Ydinvoimala. Reaktorit Fukushima 2011

Transkriptio

1 Ydinvoimala Reaktorit Fukushima 2011

2 Ydinvoima sähkön tuotannossa Maa Yhdysvallat Ranska Japani Venäjä Saksa Kanada Kiina Ruotsi Espanja Iso-Britannia Suomi Brasilia Unkari Intia Etelä-Afrikka Meksiko Liettua Ydinvoiman osuus (%) tuotanto (TWh) Ydinvoiman 19,7 76,2 24,9 16,9 28,3 14,8 2,2 42,0 18,3 13,5 29,7 3,1 37,2 2,0 5,3 4,0 72,9 809,0 418,3 240,5 152,1 140,9 88,6 65,3 61,3 56,4 52,5 22, ,0 13,2 12,7 9,4 9,1 sähköntuotannossa vuonna Lähde: World Nuclear Association.

3 Ydinenergian osuus energiankäytössä

4 Ketjureaktio, fissioreaktio

5 Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä

6 Ydinvoimalan toimintaperiaate

7 Ydinvoimala

8 Olkiluoto 3

9 Turvallisuusjärjestelmä Säätösauvat (1) ja hätäbooraus: Pikasulussa säätösauvat työnnetään hydraulisesti reaktorisydämeen alhaalta päin muutamassa sekunnissa, jolloin ketjureaktio pysähtyy. Säätösauvat voidaan ajaa sydämeen myös sähkömekaanisella järjestelmällä, joka on riippumaton hydraulisesta pikasulusta. Tämän lisäksi reaktorin sammuttamiseen voidaan käyttää neutroneita hyvin absorboivaa boorivettä (4).

10 Reaktorin primääripiiri PWR

11 Sekundääripiiri

12 Merivesipiiri

13 Painevesireaktori PWR ja Kiehutusvesireaktori BWR

14 PWR-reaktorin toimintaperiaate Reaktorisäiliö, jossa varsinainen fissioreaktori tapahtuu, on paineen kestävä betoni- ja terässäiliö. Tämä painekammio on vuorattu neutroneja heijastavilla levyillä. Polttoainesauvat jotka on valmistettu rikastetusta uraanista ovat reaktorisäiliössä veteen upotettuina. Niiden rinnalla on booriteräksestä ja neutroneja absorboivasta aineesta valmistetut säätösauvat. Vesi toimii säiliössä hidastavana väliaineena ja lisää täten fission tapahtumisen mahdollisuutta, koska hitaat neutronit aiheuttavat sen parhaiten. Mikäli reaktio alkaa kiihtyä liikaa, säätyy reaktori siten että säätösauvat tippuvat syvemmälle veteen. Tällöin suurempi osa neutroneista absorboituu ja reaktio hidastuu. Mikäli reaktorissa ilmenisi häiriö on säätösauvat mahdollista pudottaa kerralla veteen ja saada koko reaktio loppumaan. Reaktorissa oleva vesi on reaktorin nimen mukaisesti kovassa paineessa. Kovan paineen takia se ei ala kuumetessaan kiehumaan. Tämä kuumeneva vesi ei pääse suoraan turpiiniin vaan se lämmittää ohimenevän matalapaineisen veden. Matalapaineinen vesi höyrystyy ja höyryn avulla pyöritetään turpiinia. Niinpä radioaktiivinen vesi ei pääse muualle kuin reaktoriin.

15 BWR-reaktorin toimintaperiaate Kiehutusvesireaktori on periaatteeltaan täsmälleen painevesireaktorin kaltainen. Ainoana erona on että vesi pääsee kiehumaan jo reaktorissa. Tämä höyry johdetaan suoraan turpiiniin joka jauhaa höyrystä sähköä. Menetelmän haittana on se että radioaktiivinen vesi pääsee tekemisiin mm. turpiinin kanssa. Täten syntyy helpommin vuotoja joista radioaktiivinen vesi pääsee kierron ulkopuolelle. Lisäksi reaktorien huollon yhteydessä mm. turpiiniin joudutaan vaihtamaan kuluvia osia. Vanhat osat ovat radioaktiivisia ja niistä syntyy haitallista jätettä. Toisaalta kiehutusvesireaktorissa radioaktiivinen vesi ei ole korkeassa paineessa, sillä korkeapainesilla putkistoilla on taipumusta väsyä jolloin niihin tulee vuotoja. Jos neutroni osuu happeen (O-16) sopivasti tuloksena on radioaktiivista typpeä, N16, jonka puoliintumisaika on noin 7 sekuntia ja protoni (eli ionisoitunut vetyatomi). Turbiinia ei saa mennä huoltamaan muutamaan minuuttiin. Neutronit itsessään hajoavat protoniksi ja elektroniksi noin vartin puoliintumisajalla, mutta koska neutronit ovat varauksettomia eivät ne kulkeudu veden mukana. Ne kyllä osuvat muihin atomiytimiin reaktorin seinissä tai vedessä. Neutronit itsessään eivät siis pääse reaktorista karkuun. Huomautuksena, että tämä on tärkein suunnitteluaspekti reaktoreissa, koska koko reaktorin toiminta perustuu hallittuun neutronisäteilyyn.

16 Polttoainenippu (UO2), sauvaa

17 Säätösauvat ja suojakuoret Radioaktiivisuuden eristämiseksi ympäristöstä on useita peräkkäisiä esteitä. 1. este on polttoaineen kiinteä, keraaminen olomuoto. 2. on polttoainesauvan zirkoniumkuori. 3. on reaktoripaineastia. 4. on suojarakennus. 5. on reaktorirakennus

18 Polttoaineen säilytys

19 fi_fi Polttoainekierto

20 Olkiluoto

21 Ydinvoimaloiden historiaa * Ydinreaktoritekniikan ensimmäisen sukupolven erityispiirteitä:. Vaatimaton teho (tyypillisesti alle 100 MW).. Selvä yhteys sotilasteknologiaan.. Luonnonuraanipolttoaine (0.7% U-235) =) raskasvesi- tai grafiittimoderoidut reaktorit (MAGNOX ja AGR, CANDU- ja RBMK-reaktorien edeltäjät). * Väkevöintiteknologian kehitys ja 1960-luvulla tapahtuneet muutokset politiikassa laskivat väkevöidyn polttoaineen hintaa ja helpottivat saatavuutta =) kevytvesireaktoriteknologian kilpailukyky parani huomattavasti. * Ydinvoiman maailmanlaajuinen kasvu taittui vuonna 1979 tapahtuneeseen Three Mile Islandin onnettomuuteen tai viimeistään Tshernobyliin vuonna * Nykyinen kaupallinen reaktorisukupolvi perustuu pääasiassa luvuilla kypsyneeseen kevytvesireaktoritekniikkaan

22 II sukupolven reaktorit Nykyhetki: II sukupolven kevytvesireaktoritekniikka * Reaktorin jäähdytteenä ja moderaattorina toimii tavallinen (kevyt) vesi. * Paine- (PWR) ja kiehutusvesilaitokset (BWR). * Matalasti väkevöity uraanioksidipolttoaine (3-5% U-235). * Teknologian hyviä puolia:. Turvallisuus, erityisesti reaktorin stabiili toiminta. Pitkä historia, hyvin tunnettua tekniikkaa. Taloudellinen kilpailukyky... ja ongelmia:. Käytettyyn polttoaineeseen syntyy pitkäikäisiä aktinidiisotooppeja.. Luonnonuraanin energiasisällöstä hyödynnetään alle prosentti.

23 III polven reaktorit Lähitulevaisuus: III sukupolven reaktoritekniikkaa EPR (Suomi, 2011) Evoluutiotyypin kevytvesireaktori * Perustuu II sukupolven KonvoijaN4-laitoksiin, uutta teknologiaa lähinnä reaktorin turvallisuudelle asetetut vaatimukset. Tarkoitettu perusvoimaksi sähköntuotantoon, teho 1600 MWe. Edustaa kevytvesireaktoritekniikan kehityskaaren huippua. Kaasujäähdytteisten reaktorien uusi tuleminen, reaktoritekniikan monipuolistuminen.

24 3-sukupolven reaktorityyppejä Type U-235 enrichment Coolant Moderator (%) Uraanipitoisuus Jäähdytin Hidastin BWR 2-4 ordinary water (H2O) H2O (Kiehutusvesireaktori) H2O H2O PWR 2-4 (Painevesireaktori) 0.7 heavy water (D2O) D2O CANDU (Raskasvesireaktori) 93 helium graphite HTGR (Kaasujäähdytteinen reaktori) none FBR UO2 and PuO2 liquid sodium (Jäähdyttimenä nestemäinen Natrium) RBMK-reaktori on vesijäähdytteinen grafiittihidasteinen reaktori, jota käytetään lähinnä Venäjällä.

25 IV polven reaktorit Tulevaisuus: reaktoritekniikan neljäs sukupolvi * Nykyisellä kevytvesireaktoritekniikalla pystytään tuottamaan sähköä turvallisesti ja taloudellisesti, tuottamatta juuri lainkaan kasvihuonekaasupäästöjä. * Neljännessä sukupolvessa ydinenergian käyttö pyritään saamaan kestävän kehityksen mukaiseksi säilyttäen vähintään nykyinen turvallisuustaso. * Strategisena tavoitteena siirtyminen avoimesta suljettuun polttoainekiertoon:. Pitkäikäisten aktinidien hävittäminen loppusijoitettavasta ydinjätteestä.. Maailman uraani- ja toriumvarojen tehokas hyödyntäminen. * Muita tavoitteita: uudet ydinenergiasovellukset (prosessilämpö, vedyntuotanto, puhtaan juomaveden valmistus), ydinaseteknologian leviämisen estäminen.

26 4-sukupolven reaktorityyppejä

27 Reaktoritekniikan sukupolvet

28 Säätösauvat, kevytvesi LWR ja RBMK Turvallisuuteen vaikuttavat erot Tšernobylin RBMK-reaktorin ja maailmalla tavanomaisen kevytvesireaktoria (LWR, light water reactor) käyttävän korkean ydinturvallisuuden voimalaitoksen välillä. RBMK-reaktorissa hidastinaineena käytettiin tulenarkaa grafiittia (kuvassapunaisella). Positiivinen aukkokerroin, reaktorissa kiertävän veden tiheyden laskiessa reaktorin teho kasvaa. Sauvojen laskeminen reaktoriin tapahtui hitaasti ja kesti nopeimmillaankin sekuntia RBMK-reaktoreita ei ole varustettu lainkaan ilmatiiviillä suojarakennuksella

29 Japanin ydinvoimaloitten tila 4/2011

30 Reaktoritila

31 Reaktori, Fukushima-Olkiluoto 3

32 Fukushiman tapahtuman kulku Pikasulku onnistui kuten piti Maanjäristys laukaisi Fukushiman reaktoreissa pikasulun ja ne ajettiin nopeasti alas. Todennäköisesti yhteys ulkoiseen sähköverkkoon katkesi jo maanjäristyksessä ja varavoimaa tuottavat dieselit käynnistyivät. Jonkin ajan kuluttua maanjäristyksen nostama valtava hyökyaalto saavutti Fukushiman voimalan hukuttaen varavoimadieselit ja katkaisten niiden sähköntuotannon. Hätävirtalähteinä käytetään myös akkuja, mutta niiden varassa jäähdytyskierto ei voi toimia. Jäähdytystä hoidettiin sähköjen katkettua höyrykäyttöisin turpiinipumpuin. Höyrykäyttöiset pumput ja akkujen ohjaussähkö riittivät jonkin aikaa, mutta lopulta jäähdytys pysähtyi. Siitä ei tietoa, miksi näin kävi, Ilmeisesti pumput hajosivat kahden päivän jälkeen. Sen jälkeen jäähdytystä jatkettiin pumppaamalla merivettä paloautojen pumpuilla reaktorirakennusten palopostien kautta reaktorirakennukseen. Ongelmaksi muodostui se, että paine reaktorissa nousi eivätkä paloautojen pumput jaksaneet nostaa vettä ilman paineen alentamista välillä. Kun jäähdytysvesi ei kiertänyt, reaktorin ydinpolttoaine kuumeni ja alkoi keittää jäähdytysvettä ja muodostaa painetta. Höyry johdettiin paineastiasta paineen laskemiseksi lauhdealtaaseen ja jäähdytettiin. Se aiheutti typellä täytetyssä suojarakennuksessa paineen nousun, jota piti laskea päästämällä höyryä ja muita kaasuja pois ulospurkausreitin kautta. Jäähdytystä ei edelleen saatu toimimaan, joten ydinpolttoaine kuumeni lisää ja keitti vettä niin rajusti, että vedenpinta laski ja ydinpolttoaine paljastui. Kuumentuminen aiheutti polttoainesauvoihin vaurioita, muodosti höyryä, jalokaasuja ja ksenonia, jotka piti puhaltaa jälleen ulos. Höyryssä oli mukana myös radioaktiivisia aineita ja kun suojarakennusta oli tuuletettava höyrypuhalluksen jälkeen, radioaktiivisuus lähiympäristössä nousi. Kuumenemisen edelleen jatkuessa polttoainesauvojen metalli ja vesi muodostivat vetyä, joka piti tuulettaa typellä täytettyyn suojarakennukseen ja siitä paineen kasvaessa edelleen ulos. Kun vety pääsi kosketukseen hapen kanssa, tapahtui räjähdys. Fukushimassa vety on räjähtänyt ainakin kolme kertaa. Zr + 2 H2O ZrO2 + 2 H2 Fukushima 1 Käyttöönottovuosi 1971 General Electric BWR-3 Kiehutusvesireaktori Sähköteho 440 MW Fukushima 2 Käyttöönottovuosi 1974 General Electric BWR-4 Kiehutusvesireaktori Sähköteho 784 MW Fukushima 3 Käyttöönottovuosi 1976 Toshiba BWR-4 Kiehutusvesireaktori Sähköteho784 MW Fukushima 4 Käyttöönottovuosi 1978 Hitachi BWR-4 Kiehutusvesireaktori Sähköteho784 MW

33 Kaaviokuva onnettomuusreaktorista

34 Fukushiman reaktorit

35 Merivirrat

36 Merivirrat Japanin edustalla

37 Kehitystavoitteita Erityisiä odotuksia uudelta tekniikalta uusien polttoaineiden saaminen hyödynnettäviksi (suurempi osa luonnonuraanista, torium) uraanivarantojen riittävyyden parantaminen ja sitä myötä ydinvoiman elinkaaren pidentäminen yleisesti polttoaineen uudelleenkierrätys reaktorissa lopullisen jätteen radioaktiivisuuden, sen puoliintumisajan, lämmöntuoton sekä kokonaismäärän pienentäminen niin sanottujen korkean lämpötilan reaktorien lämmön samanaikainen hyödyntäminen muuhunkin, kuin sähkön tuottoon

38 Säteily

39 Säteilyn vaikutukset elävään organismiin

40 Säteilyn määrä Becquerel/kg ja tiheys Sv/aikayksikkö