PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Transkriptio

1 PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016 Prof. Filip Tuomisto Gen IV, maanantai

2 Loppukurssin aikataulu ja aiheet Gen IV 3.3. Fortum 7.3. SMR Fuusio Fuusio Fuusio nykyiset ja tulevaisuuden haasteet VTT FiR-1

3 Päivän aiheet Gen IV ajattelun tausta Reaktorikonseptit

4 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

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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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)

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

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

14 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

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

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

17 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

18 GenIV Suomessa Kansainvälinen yhteistyö menee suurten maiden tahdissa (Ranska, Venäjä, USA, Japani, Kiina) Gen4Fin (kotimainen verkosto, Nomage4 (pohjoismainen verkosto, materiaalit, neutroniikka, palama, lämmönsiirto, nestedynamiikka julkinen rahoitus tieteelliselle tutkimukselle?

19 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

20 Torstai 3.3. Vierailevat tähdet: Fortumin edustajat Karoliina Ekström ja Tuuli Pyy Ydinenergia(liike)toiminta Tulevaisuuden näkymät "Fortum työnantajana Muistakaa miettiä kysymyksiä etukäteen!

21 Kotitehtävä maanantaiksi 7.3. Lue sivut 1 96 Kristiina Söderholmin väitöskirjasta (Lappeenrannan teknillinen yliopisto, 2013) Licensing model development for small modular reactors (SMRs) - focusing on the Finnish regulatory framework (löytyy mycoursesista) Pohdi pienten modulaaristen reaktoreiden käyttöönoton edellytyksiä (Suomessa): Modulaarisuus: reaktori, järjestelmät, yksittäiset osat Yhteiset turvallisuustoiminnot ja defence-in-depth Sarjatuotanto Kustannukset Lisensiointi