ENERGIAN TUOTTAMISEN FYSIKAALINEN PERUSTA

Transkriptio

1 ENERGIAN TUOTTAMISEN FYSIKAALINEN PERUSTA Energia on kyky ehdä yöä ENERGIAN ALKUPERÄ Ydinreakioiden energia Auringon ydinreakio Maankuoren ydinreakio Auringon säeilyenergia Lämpöenergia Ilmakehän lämpö- Kasvien Veden mekaaninen ja uulienergia bioenergia energia ENERGIAVAROJEN LUOKITTELU: 1) UUSIUTUVAT ENERGIAVARAT - aurinkoenergia (aurinkosähkö ja lämpö) - uulienergia - vesienergia (veden poeniaalienergia ja vuorovesienergia) - bioenergia (biomassa) - geoerminen energia (maankuoren lämpöenergia, ydinreakioisa) - maa- ja ilmalämpö (maahan varasoiunua Auringon energiaa) - veyenergia ) UUSITUMATTOMAT ENERGIAVARAT - fossiilise poloainee (kivihiili, öljy, maakaasu) - urve (hiaasi uusiuuva) - ydinenergia: fissio (uraani), fuusio (suunnieilla) Energian yksiköiä: - joule (J) - kilowaiuni (kwh): 1kWh = 3,6 MJ (MAOL s. 69 (70)) - elekronivoli (ev): 1 ev = 1, J (MAOL s. 67, 69 (68, 70)) - ekvivaleni öljyonni (oe): 1 oe = 11,8 MWh

2 VOIMALAT 1) VESIVOIMALA - oiminnan fysikaalinen perusa on veden poeniaali- ja liike-energian muuaminen urbiinin pyörimisenergiaksi ja edelleen 1 generaaorin avulla sähköenergiaksi (mgh mv sähköenergia...) - hyöysuhde η: 80% - 90% Jos poeniaalienergian nollaasoksi valiaan veden pina alhaalla urbiinin asolla, niin vesivoimalan anoeho saadaan yhälösä: W ηe p ηmgh ηρvgh P = = = = (E p = mgh, ρ = mv) P = missä ηρvgh P = eho (W) Pano η = hyöysuhde, η = Poo ρ = veden iheys, ρ = 1000 kg/m 3 g = puoamiskiihyvyys, g = 9,81 m/s h = pudouskorkeus (m) V = viraama eli ilavuusvira (m 3 /s) - Suomessa on noin 50 vesivoimalaiosa, joiden yheenlaskeu eho on lähes 3000 MW - Suomen suurin vesivoimalaios on vuonna 199 sähkön uoanoon valjaseu Imarankosken vesivoimalaios Imaralla: eho 19 MW, viraama suurimmillaan 940 m/s 3, pudouskorkeus 5 m, sähköenergian vuouinen uoo on noin 1000 GWh - Peäskosken vesivoimalaios Kemijoella on oiseksi suurin vesivoimalaios, eho 18 MW, pudouskorkeus 0,5 m ja vuouinen energianuoo 638 GWh - Suomessa uoeaan vesivoimalla noin 19 % sähköenergiasa. - maailman suurin vesivoimalaios on Kiinassa sijaiseva Kolmen rokon pao, jonka pudouskorkeus on 181 m, eho 4500 MW ja vuouinen sähkönuoano 84,7 TWh. ) TUULIVOIMALA - oiminnan fysikaalinen perusa on ilmaan liike-energian muunaminen uulivoimalan siipien pyörimisenergiaksi ja edelleen generaaorin avulla 1 sähköenergiaksi ( mv sähköenergia...) - hyöysuhde η: %. Johdeaan seuraavaksi uulivoimalan ehon lauseke. Tarkasellaan suoran ympyrälieriön muooisa ilmamassaa, joka kohaa uulivoimalan siive

3 (ks. kuvio). Olkoon pohjaympyrän säde r, joka on yhä suuri kuin uulivoimalaan siiven piuus. Ilmamäärä kulkee nopeudella v ajassa Δ makan h, joen lieriön piuus on h = v Δ. 1 Ilmalieriön liike-energia on E = mv. k Kun oeaan lisäksi huomioon, eä massa m = ρv, ilavuus V = Ah, niin m = ρv = ρah = ρav Δ, ja liike-energian lauseke saa muodon E = ρ Av v = ρav. k Koska A = πr, niin liike-energia on E k 1 3 = ρπ r v. r h = v Δ Teho on energianuoo aikayksikössä eli joen uulivoimalan hyöyeho on ηe η P = = 1 ρπ r E P =, 3 v missä η on hyöysuhde. Tuulivoimalan hyöyeho on siis missä P = η ρπ r v 1 3 Pano η = hyöysuhde, η = Poo ρ = ilman iheys, ρ 1,9 kg/m 3 r = uulivoimalan siipien piuus (m) v = uulen nopeus (m/s)

4 On huomaava, eä uulivoimalan eho P on siis suoraan verrannollinen siiven piuuden neliöön ja uulen nopeuden kuuioon eli P ~ r v 3. Vuoden 014 lopussa Suomessa oli 387 uulivoimalaa, joiden yheenlaskeu kapasieei oli 1005 MW. Tuulivoimalla uoeiin noin 3,5 % (,5 TWh) Suomen sähkönuoannosa (66, TWh) vuonna 015. Suomessa on uulivoimaloille soveluvia alueia eriyisesi rannikolla, merialueilla ja Lapin unureilla. Usein rakenneaan uulivoimapuisoja, joissa on useia uulivoimalaioksia. Tuulivoimalaiokse ova nimelliseholaan noin 3 MW:n suuruisia, mua suurempia, jopa 5 MW:n, uulivoimaloia on rakeneilla. 3) POLTTOVOIMALAT - poloprosessi: kemiallisa energiaa muueaan lämpöenergiaksi ja edelleen sähköenergiaksi - palamisreakiossa vapauuva kemiallinen energia on siouunu poleavaan aineeseen kasvin käyäessä Auringon säeilyenergiaa yheyämisreakiossa - poloprosesseissa hyöysuhde η: % - erilaise poloprosessi ova ärkeimpiä lämpöenergian läheiä maapallolla Auringon lämpösäeilyn ohella - poloaineiden lämpöarvo eli palamislämpö H ilmoiaa, kuinka paljon palamisreakiossa vapauuu energiaa poloaineen massayksikköä kohi; Q H = m Täsä saadaan palamisreakiossa vapauuvan lämpöenergian määrälle lauseke Q = Hm missä Q = palamisreakiossa vapauuva energia (MJ) m = poleavan aineen massa (kg) H = poloaineen lämpöarvo (MJ/kg), (ks. MAOL s. 85 (85)). Esim. Poleaessa,0 kg koksia saadaan energiaa Q = Hm = 8 MJ/kg,0 kg = 56 MJ. Polovoimalan lämmiyseho on poloprosessissa vapauuva energia E η Q aikayksikköä kohi; P = =. Kun huomioidaan hyöysuhde η ja energia E = ηq = ηhm, niin polovoimalan anoeholle saadaan lauseke

5 missä P = ηhm P = lämmiyseho eli hyöyeho, anoeho (W) Pano η = hyöysuhde, η = Poo H = poloaineen lämpöarvo (MJ/kg),(MAOL s. 85 (85)) m = poloaineen massa (kg), = aika (s). ESIM. - Inkoossa on neljä kappalea hiililauhdevoimaloia; 4 x 50 MW = 1000 MW - Meri-Porin kivihiilä käyävän lauhdevoimalan sähköeho on 565 MW ja hyöysuhde 44 % - Piearsaaressa (Alholmens Kraf ) on biovoimalaios, jonka sähköeho on 40 W ja musalipeää käyävä soodakailavoimalaios eholaan 140 MW - Kokassa (Mussalo ) on maakaasukombivoimalaios, jonka sähköeho on 38 MW - Krisiinankaupungissa on öljyvoimalaios, jonka sähköeho on 10 MW - Seinäjoella on urve- ja hakevoimalaios, jonka sähköeho on 15 MW. Taulukossa (MAOL s. 85 (85)) on poloaineiden lämpöarvoja (MJ/kg): o ammoniakki 17, o aseyleeni 48,6 o bensiini 43,5 o eanoli 6,9 o kaupunkikaasu 34 o kivihiili, 6 3 o anrasiii 3 34 o koksi 8 o ruskohiili 0 o maakaasu 46 o meaani 49,8 o meanoli 19,5 o nesekaasu 4 43 o peroli 43 o kuiva halko o poloöljy, kevy 43 raskas 41 o urve 11 o vey 119 4) YDINVOIMALA = suurikokoinen vedenkeiin, lämpövoimakone, joka synnyämällä vesihöyryllä pyörieään urbiinia ja urbiinin pyörimisenergia muueaan generaaorissa sähköksi (sähkömagneeinen indukio) - ydinvoimalan energia on pääasiassa uraaniyimien halkeamisuoeiden liikeenergiaa

6 - vapauuvaa energiaa käyeään, kuen lämpövoimaloissa, veden kuumenamiseen ja höyrysämiseen ja höyryurbiinien sekä sähkögeneraaorin väliyksellä sähköenergian uoamiseen Uraani-isooopin 35 U-fisiossa synyy keskimäärin,4 neuronia, yli 60 halkeamisuoea ja kaikkiaan eri nuklideja eli aomiyimiä yli 00. Fissiossa synynee neuroni liikkuva nopeasi ja ne hidaseaan raskaalla vedellä D O, kevyellä vedellä H O ai grafiiilla C. Neuronien lukumäärä pideään vakiona poloainesauvojen välissä olevilla sääösauvoilla (sis. B ai Cd), joka absorboiva (imevä) pois ylimääräise neuroni. Jäljellejäänee neuroni halkaiseva uusia uraaniyimiä, jolloin apahuu halliu kejureakio. Hidasinaineena oimiva vesi lämpenee ja lämpö kuljeeaan veden mukana lämmönvaihimeen, jossa synyvä höyry pyöriää urbiineja. Turbiini on akselilla yhdisey generaaoriin, joka uoaa vaihoviraa mekaanisesa pyörimisliikkeesä. Yleisin oiminaapa on pyöriää sähköjohimesa muodoseua silmukkaa magneeikenässä, mikä synnyää johimeen jännieen ja sähkövirran (sähkömagneeinen indukio). - Ydinvoimalan rakenne ja oiminaperiaae (ks. YO-SYKSY ) fissio (fuusio) Q urbiinin mekaaninen energia generaaori sähkö - ydinvoimalan hyöysuhde η 30 % SIDOSENERGIA E B = energia, joka arviaan hajoamaan ydin prooneiksi ja neuroneiksi - kun nukleoni (prooni ja neuroni) liiyvä yheen osa nukleonien massasa muuuu sidosenergiaksi EB. Tää massan muuosa sanoaan massavajeeksi eli massakadoksi m. Sidosenergia EB vapauuu sidoksen muodosuessa m nukleoni m ydin m ydin < m nukleoni m = m nukleoni - m ydin > 0 - massa pienenee nukleonien liiyessä yheen massavaje m - massavajea m vasaava energia on sidosenergia: E B = m c - EB = sidosenergia (MeV), m = massavaje (u), c = valon nopeus (m/s), (MAOL s. 70 (71)) SIDOSOSUUS b = sidosenergia nukleonia kohi (Mev/nukleoni) - keskimääräinen energia, jolla yksi nukleoni on siouunu yimeen - yimen pysyvyyden mia miä suurempi on sidososuus siä pysyvämpi on aomiydin

7 = - b = sidososuus (MeV/nukleoni) - EB = sidosenergia (MeV) - A = massaluku eli nukleoniluku (A = Z + N) FISSIO n U Q - fissiossa raskas ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi yimeksi ja samalla vapauuu -3 neuronia ja energiaa - yimen halkeamisen saa aikaan hiaan neuronin örmäys 35 Ydinreakorissa hidaseu neuroni örmäävä uraani-yimeen 9 U, jolloin apahuu fissio eli raskas uraani-35 ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi yimeksi ja samalla vapauuu 3 neuronia ja energiaa. Vapauunu energia on pääosalaan hajoamisuoeiden liike-energiaa (~90%), joka ilmenee lämpöenergiana. Esim. Eräs mahdollinen uraani-35 halkeamisreakio on seuraava: n + U Ba + Kr + 3 n + 00 MeV Reakiossa vapauunee 3 neuronia absorboidaan sääösauvoihin, niin eä vapauuvien neuronien määrä on vakio ja näin synynee neuroni halkaiseva yhä uusia uraaniyimiä ja näin kejureakio jakuu halliuna. (vr. YO-K95-7). FUUSIO - kevye yime yhyvä raskaammiksi korkeassa lämpöilassa ja energiaa vapauuu. - fuusio vaaii korkean lämpöilan (10 8 K) yimien välisen poisovoiman akia Esim. Eräs mahdollinen fuusioreakio on seuraava: Q deueriumin ja riiumin fuusio (DT-fuusio): d He n H + H He + n + 17,6 MeV (ks. YO-S014-9)

8 Massavaje m ydinreakioissa (esim. fissiossa eä fuusiossa) laskeaan lausekkeesa: m = m m lähöyime ulosyime Ydinreakioissa vapauunu energia Q saadaan Einseinin relaaiolla Q = Δm c. Ydinreakioissa vapauunu energia eli reakioenergia = Q = reakioenergia eli ydinreakiossa vapauunu energia (MeV) m = massavaje (u) c = valon nopeus, c =, m/s (MAOL s. 70 (71)). ********************************************************************* Yksi aomimassayksikkö 1 u = 1/1-osa hiili-1 isooopin massasa 1 u = 1, kg (MAOL s. 70 (71)). 1 ev = 1, J (MAOL s. 67, 69, (68, 70)). KUINKA PALJON ENERGIAA ON 1 u? E = mc = uc = 1, kg (, m/s) E = 1, J =,, 931,494 =, (MAOL s. 69 (70)) ********************************************************************* SIDOSOSUUSKÄYRÄ = sidososuus b massaluvun A funkiona; b = b(a) - sidososuus on suurin keskiraskailla yimillä (A ~ 60) noin 8-9 MeV/nukleoni - sidososuuskäyrän avulla voidaan seliää ydinenergian vapauamisen fysikaalinen perusa Sidososuus b = (MeV/nukleoni) Miksi energiaa vapauuu fissiossa ja fuusiossa? (YO-S09-9)

9 SIDOSOSUUSKÄYRÄ; Sidososuus b massaluvun A funkiona b (MeV/nukl.) 9 FISSIO FUUSIO 60 A SIDOSOSUUSKÄYRÄN AVULLA VOIDAAN SELITTÄÄ YDINENERGIAN VAPAUTTAMISEN FYSIKAALINEN PERUSTA: - raskaan yimen hajoessa (fissio) kahdeksi keskiraskaaksi yimeksi sidososuus kasvaa nukleoni ova siis lujemmin siouunee kuin ennen fissioa sidosen vahvisuessa vapauuu energiaa - kahden kevyen yimen liiyessä yheen (fuusio) sidososuus kasvaa yksiäinen nukleoni on myös lujemmin siouunu kuin ennen fuusioa sidokse vahvisuva energiaa vapauuu Miksi energiaa vapauuu fissiossa ja fuusiossa? eli fissiossa ja fuusiossa sidososuus kasvaa sidokse vahvisuva energiaa vapauuu

10 Ydinvoimalan eho on W ηe ηq η m c P = = = = P m c = η missä Δm = massakao eli massavaje, m = m m lähöyime ulosyime Pano η = hyöysuhde, η = Poo c = valon nopeus, c = 3, m/s, = aika (s) - ydinreakioissa vapauuva energia ( MeV) on suuruusluokalaan miljoonakerainen (10 6 ) kemiallisissa reakioissa vapauuvaan energiaan ( ev) verrauna. - Kaikesa Suomessa käyeysä sähkösä noin kolmannes (33,7%) uoeaan ydinvoimalla (015). - Eurajoen Olkiluodossa on kaksi 880 MW kiehuusvesireakoria (Olkiluoo I, II) BWR, x 880 MW), joiden yheenlaskeu neosähköeho on 1760 MW. - Loviisassa on kaksi painevesireakoria (PWR, x 496 MW), joiden neosähköeho yheensä on 99 MW (Loviisa I, II). - Lisäksi Suomeen on rakeneilla viides ydinvoimalaios (Olkiluoo 3), jonka ehoon 1600 MW. Uusi voimalaios on ekniikalaan ns. kolmannen sukupolven kevyvesireakori ja mallilaan eurooppalainen painevesireakori eli EPR. Voimala on eholaan maailman suurin voimalayksikkö. Sen lienee kaupallisessa käyössä vuona 00 (?). (vr. YO-K95-7). Lisäksi Suomeen on suunnieilla kaksi ydinvoimalaa: Olkiluoo 4; noin 1500 MW (lupa peruu), Pyhäjoki; 100 MW (suunnieilla, kaupallinen uoano noin 04). 1 kg uraanipoloainea kg hiilä halkeaminen palaminen sama määrä lämpöenergiaa

11 hp://energia.fi/kalvosarja/energiavuosi-015-sahko hp://energia.fi/kalvosarja/energiavuosi-015-sahko

12 ##################################################################### SUOMEN YDINVOIMALAT: Loviisa 1, : x 496 MW = 99 MW (PWR) Olkiluoo 1, : x 880 MW = 1760 MW (BWR) Olkiluoo 3: 1600 MW 00? (EPR) Olkiluoo 4: noin 1500 MW --- lupa peruu--- Pyhäjoki: 100 MW ---- suunnieilla--- Käyössä ja rakeneilla oleva voimalaiokse Suomessa (016) Laiosyksikkö Toimiaja, Tyyppi Loviisa-1 Loviisa- Aomenergoexpor, VVER-440, PWR Aomenergoexpor, VVER-440, PWR Neosähköeho Rakenaminen aloieu Kykey verkkoon Kaupallinen uoano 496 MW MW Olkiluoo-1 ASEA-Aom, BWR 880 MW Olkiluoo- ASEA-Aom, BWR 880 MW Olkiluoo-3 Areva NP & Siemens AG, EPR MW Rakeneilla? Olkiluoo-4 Lupa peruu n MW Lupa peruu Lupa peruu? Pyhäjoki Rosaom, AES MW Suunnieilla Suunnieilla noin 04 hp://fi.wikipedia.org/wiki/ydinvoima_suomessa Teh. 1. Ydinvoimaloissa käyeään poloaineena uraani-isoooppia 35 U. Eräs mahdollinen yimen halkeamisreakio eli fissio on seuraava: 1 4 9U + 0n 10Ne Tässä ydinreakiossa neuroni halkaisee uraani-35 yimen, jolloin synyy neon-4-isoooppi ja kaksi neuronia sekä energiaa. a) Pääele aulukon avulla, mikä on oinen synyvä isoooppi neon-4 lisäksi ässä ydinreakiossa? Mikä on ämän kysyyn isooopin hajoamisapa ja puoliinumisaika? Mikä uusi ydin muodosuu, kun kysyy ydin hajoaa? Kirjoia reakioyhälö. b) Laske ehävän alussa mainiun uraanifission massavaje. c) Laske ässä halkeamisreakiossa vapauuva energia eli reakioenergia (Q-arvo). 1 0 n

13 Teh. 1. RATKAISU:. a) Lyijy-10 eli - ydinreakioyhälöiä kirjoieaessa massaluku A säilyy ja järjesysluku Z säilyy: U + n Ne + Pb + n A säilyy: = = 36 Z säilyy: = = 9 β - -hajoaminen. Puoliinumisaika T1/ =,3 a. Lyijy-10 isooopin beeahajoamisessa synyy Vismui-10. Reakioyhälö on. b) Massavaje eli massakao ä ö,,,,,,,. Vasaus: 0,0575u. c) Reakioenergia Q,,, Vasaus: Q 53,5 MeV. Huom! Yksi aomimassayksikkö 1 u = 931,4943 MeV/c (MAOL s. 69 (70)). Teh.. Eräs mahdollinen ydinreakorissa apahuva 35 U yimen halkeamisreakio eli fissioreakio on seuraava: U + n Ba + Kr + 3 n + Q o Laske ämän yimen halkeamisreakion a) massavaje m = m lähöyime m ulosyime ja b) halkeamisreakiossa vapauuva energia Q. m( 143 Ba) = 14,9084 u, m( 90 Kr) = 89,91958 u. [V: a) m 0,199 u, b) Q 185 MeV].

14 Teh.. RATKAISU: a) Barium-141 eli. - ydinreakioyhälöiä kirjoieaessa massaluku A säilyy ja järjesysluku Z säilyy: n + U Ba + Kr + 3 n A säilyy: = = 36 Z säilyy: = = 9 β - -hajoaminen. Puoliinumisaika T1/ = 18,3 min. Barium-141 isooopin beeahajoamisessa synyy lanaani-141. Reakioyhälö on + +. b) Massavaje eli massakao m = ä ö = + =, +,,,, =,,. Vasaus: = 0,186u. c) Reakioenergia Q = =,, =,, Vasaus: Q 173 MeV. Teh. 3. Ranskaan valmisunee vuonna 016 eholaan 500 MW:n koefuusiovoimala (ITER) ja eolliseen uoanoon fuusiovoimala saaava ulla jo 040-luvulla. Käyökelpoisimpia fuusioreakioia on deueriumin ja riiumin välinen ydinreakio eli ns. DT-fuusio: H + 1H He + Laske ämän ydinreakion m = m ulosyime a) massavaje lähöyime m ja b) ää massavajea vasaava vapauuva energia eli reakioenergia Q. [V: a) m 0,0189 u, b) Q 17,6 MeV]. 1 0 n.

15 Teh. 3. RATKAISU: