutkimukseen: 1. Kaasujäähdytteinen nopea reaktori GFR 2. Erittäin korkean lämpötilan reaktori VHTR 3. Ylikriittisellä vedellä jäähdytetty reaktori SCWR 4. Natriumjäähdytteinen nopea reaktori SFR 5. Lyijyjäähdytteinen nopea reaktori LFR 6. Sulasuolareaktori MSR Eri vaihtoehdot ovat eri kehitysvaiheissa.

10 Kaasujäähdytteinen nopea reaktori GFR Pääpiirteet: Jäähdyte helium Ulostulolämpötila 850 C Sähköntuotanto kaasuturbiinilla Korkea hyötysuhde Suljettu polttoainekierto, uuden polttoaineen hyötö Aktinidien polttomahdollisuus, toriumin käyttömahdollisuus Haasteita: Materiaalien kestävyys Jälleenkäsittelyn prosessit ja hyväksyntä GIF

11 Erittäin korkean lämpötilan reaktori VHTR Pääpiirteet: Jäähdyte helium Avoin polttoainekierto Ulostulolämpötila yli 1000 C Lämmöntuotanto vetytehtaaseen tai hiilen kaasutukseen Myös sähköntuotanto mahdollista Haasteita: Materiaalien kestävyys Yhdistäminen vetytehtaaseen GIF

12 Ylikriittisellä vedellä jäähdytetty reaktori SCWR Pääpiirteet: Jäähdyte ylikriittinen vesi (ei kiehu) Ulostulolämpötila 550 C Avoin polttoainekierto Korkea hyötysuhde (44%) Hyvä taloudellisuus hyötysuhteen ja yksinkertaisen rakenteen ansiosta Päätehtävä sähköntuotanto Haasteita: Rakennemateriaalit Virtauksen säilyttäminen sydämessä GIF

13 Natriumjäähdytteinen nopea reaktori SFR Pääpiirteet: Jäähdyte natrium-metalli Ulostulolämpötila 550 C Matala paine reaktoriastiassa Kolmannen kierron työaine vesi tai CO 2 Päätehtävä sähköntuotanto Suljettu polttoainekierto, uuden polttoaineen hyötö Aktinidien polttomahdollisuus Haasteita: Natriumvuotojen hallinta Negatiivisen lämpötilatakaisinkytkennän varmistus GIF

14 Lyijyjäähdytteinen nopea reaktori LFR Pääpiirteet: Jäähdyte sula lyijy (tai Pb-Bi) Suljettu polttoainekierto Aktinidien polttomahdollisuus Ulostulolämpötila C Vedyn tuotanto mahdollista Kolme eri kokoluokkaa: akkureaktori ( MWe), keskikokoinen ( MWe), suuri (1200 MWe) Päätehtävä sähköntuotanto Haasteita: Teräksen korroosio lyijyssä Pumppujen kestävyys GIF

15 Sulasuolareaktori MSR Pääpiirteet: Jäähdyte ja polttoaine (U, Pu, Th, Na, Zr) fluoridiseoksena Polttoaineen koostumusta voidaan muokata Suljettu polttoainekierto Päätehtävä aktinidien polttaminen ja sähköntuotanto Ulostulolämpötila yli 700 C Matala paine reaktoriastiassa Haasteita: Polttoaine ja fissiotuotteet reaktorin ulkopuolella Kemialliset erotusprosessit Ylläpito GIF

16 Gen-IV-tutkimuksen yleiset haasteet Taloudellisuus - Kypsät markkinat vs. kehittyvät markkinat - Prototyyppien kalleus - Vedyntuotannon yhdistäminen Turvallisuus, ydinmateriaalin leviämisen esto - Yleinen uskottavuus Polttoainehaasteet - Materiaalien kehittäminen (oksidi, nitridi, karbidi, metalli) - Suljetun polttoainekierron toteuttaminen - Toriumin hyödyntäminen Rakennemateriaalien kehittäminen - Korkeat käyttölämpötilat - Kova neutronispektri - Hankalat jäähdytemateriaalit (Pb, SCW) - Valmistus- ja kokoonpanomenetelmät

17 Gen-IV-tutkimus Suomessa Kansainvälistä yhteistyötä Isot ydinvoimamaat vetureina (Japani, Kiina, Ranska, USA, Venäjä) NOMAGE4: pohjoismainen verkosto ( GEN4FIN: suomalainen tutkimusverkosto ( Suomen Akatemian rahoittama NETNUC-projekti (LTY, TKK, VTT) Esimerkkejä NETNUC-aiheista: - Rakennemateriaalien tutkimus - SCWR:n lämmönsiirron mallinnus - Biojalostamo-konseptikehitys - Torium-polttoainekierto - HTR-reaktorin CFD-mallinnus

18 Gen-IV-tutkimus Suomessa: rakennemateriaalit ylikriittisessä vedessä Sami Penttilä, VTT

19 Gen-IV-tutkimus Suomessa: torium-polttoaine painevesireaktorin hilassa Jaakko Kuopanportti, TKK

20 Gen-IV-tutkimus Suomessa: torium-polttoainekierron ominaisuuksia Toriumin etuja uraaniin verrattuna: Resurssit 2-3 kertaa suuremmat Korkea sulamispiste, parempi lämmönjohtavuus Ei synny pitkäikäisiä transuraaneja Hyötö mahdollinen termisellä spektrillä U-232 auttaa proliferaation estossa Toriumin haittapuolia: Vaatii suljettua kiertoa, ei testattu teollisuusmittakaavassa U-232 vaatii parempia suojauksia jälleenkäsittelyssä Polttoaineen hinta ei kilpailukykyinen (vielä?) Mahdollistaa proliferaation tuottamalla U-233:a

21 Toteutusaikataulu Nopeita Gen-IV-reaktoreita (natrium-, lyijy-, kaasujäähdytteellä) rakennettu aiemmin, samoin sulasuola-prototyyppi (MSR) Natriumjäähdytteinen reaktori SFR lähimpänä toteutusta: - Käynnissä BN-600 Venäjällä, Monju Japanissa - Suunnitteilla ASTRID demoreaktori Ranskassa (tavoite 2020) Kakkosvaihtoehtona Ranskassa kaasujäähdytteinen GFR, Venäjällä lyijyjäähdytteinen LFR (tavoite 2025) Ylikriittisen vesireaktorin SCWR konseptia kehitetään EU-projektina (HPLWR2) sekä EU-Kiina-akselilla Erittäin korkean lämpötilan reaktorilla VHTR haasteelliset tavoitelämpötilat - Perustuu HTR-teknologiaan josta on kokemusta Sulasuolareaktori MSR vaatii vielä kehitystä Gen-IV-reaktoreiden prototyyppien rakentaminen ja 2030-luvuilla? Kaupalliset versiot ja 2050-luvuilla?

22 Yhteenveto Kaikkia energiantuotantovaihtoehtoja tarvitaan tulevaisuudessa, myös ydinvoimaa 4. sukupolven fissioreaktorit lupaavat: - Polttoaineen riittävyyttä - Taloudellisuutta - Turvallisuutta - Ydinjätteen minimointia Tutkimushaasteita riittää: - Polttoaine - Rakennemateriaalit (HUOM! synergia fuusion kanssa) - Neutroniikan mallinnus - Lämmönsiirron mallinnus - Turvallisuusanalyysit

23 Kiitos mielenkiinnostanne! Kysymyksiä?