PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2018

Transkriptio

1 PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2018 Prof. Filip Tuomisto Gen IV, maanantai

2 Loppukurssin aikataulu ja aiheet ma 5.3. Gen IV + SMR to 8.3. fuusio ma fuusio to fuusio + nykyiset ja tulevaisuuden haasteet ma TVO vierailuluento to nykyiset ja tulevaisuuden haasteet ma VTT FiR-1 vierailu OK3 to Fennovoima vierailuluento

3 Toiveet/puutteet/muut huomiot Käytetty aika h (!), tyypillisesti 8-12h Ympäristövaikutukset, vertailu muihin, elinkaari Nykyisten laitosten prosessilämmön hyödyntäminen, makea vesi, kaukolämpö? Ydinvoimalan rakennusprosessi alusta loppuun (lupien hankinnasta tuotannon aloittamiseen). Mikä OL3:ssa kestää ja miksi HK1 ei ole vielä rakenteilla? Olemassaolevien laitosten kehittäminen? Päästöt? Suurten kevytvesilaitosten hinta kaksinkertaistunut (NEA:n dokumentti). Miksi? OL3? Suomalaiset laitokset, niiden rakentamiseen liittyvät päätökset ja lupapolitiikka Suomalaiset laitokset, niiden rakenne ja turvajärjestelmät tarkemmin, ml. OL3 ja HK1 Turvallisuuden arvioinnista lisää Suomalaiset vaaratilanteet, niiden ehkäisy, yhteistyö STUKin kanssa Vaihtelua kuvitukseen!

4 Toivelista jatkuu Enemmän reaktorifysiikkaa? Loppusijoitus, avoin vs suljettu kierto, tilavaatimukset, riskit, mahdolliset vuodot, vaikutukset pohjavesiin Sulkemis- /luopumispäätökset, taustat? Enemmän Tsernobylistä ja jälkipyykistä + muista onnettomuuksista Enemmän säteilystä, sen vaikutuksista ja suojautumisesta Polttoaineen jälleenkäsittely, polttoainekierto tarkemmin Miksi Suomessa on sekä Neuvosto- että länsivalmisteisia laitoksia? Materiaalit? Tiivistelmä opitusta? Millaista on (ydinvoiman) vastustajien kritiikki? Mistä kannattajat eivät mielellään puhu? Leppäsen & Tulkin blogi: Riippumaton asiantuntijanäkemys OL4:n ja LO3:n kohtaloista?

5 Toivelista jatkuu vieläkin Gen IV Muut kuin vesijäähdytteiset Torium polttoaineena? Hyötöreaktorit, voiko oikeasti saada 100% uraanin energiasisällöstä, onko se edes tarpeen? ITER Ydinkäyttöiset jäänmurtajat, sukellusveneet, avaruusluotaimet. Tekniikka ja miten henkilöstön turvallisuus varmistetaan? Natrium- ja kaasujäähdytteiset: materiaalit, pumppujärjestelmät? Muut kuin U-235, U-238 transmutaatio?

6 ENEN+ liikkuvuusapurahat jaossa :

7 ENEN+ liikkuvuusapurahat jaossa : Ydintekniikka ja -turvallisuus, jätehuolto, säteilysuojelu, lääketietelliset sovellukset Harjoitteluvaihto (BSc) max. 3 kk 500 eur/kk Kesäkoulut (BSc) 300 eur matkoihin Vaihto 3-5 kk (MSc) 700 eur/kk eur matkat Harjoitteluvaihto (MSc), ei palkkaa max. 6 kk 500 eur/kk Palkallinen harjoitteluvaihto (MSc) max. 3 kk 500 eur/kk + kaikenlaista muuta

8 Päivän varsinaiset aiheet Gen IV ajattelun tausta Reaktorikonseptit Vertaillaan SMR- ja Gen IV kehitystyötä Otetaan varaslähtö fuusioon, jos ehditään

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

10 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

11 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

12 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

13 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

14 Yhteenveto Gen IV 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

15 GenIV tiekartta 2002: 6 konseptia Generation IV International Forum (GIF): Gas-cooled Fast Reactor (GFR) Lead-cooled Fast Reactor (LFR) Molten Salt Reactor (MSR) Sodium-cooled Fast Reactor (SFR)* Super-Critical-Water Cooled Reactor (SCWR) Very-High-Temperature Reactor (VHTR)*

16 SCWR Taloudellinen (yksinkertainen) Jäähdytys: ylikriittinen vesi (ei kiehumista) Ulostulo 550 C Sähköntuotanto Korkea hyötysyhde Avoin polttoainekierto Haasteet Rakennemateriaalit Jäähdytteen virtaus

17 VHTR* Nopeat neutronit Heliumjäähdytteinen Ulostulo C Lämpöä vedyn erottamiseen? Myös sähköä Avoin polttoainekierto Haasteita Materiaalien kestävyys? Miten kytketään vetylaitokseen?

18 GFR Nopeat neutronit Helium-jäähdytys Ulostulo 850 C Sähköä kaasuturbiinilla Hyvä hyötysuhde Suljettu polttoainekierto Voi käyttää aktinideja, toriumia Haasteita Materiaalien kestävyys? Käytetyn polttoaineen käsittely, uudelleenkäyttö

19 LFR Nopeat neutronit Pb / Pb-Bi -jäähdytys Ulostulo C Sähköä! Suljettu polttoainekierto Aktinidit, torium Eri kokoluokkia helposti, modulaarinen? Haasteita Teräksen korroosio (lyijy)? Jäähdytteen notkeus?

20 SFR* Nopeat neutronit Matala paine Natrium-jäähdytys Ulostulo 550 C Sähkö Suljettu kierto, hyötö! Aktinidit Haasteita Natriumin vuotaminen? Negatiivinen lämpötilan reaktiivisuuskerroin?

21 MSR Polttoaine ja jäähdyte sekoitus fluorideja (U, Pu, Th, Na, Zr) Joustava polttoainekoostumus Ulostulo 700+ C Matala höyrynpaine astiassa Suljettu polttoainekierto Aktinidit, sähkö Haasteita Polttoainetta ja fissiotuotteita reaktorin ulkopuolella Kemiallinen erottelu, ylläpito

22 GenIV Suomessa Kansainvälinen yhteistyö menee suurten maiden tahdissa (Ranska, Venäjä, USA, Japani, Kiina) Gen4Fin (kotimainen verkosto, materiaalit, neutroniikka, palama, lämmönsiirto, nestedynamiikka julkinen rahoitus tieteelliselle tutkimukselle?

23 Mitä (tieteellisiä) tutkimushaasteita Gen IV asettaa? Polttoaine materiaalien kehitys (oksidit, nitridit, karbidit, metallit) suljetut polttoainekierrot toriumin käyttö? Rakennemateriaalit korkeat lämpötilat nopeat neutronit uudet ja haasteelliset jäähdytteet (Pb, SCW) valmistus, rakentaminen? Talous kehittyneet vs. kehittyvät markkinat prototyypit törkeän kalliita miten kytketään vedyntuotantoon? Turvallisuus, ydinmateriaalit uskottavuus

24 Pohdintaa Mitä yhteistä on SMR- ja GenIV-kehitystyöllä? Haetaan taloudellisuutta, yhteistuotanto Jäähdytyskonseptit, ei pelkkää kevytvettä Osa SMR-konsepteista pohjautuu samoihin konsepteihin kuin GenIV Entä mitä eroja? SMR: teknologia yksinkertainen, onko Gen IV:ssä? Kokoluokka, GenIV isompia SMR: kivoja pieniä avaimet käteen ratkaisuja GenIV ehkä enemmän tutkimusvaiheessa, kun taas SMR:t kehitteillä GenIV yhteistyötä, tutkimus koordinoitua, jokainen tekee oman SMR:nsä

25 Mennään fuusioteknologioihin 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)

26 Mennään fuusioteknologioihin

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

28 Fuusioreaktioita (käyttökelpoisia?)

29 Käytännöllisin: D-T -fuusio 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

30 Kotitehtävä torstaiksi 9.3. Lue sivut Kikuchin, Lacknerin ja Tranin toimittamasta Fusion Physics kirjasta (löytyy mycoursesista) Vertaile fissio- ja fuusioreaktioita seuraavista näkökulmista (kaavoja saa käyttää!): reaktion luonne todennäköisyys edellytykset energian vapautuminen omavalintainen ominaisuus