PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2017

Transkriptio

1 PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2017 Prof. Filip Tuomisto Johdantoluoento, maanantai

2 Ydinenergiatekniikka lämmön- ja siten sähköntuotanto ydinreaktioiden avulla keitetään vettä ja höyry pyörittää turpiineja poikkeaa perinteisestä höyryturpiinilaitoksesta polttoaineen suuren tehotiheyden vuoksi lämpö syntyy ydinreaktioista, ei kemiallisesta palamisesta aiheuttaa ylimääräistä päänvaivaa polttoaineen palamisen hallinta edellyttää melko vaikean fysiikan ymmärtämistä (ei tällä kurssilla) ydinvoimalaitos on varsin monimutkainen järjestelmäkokonaisuus johtuu osittain turvallisuuden varmistamisesta

3 Kurssin tavoitteet Johdantokurssi ydinenergiatekniikkaan: kurssin jälkeen opiskelijalla on perustiedot ydinenergiaalan peruskäsitteistä sekä nähtävissä olevista ydinenergiatekniikan tulevaisuuden haasteista näillä pohjatiedoilla on hyvä lähteä opiskelemaan muita ydinenergia-alaan liittyviä aiheita, kuten reaktorifysiikkaa, materiaalitekniikkaa, energiatekniikkaa tai vaikkapa organisaatiopsykologiaa

4 Tavoitteet, osa II Valmiudet itseopiskeluun: opiskelija pystyy omaksumaan ydinenergiaan liittyvää tietoa tutkimusjulkaisuista syvennettyään tietämystään k.o. alalla. Muut valmiudet: opiskelija pystyy osallistumaan jokseenkin asiantuntevasti ydinenergia-alaan liittyvään yhteiskunnalliseen keskusteluun.

5 Tavoitteet, osa III esitietoja kurssille: lukion fysiikka tekniikan alan kandiohjelman fysiikan ja matematiikan perusopinnot (suositus) jatko kursseja: Teknillisen fysiikan pääainekurssit: Reaktorifysiikan perusteet Ydintekniikan jatkokurssi Reaktorifysiikan laboratoriokurssi (ulkomaanjakso) Aalto Nuclear Safety minor Maisteritason sivuainekokonaisuus, lisätietoja kevään mittaan

6 Sisältö III-periodi: käytössä oleva tekniikka johdanto: tehontuotanto Suomessa ja maailmalla fissiofysiikan ja -tekniikan perusteita polttoainekierto, ydinjätehuolto (säteily-)turvallisuus, erityiskysymykset, viranomaistoiminta IV-periodi: tulevaisuuden tekniikat ja haasteet ns. neljännen sukupolven laitokset (Generation IV) fuusiofysiikan ja tekniikan perusteita tekniikan haasteet: materiaalikysymykset

7 Sisältötoiveita aiemmilta vuosilta (huomioidaan soveltuvin osin) Ydinvoimalat sähkömarkkinoilla: joustavuus tehontuotannossa? Miten uudet voimalat vaikuttavat Suomen energiarakenteeseen? Maantieteellinen katsaus laitoksiin: mitä missäkin ja miksi Voimalainvestoinnit, kulurakenne, miksi niin vaikeaa (OL3)? Hanke-esittelyt: OL3, HK1, Posiva Miten Fukushiman omistajat pystyivät jatkamaan toimintaansa? Vaarallisimmat käytössä olevat voimalat? RBMK? Wikipedia? Ydinvoiman poliittinen aspekti Hyötöreaktorit: vain taloudellisesti kannattamattomia? Thorium? Tutkimus- ja sotilasreaktorityypit ja tapahtumat Ydinpommien rakenne, toimintatapa ja kehitys EI TULE

8 Käytännön asioita, osa I Tiedotus ja tehtävät: mycourses.aalto.fi Lähiopetus: maanantaisin klo (ei taukoa), U3 / OK1 torstaisin klo (ei taukoa), U3 / OK1 tarkasta aikataulusta tiedotetaan etukäteen (esim. ma 9.1. ja to ei opetusta), seuraavat opetuskerrat to ja ma Pääasiallinen oppimateriaali: Jorma Sandbergin toimittama Säteilyturvakeskuksen (STUK) julkaisema Ydinturvallisuus -kirja (Karisto Oy, 2004). Gen IV technology and R&D roadmaps 2002, 2009, Kikuchi, Lackner, Tran: Fusion Physics (IAEA, 2012).

9 Käytännön asioita, osa II Kurssin suoritus: lähiopetus läsnäolo pakollinen: poissaoloista lisätehtäviä (yksi poissaolo annetaan anteeksi ) harjoitukset koostuvat kotitehtävistä, jotka palautetaan ennen luennon alkua kokonaismaksimi yhteensä n. 100 p, n. 2/3 tulee materiaaliin perehtymisen perusteella kirjoitetuista vastauksista (HUOM: vastauksissa on tarkoitus osoittaa, että on lukenut annetun tekstin). Loput tehtävät perustuvat luennoilla pohdiskeltuihin asioihin. arvosana määräytyy tehtävien pisteytyksen mukaan läpipääsyraja: 50 % maksimipisteistä (arvosanarajat 5: 90%, 4: 80%,. 3: 70%, 2: 60%, 1: 50%)

10 Kotitehtävä ensi torstaiksi Lue kappale 2.1 (Reaktorin ydinfysikaaliset perusteet, sivut 26-41) Jorma Sandbergin toimittamasta Säteilyturvakeskuksen (STUK) julkaisemasta Ydinturvallisuus -kirjasta (Karisto Oy, 2004). Kappale 1 on iltalukemista. Vastaa (mycourses) seuraaviin kysymyksiin (muista, että tehtävä on osoittaa lukeneensa nuo sivut!): mikä erottaa ydinreaktorin ydinpommista? Miten reaktorin kriittisyyttä hallitaan, miksi se on käytännössä mahdollista? mikä on reaktiivisuus, miten se kuvaa reaktorin toimintaa? mikä on reaktorimyrkky? mitä on jälkilämpö?

11 Energia laajassa mittakaavassa (1) 16 milj. Maapallon väkiluku nyt: ~7 miljardia YK2010 ennusteet milj. 6 milj.

12 Energia laajassa mittakaavassa (2) Globaali vuosittainen tehontuotanto nyt: ~ TWh tästä ydinenergialla ~3 000 TWh (~15 %) vesivoima myös ~15% muut: nk. uusiutuvat 2 %, fossiiliset (öljy, hiili, kaasu) 70 % Globaalit haasteet: väestö kasvaa ja siinä samalla energian ja sen tuoman hyvinvoinnin tarve: elintaso, terveys, elinajan odote, sivistys, mahdollisuudet, jne nykykombo: CO 2 päästöt tukehduttaa meidät ei-niin-kovinpitkällä aikavälillä kaksi lopputuotetta : primäärienergia ja sähkö

13 Energia laajassa mittakaavassa (3) Mitä väestönkasvu ja elintaso tarkoittavat? Globaali energiankulutus: TWh (vuonna 2008) Alue Kulutus Väestö Per lärvi USA TWh kwh EU TWh kwh Middle East TWh kwh China TWh kwh India TWh kwh Africa TWh kwh Latin America TWh kwh Others TWh kwh

14 Globaali energiankulutus sektoreittain Sektori USA Europe China India Africa Kotitaloudet 20 % 25 % 10 % 45 % 50 % Palvelut 20 % 15 % 15 % 10 % 5 % Teollisuus 30 % 25 % 65 % 35 % 30 % Kuljetus 30 % 35 % 10 % 10 % 15 % Kotitaloudet USA: kwh/capita Europe: kwh/capita CIA: kwh/capita Teollisuus China: TWh USA: TWh Europe: TWh India + Africa: TWh

15 Pysähdytään miettimään Miltä tilanne voisi näyttää vuonna 2050? Ollaanko optimisteja, pessimistejä vai realisteja? Oletetaan väestönkasvuksi jotain Kuinka paljon kukakin tuolloin kuluttaa? Mikä on kehittyneiden ja kehittyvien alueiden kehitys? Mitä saadaan lopputulokseksi? Mitä tästä pitäisi ajatella?

16 Globaali energiankulutus sektoreittain Sektori USA Europe China India Africa Kotitaloudet 20 % 25 % 10 % 45 % 50 % Palvelut 20 % 15 % 15 % 10 % 5 % Teollisuus 30 % 25 % 65 % 35 % 30 % Kuljetus 30 % 35 % 10 % 10 % 15 % Kotitaloudet USA: kwh/capita Europe: kwh/capita CIA: kwh/capita Teollisuus China: TWh USA: TWh Europe: TWh India + Africa: TWh

17 Energia Suomessa (1) Sähköntuotanto energialähteittäin 2015 Sähkön kokonaiskulutus 82,5 TWh! (häviöt n. 3 TWh) (kotimainen tuotanto 66,2 TWh)

18 Energia Suomessa (2) Tilanne tänään aamulla klo 9:45: tuonti ~3.4 GW

19

20 Ydinenergia Suomessa Fortumin laitokset: Loviisa 1 & 2 painevesireaktoreita (Atomenergoeksport, VVER-440) nettosähköteho n. 490 MW / reaktori (alun perin 440 MW) rakentaminen aloitettu 71 ja 72, kaupallinen tuotanto 77 ja 81 Teollisuuden voima Oy:n laitokset: Olkiluoto 1 & 2 Kiehutusvesireaktoreita (Asea-atom, BWR) nettosähköteho n. 870 MW / reaktori rakentaminen aloitettu 74 ja 75, kaupallinen tuotanto 79 ja 82

21 Ydinenergia Suomessa: 2000-luvun suuret projektit Posiva: ydinjätehuolto Rakentamislupa OK, rakennustyöt aloitettu (kapselointi- ja loppusijoituslaitos) TVO: Olkiluoto 3 AREVA, EPR (European pressurized water reactor) nettosähköteho 1600 MW rakentaminen aloitettu 2005 (periaatepäätös 2002), verkossa ehkä 2018? Fennovoima: Hanhikivi 1 Periaatepäätös 2010, rakennusluvanhakufarssi jonkinlaiseen päätökseen v. 2015, varsinainen lupa v. 2018, verkossa 2024?

22 Ydinenergian erityispiirteitä Pääomaintensiivinen kulurakenne Polttoaine verrattain halpaa, sen sijaan rakentaminen, käytöstäpoisto ja jätehuolto eivät Puhtaasti markkinaehtoista toimintaa Turvallisuuskriittistä tehontuotantoa vahvasti viranomaissäädelty (Suomessa TEM ja STUK) moninkertaiset turvallisuusjärjestelmät inhimillinen tekijä! Tiedon jakaminen tärkeämpää kuin liikesalaisuudet Julkinen mielipide tuntemattoman (ja näkymöttämän) pelko ydinvoimavastaiset liikkeet historiallinen yhteys joukkotuhoaseisiin

23 Ydinenergian vaatimukset nyt ja tulevaisuudessa? Kestävää Kilpailukykyistä Turvalliset ja luotettavat järjestelmät Ydinasemateriaalien leviämisen tehokas estäminen

24 Yhteenveto Ydinenergia: päästötöntä, laajan mittakaavan sähköntuotantoa, osa kokonaisratkaisua tärkeää: yhteiskunnan kokonaisetu! Tulevaisuuden haasteet: entistä turvallisempaa, vähemmän jätettä, lämmön (ja vedyn) sekä sähkön yhteistuotanto grand challenge : politiikka ultimate grand challenge : fuusioteknologia

25 Kotitehtävä ensi torstaiksi Lue kappale 2.1 (Reaktorin ydinfysikaaliset perusteet, sivut 26-41) Jorma Sandbergin toimittamasta Säteilyturvakeskuksen (STUK) julkaisemasta Ydinturvallisuus -kirjasta (Karisto Oy, 2004). Kappale 1 on iltalukemista. Vastaa (mycourses) seuraaviin kysymyksiin (muista, että tehtävä on osoittaa lukeneensa nuo sivut!): mikä erottaa ydinreaktorin ydinpommista? Miten reaktorin kriittisyyttä hallitaan, miksi se on käytännössä mahdollista? mikä on reaktiivisuus, miten se kuvaa reaktorin toimintaa? mikä on reaktorimyrkky? mitä on jälkilämpö?

26 Kestävä* ydinenergia: luonnonvarat ja jätehuolto extend the nuclear fuel supply into future centuries by recycling used fuel to recover its energy content, and by converting 238 U to new fuel a positive impact on the environment through the replacement of polluting energy and transportation sources by nuclear electricity generation and nuclear-produced hydrogen allow geologic waste repositories to accept the waste of many more plant-years of nuclear plant operation through substantial reduction in the amount of waste and their decay heat greatly simplify the scientific analysis and demonstration of safe repository performance for very long time periods (beyond 1000 years), by a large reduction in the lifetime and toxicity of the residual radioactive waste sent to repositories for final geologic disposal * vastaa nykyisten sukupolvien tarpeisiin samalla kun parantaa tulevien sukupolvien mahdollisuuksia vastata yhteiskunnan tarpeisiin mittaamattoman pitkälle tulevaisuuteen

27 Kilpailukykyinen ydinenergia achieve economic life-cycle and energy production costs through innovative advances in plant and fuel cycle efficiency, design simplifications, and plant sizes reduce economic risk to nuclear projects through the development of plants built using innovative fabrication and construction techniques, and possibly modular designs allow the distributed production of hydrogen, fresh water, district heating, and other energy products to be produced where they are needed

28 Turvalliset ja luotettavat järjestelmät maintaining and enhancing the safe and reliable operation is an essential priority in the development of future nuclear power systems and in the regular upgrades of present systems safety and reliability goals: safe and reliable operation, improved accident management and minimization of consequences, investment protection, and reduced need for offsite emergency response increase the use of inherent safety features, robust designs, and transparent safety features that can be understood by nonexperts enhance public confidence in the safety of nuclear energy

29 Ydinasemateriaalien leviämisen esto means for controlling and securing nuclear material and nuclear facilities provide continued effective proliferation resistance of nuclear energy systems through improved design features and other measures increase physical protection against terrorism by increasing the robustness of new facilities