Ydinvoiman tulevaisuus meillä ja maailmalla

Transkriptio

1 Ydinvoiman tulevaisuus meillä ja maailmalla Juhani Hyvärinen, ydintekniikkajohtaja Te ta Pyhäjoki,

2 Ydinvoimaloiden historia Nykyiset kaupalliset reaktorit Turvallisuusajattelun kehittyminen Tulevaisuuden reaktoriteknologioita Johtopäätökset 2

3 Ydinvoimatekniikan synty Uraaniytimen halkeaminen neutronisäteilyn vaikutuksesta havaittiin 1938; ketjureaktion mahdollisuus Ensimmäinen toimiva reaktori Yhdysvalloissa 1942 Ensimmäiset kevytvesireaktorit kehitettiin 1950-luvulla sukellusveneiden voimanlähteeksi Yksinkertaisia, mutta huonohko hyötysuhde Eisenhowerin Atoms for Peace puhe vuonna 1953 käynnisti voimalaitosreaktoreiden kehittelyn Hyvin monenlaisia reaktorityyppejä keksittiin ja kokeiltiin Kevytvesijäähdytteiset reaktorit kaupallistettiin 1960-luvulla 3

4 Voimalaitosreaktorien sukupolvet I: Varhaiset prototyypit II: Kaupalliset mallit III: Modernit isot reaktorit SMRt IV sukupolvi (GEN4) MW 500 MW 1400 MW MW 1700 MW MW Magnox 1956 Shippingport 1957 Dresden 1959 Rheinsberg EBR RBMK 1963 PWR ja BWR (useita malleja) VVER (PWR) CANDU AGR AES-2006 AP 1000 Kerena ABWR APR1400 EPR ESBWR Toshiba 4S mpower NuScale Hyperion Terrapower Holtec SCWR VHTR SFR LFR GFR MSR

5 Ydinvoimaloiden historia Nykyiset kaupalliset reaktorit Turvallisuusajattelun kehittyminen Tulevaisuuden reaktoriteknologioita Johtopäätökset 5

6 Painevesireaktorin toimintaperiaate 4300 MWth 155 bar C 75 bar 1600 MWe 0,03 bar, 30 C 2700 MWth

7 Modernit isot reaktorit Suuruuden ekonomian takia isoimpien reaktoreiden yksikkökoko on nykyään 4600 MWth / 1700 MWe EPR, EU-ABWR, APWR (aktiiviset turvallisuusjärjestelmät) ESBWR (passiiviset turvallisuusjärjestelmät) Myös suuruusluokan 1200 MWe reaktoreita on kaupan AP1000, Kerena (ex-swr-1000) (passiivisia) AES-2006 (aktiivinen) Turvallisuusjärjestelmien terminologiaa Aktiivinen = käyttövoimana sähkö, hätätilanteessa omilla varavoimageneraattoreilla tuotettu Passiivinen = käyttövoimana painovoima tai varastoitu kaasunpaine Ydinvoimalan tehoa voidaan säätää varsin nopeastikin Käytetään mieluiten perusvoiman tuotantoon, koska polttoaineen osuus tuotantokustannuksista on pieni 7

8 Toshiba EU-ABWR Lämpöteho Tuorehöyryn lämpötila Käyttöpaine 4300 MW 290,5 o C 71,7bar Nettosähköteho Hyötysuhde 37% 1610 MW Käytöikä 60 years Turvallisuusjärjestelmät 3 x 100% Aktiiviset 4 x 33% Passiiviset Turbiini Toshiba

9 EPR Lämpöteho Reaktorin sisäänmeno- Ja ulostulolämpötilat Reaktorin käyttöpaine Tuorehöyryn paine Nettosähköteho 4590 MW 296 o C / 327 o C 155 bar 78 bar Hyötysuhde 37% Käytöikä Turvallisuusjärjestelmät 1730 MW 60 years 4 x % Aktiiviset Turbiini Alstom or Siemens

10 Ydinvoima on Suomessa perusvoimaa MW viikko Ydinvoima Yhteistuotanto kaukolämpö Yhteistuotanto, teollisuus Erillistuotanto Vesivoima Nettotuonti 10

11 Sähkötehon tarve vaihtelee säännöllisesti Viikko 47/2010; Kulutus ja kotimainen tuotanto Sähköä ei voi varastoida (teolllisessa mittakaavassa) Tuotannon (ja tuonnin) täytyy kattaa kulutus joka hetki Sähköverkon pitäminen vakaana edellyttää että tuotanto säädetään vastaamaan kulutusta Vuosi 2010 Lähde:

12 Keski-Euroopassa ydinvoimalla tuetaan uusiutuvan energian tuotantoa Uusiutuvien tuotanto vaihtelee rajustikin sääolojen ja vuorokaudenajan mukaan Kulutukseen vastaaminen vaatii säädettävää tuotantoa. Kuvassa tyypillinen elokuun tehokäyrä saksalaisesta ydinvoimalasta 12 Source: E.ON (2010). 12

13 Ydinvoimantuotannon merkitys Europan sähköntuotannosta noin 30 % on ydinvoimaa, ollut jo pitkään melko vakio Maailmanlaajuisesti ~14 % Nousussa nopeasti kasvavissa talouksissa (Kiina, Intia, Etelä-Amerikka) Lähi-Idässä, missä alkaa korvata öljyn polttoa Käyttöaste (tuotettu energia / nimellistuotto) Ydinvoimalassa noin 90 % Epäsäännöllisimmällä uusiutuvalla (tuuli) noin 20 % Tämän takia 1 MW ydinsähkötehoa vastaa 4 MW tuulisähköä 13

14 Maailman ydinvoimalaitokset Source: 14

15 Kaupallisia ydinvoimaloita rakenteilla ja suunnitteilla Käytössä Suljettu 15

16 Ydinvoimaloiden historia Nykyiset kaupalliset reaktorit Turvallisuusajattelun kehittyminen Tulevaisuuden reaktoriteknologioita Johtopäätökset 16

17 Turvallisuusajatteluun vaikuttaneet laitostapahtumat Windscale tulipalo SL-1 Tehon karkaaminen Ågesta tulva TMI-2 sulaminen Browns Ferry tulipalo Tshernobyl tehon karkaaminen Barsebäck häiriö Lentokonetörmäys Sisäsyntyiset uhkat: boorin laimeneminen lämpöeristeet putkikatkoissa Sydämen sulamiseen varautuminen Jäähdytys pienten vuotojen varalta Reaktorin tehon hallinta; Jäähdytyksen varmistaminen isojen vuotojen varalta Suojarakennus; varautuminen lainvastaisiin tekoihin 9/11 WTC Terrori-iskut Forsmark häiriö 2010 Äärimmäiset luonnonilmiöt; hallinta pitkän aikaa Sähköjärjestelmät Fukushima sulamiset

18 Ydinvoimaloiden historia Nykyiset kaupalliset reaktorit Turvallisuusajattelun kehittyminen Tulevaisuuden reaktoriteknologioita Johtopäätökset 18

19 Pienet reaktorit SMR, Small and Medium Reactors Sähköteholtaan alle 300 MWe Usein laivareaktoreista edelleen kehiteltyjä; enimmäkseen kevytvesireaktoreita Kehittelyn motiiveja: Yksinkertaistaminen => halvempia valmista ja rakentaa Nopea rakentaminen, voidaan valmistella pitkälle tehtaalla => lyhyemmät toteutusprojektit Sarjatuotanto => voimalaitoskohtaisesti helpompi luvitusprosessi Haasteita: Prototyyppejä ei vielä rakennettu Viranomaissäännöstö vastaa huonosti pienten reaktoreiden ominaisuuksia Kehittely muodissa mm. Yhdysvalloissa juuri nyt 19

20 B&W - mpower Designer: Babcock & Wilcox Company (B&W) Reactor Power: Electrical Output: 400 MWt 125 MWe Outlet Conditions: 327 C Coolant: Fuel Design: Refueling: Light water Proprietary Proprietary Letter of Intent: April 28, 2009 Licensing Plan: Design Certification Expected Submittal: Q4 CY 2012 Design Information: Status/Other Info: Website: LWR with the reactor and steam generator located in a single reactor vessel located in an underground containment. Pre-Application stage for Design Control Document (DCD) 20

21 NuScale Designer: NuScale Power, Inc. Reactor Power: 150 MWt Electrical Output: 45 MWe Outlet Conditions: 1500 psig, 575 F Coolant: Light Water Fuel Design: 17 x 17 fuel bundles, 6', 4.95% enrichment Refueling: 24 months Letter of Intent: January, 2008 Licensing Plan: Design Certification Expected Q2 FY 2012 Submittal: Design Natural circulation light water Information: reactor with the reactor core and helical coil steam generators located in a common reactor vessel. The reactor vessel is submerged in a pool of water. Status/Other Info: Pre-Application stage for Design Control Document (DCD). Based on MASLWR (Multi-Application Small Light Water Reactor) developed at Oregon State University in the early 2000s. Website: 21

22 Toshiba 4S Designer: Reactor Power: Electrical Output: Toshiba Corporation 30 MWt 10 MWe Outlet Conditions: 510 C Coolant: Fuel Design: Refueling: Liquid-metal (sodium) 18 hexagonal fuel assemblies - U-10%Zr Alloy with 19.9% enrichment 30 years Letter of Intent: Updated March 23, 2010 Licensing Plan: Design Approval Expected Submittal: Second quarter 2012 Design Information: Status/Other Info: Small, sodium-cooled, underground reactor Working with the city of Galena, AK as a potential COL partner. 22

23 Neljännen sukupolven reaktorit Lämmitellään uudelleen vanhoja ideoita, joilla saadaan Reaktoriin korkea toimintalämpötila, C Hyötäminen, eli tuotetaan reaktorin käydessä uutta polttoainetta Pitkäikäisen ydinjätteen pilkkominen lyhytikäiseksi 23

24 Neljännen sukupolven reaktorityyppejä Nimi Hyötö? Jäähdyte MWth Käyttötarkoitus VHTR Ei Helium 600 Vedyn tuotto, prosessilämpö, sähkö kaasuturbiinilla SCWR Ei ja kyllä Vesi 250 bar 4000 Sähkö, suora höyryprosessi GFR Kyllä Helium 600 Sähkö kaasuturbiinilla LFR Kyllä Lyijy / 3000 SFR Kyllä Natrium / 3000 Sähkö, erillinen höyryprosessi Sähkö, erillinen höyryprosessi MSR Ei Fluorisuolat NaF, ZrF, UF 2500 Sähkö, erillinen höyryprosessi 24

25 GFR esimerkki GEN4-reaktorista 25

26 Ydinvoimaloiden historia Nykyiset kaupalliset reaktorit Turvallisuusajattelun kehittyminen Tulevaisuuden reaktoriteknologioita Johtopäätökset 26

27 Tulevaisuuden näkymiä Kaupallisesti saatavilla olevia reaktoreita rakennetaan edelleen lisää Ydinvoiman renesanssi Euroopassa ja Yhdysvalloissa jatkuu, joskin hitaana Ydinvoimaa vastustavat maat (Itävalta) pitävät päänsä Muutama harva ydinvoimamaa on päättänyt luopua ydinvoiman käytöstä (Saksa) Muutama ei-ydinvoimamaa on päättänyt aloittaa ydinvoiman käytön (Puola) Useissa ydinvoimamaissa suunnitellaan lisärakentamista tai vanhojen reaktorien korvaamista uusilla Kiina, Intia ja vastaavat maat rakentavat ydinvoimaa minkä ehtivät Uudenlaisia laitostyyppejä SMR ja GEN4 on tulollaan Prototyyppivaiheessa ~10 vuoden sisään Fuusio ei tule voimalaitoskäyttöön meidän aikanamme 27

28 Kiitos!

29 Power generation in the Nordic countries in % 17 TWh 73 % 3 % 7 % 19 % TWh 1 % 3 % 96 % 20 % 7 % 73 % 34 TWh % 8 % 49 % 134 TWh 37 % 4 % 1 % 12 % 33 % 18 % 36 % 69 TWh Source: ENTSO-E 56 % Altogether 387 TWh Hydropower 15 % Windpower Other renewable Nuclear Coal, Natural Gas, Oil Other