PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019

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

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

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019

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

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019

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

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

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

fissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Yhdysvaltalaisen koereaktorin. käynnistyy, kun192 laseria suunnataan pieneen polttoainesäiliöön. PHILIP SALTONSTALL/LLNL

Fuusiotutkimuksen kuulumisia. Karin Rantamäki VTT

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

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Ydinfuusion fysikaaliset perusteet energiantuotannossa

Kosmos = maailmankaikkeus

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

Lämpöilta taloyhtiöille. Tarmo Wivi Lönn Sali. Lämmitysjärjestelmien ja energiaremonttien taloustarkastelut

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Pienet modulaariset ydinreaktorit

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Ydinvoima kaukolämmön tuotannossa

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Fuusiovoimala (ja) ITER. Taina Kurki-Suonio Aalto University, Department of Applied Physics

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Tuulienergialla tuotetun sähköntuotannon lisäys Saksassa vuosina Ohjaaja Henrik Holmberg

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Ionisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Tavoitteet: Oppilas ymmärtää uusiutuvien energialähteiden perusteet ja mahdollisuudet.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Keski-Suomen fysiikkakilpailu

Fysiikan kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. Poikkeuksena kurssit 10-14, joista tarkemmin alla.

6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA

CBRNE-aineiden havaitseminen neutroniherätteen avulla

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Jos olet käynyt kurssin aikaisemmin, merkitse vuosi jolloin kävit kurssin nimen alle.

Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet Harjoitus 1, mallivastaukset Syksy 2016

Varaavan tulisijan liittäminen rakennuksen energiajärjestelmään

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Hirsirakenteisten kesämökkien kuivanapitolämmitys

ti Tfy Termodynamiikka tentinvalvonta PHYS K215 Tfy Fysiologia Tfy Signal Processing in Biomedical Engineering

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA. Sähkötekniikka. Sähkövoimatekniikka INSINÖÖRITYÖ FUUSIOVOIMA

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

PHYS-C0240 Materiaalifysiikka kevät 2017

SMG-4250 Suprajohtavuus sähköverkossa

Kurssin koodi ja nimi Ryhmä Päivä Aika Sali Luennoitsija Viikot Lisätietoja

Aurinkoenergian mahdollisuudet maatilalla Pihtauspäivä, Pori

Uusiutuvan energian yhdistäminen kaasulämmitykseen

Tornio RAMK Petri Kuisma

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

DEE Sähkötekniikan perusteet

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

RAKENNA AURINKOKATTILA

Kuivauksen fysiikkaa. Hannu Sarkkinen

Neutriino-oskillaatiot

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luvun 8 laskuesimerkit

Jäähdytysjärjestelmän tehtävä on poistaa lämpöä jäähdytyskohteista.

Atomimallit. Tapio Hansson

Mitä ledi on ja mitkä ovat sen edut ja haitat?

Maatilamittakaavan biokaasulaitoksen energiatase lypsylehmän lietelannan sekä lietelannan ja säilörehun yhteiskäsittelyssä

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

1/9. Kenttäasetustaulukko. Sovellettavat sisäyksiköt. Huomautuksia (*1) *HB* (*2) *HV* (*3) *3V (*4) *9W (*5) *04/08* (*6) *11/16*

Torium voimala energian uinuva jättiläinenkö? Esitys Tampereen Ruutiukoissa syyskuun Matti Kataja

Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

Tarinaa tähtitieteen tiimoilta FYSIIKAN JA KEMIAN PERUSTEET JA PEDAGOGIIKKA 2014 KARI SORMUNEN

ADAX CLEA ADAX DESIGN LÄMMITTIMET

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Atomimallit. Tapio Hansson

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

Aurinko lämmönlähteenä Miika Kilgast

Fuusiopalosta ehtymätöntä perusvoimaa

Dissipatiiviset voimat

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Tuloilmaikkunoiden edut ja kannattavuus

Zehnder Nova Neo Tehokasta lämmitystä ja mukavuusviilennystä. Lämmitys Viilennys Raitis ilma Puhdas ilma

Käynnissä ja rakenteilla olevat fuusiokoereaktorit

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Aurinkosähkötuotannon mahdollisuudet ja kehityspotentiaali Suomessa

Aurinkolämpö. Tässä on tarkoitus kertoa aurinkolämmön asentamisesta ja aurinkolämmön talteen ottamiseen tarvittavista osista ja niiden toiminnasta.

Transkriptio:

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2019 Prof. Filip Tuomisto Fuusion perusteet, maanantai 11.3.2019

Reaktorivierailu ma 25.3. klo 10.00 Osoite: Otakaari 3 Pakollinen ilmoittautuminen: mycourses Sulkeutuu ma 18.3. klo 16.00 Pakollinen kuvallinen poliisin myöntämä henkilöllisyystodistus: passi, ajokortti, henkilökortti Läsnäolo ei pakollinen

Päivän aiheet Fuusioreaktio(t) Fuusion vaatimat olosuhteet Miten fuusiota voidaan ylläpitää? Pohdintaa yksinkertaisen mallin rajoituksista Vaihtoehtoisia fuusioreaktioita

Fuusioreaktio Auringon sydän tuottaa 380 jotawattia (3.8 x 10 26 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)

Fuusioreaktio, jatkuu

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

Fuusioreaktioita (käyttökelpoisia?)

Käytännöllisin: D-T -fuusio Suurin reaktionopeus matalissa lämpötiloissa 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

Käytännöllisin: D-T -fuusio Fuusioituvien ydinten täytyy voittaa sähköstaattinen repulsio! Täytyy lämmittää jotta saadaan ydinten liike-energia riittävän korkeaksi Käytännössä n. 10 kev (n. 100.000.000 C) on saavutettavissa D-T fuusio kolme kertaluokkaa todennäköisempi kuin seuraava (D-D)

Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Sisäinen lämmönlähde: fuusio-α:t (> 1 MeV) Fuusioteho neutroneissa Säteily- ja kuljetushäviöt Ulkoista tehoa (lämmitystä) tarvitaan, kunnes fuusio ylläpitää itseään

Lämpötila, tiheys, koossapito(aika)? Syttymisehto: Q = P fusion / P aux >> 1 (Q = 1 break-even) Fuusioteho: P fusion = 5P α = 5n D n T σv E α V p Nettolämpöteho: P heat = P aux + P α P brems Auki: P heat = P aux + n D n T σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p 50-50 D-T: P heat = P aux + 0.25n e2 σv E α V p C B T 1/2 n e2 V p

Fuusiotehon täytyy ylittää häviöt (Lawsonin ehto)

Energiaa (lämpöä) virtaa jatkuvasti ulos, pitää siis kompensoida Plasman kineettinen energia: W p = 3n e k B TV p Lämmitetään: P heat = dw p /dt + P trans Energian koossapitoaika: τ E = W p / (P heat dw p /dt) Ajasta riippuva tehotasapaino:

Tasapainoehto (D-T plasma) Break-even tilanteessa saadaan edellä olevista kaavoista (kun vähän pyöritellään) n e τ E = 10 20 sm -3

Todellisuudessa reaktionopeus riippuu lämpötilasta

Onko tämä näin yksinkertaista? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Mitä tapahtuu heliumille? Polttoaineen syöttö, mistä deuterium ja tritium? Olosuhteiden / koossapidon vaatima energia Lämmityksen hyötysuhde, fuusiosähkön hyötysuhde Kuinka pitkään materiaalit kestää?

Onko tämä näin yksinkertaista (2018)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Mitä tapahtuu heliumille? Plasman puhtaus yleensä, irtoaako seinistä materiaalia? Plasman tiheys ei vakio paikan tai ajan suhteen Polttoaineen syöttö Osa fuusioneutroneista käytetään tritium tuottoon Sähköntuotannon hyötysuhde Olosuhteiden luomiseen tarvitaan energiaa Ulkoisen lämmitystehon hyötysuhde

Onko tämä näin yksinkertaista (2017)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Plasman homogeenisuus ei välttämättä vakio ajan suhteen Polttoainetasapaino (kuluminen, syöttö) Materiaalien kestävyys ja ominaisuudet Hyötysuhteet (lämmitys, sähköntuotto)! Plasman puhtaus, mukaan lukien syntyvä 4 He Olosuhteiden luominen ei ilmaista sekään

Onko tämä näin yksinkertaista (2016)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: Magneettikenttä pitää synnyttää jotenkin (teho) Sähköntuoton hyötysuhde Käytetään jotain muuta kuin D-T Heliumin poisto Polttoaine sisään? Tiheys, lämpötila ei vakioita (ajan tai paikan suhteen)

Onko tämä näin yksinkertaista (2015)? Pohdiskelutehtävä: mitä on jätetty ottamatta huomioon? Mihinköhän suuntaan poisjätetyt ilmiöt tuota syttymisehtoa (tai break-even ehtoa) vievät? Listataan: koossapitoon (magneetit, laserit?) menevä teho tiheys, lämpötila vakioita? epäpuhtaudet miten materiaalit kestää? fuusiotuotteet: erityisesti He polttoaineen syöttö ja tuotto lämmönsiirto, hyötysuhde

Pohditaan hetki muitakin kuin D-Treaktioita D-D-reaktio ei tarvitse huolehtia sekoitussuhteesta tritiumia tulee toisesta reaktiohaarasta (bonuksena D-T fuusio) pienemmät reaktiotuotteiden (erityisesti neutronien) energiat Muut polttoaineet: esim. 3 He, 11 B vaativat koossapidolta enemmän (tiheys, lämpötila, jne) deuterium ja tritium helposti saatavilla (D-pitoisuus 33 mg litrassa vettä, tritiumia hyötämällä litiumista)

Fuusio huoneenlämpötilassa: scifiä?

Yhteenveto Fuusioreaktion ylläpitämiseen tarvitaan sopivasti koossapidettyä kuumaa plasmaa magneettinen, inertiaali- tai gravitaatiokoossapito Break-even ja syttyminen (Lawsonin ehto) sisäisen lämmityksen tulee ylittää häviöt käytännössä heliumin tuotto ja epäpuhtaudet asettavat lisäehtoja toiminnalle D-T tällä hetkellä suosituin vaihtoehto paras tehontuotto matalissa lämpötiloissa Polttoainetta helposti saatavilla (D-D voisi tulevaisuudessa tosin olla parempi)

Kotitehtävä maanantaiksi 18.3. Ei kotitehtävää, mutta kertaa kotitehtävän 9 (SMR) materiaaleja ja vastauksiasi! Ville Tulkin sijaan tuleekin Ville Sahlberg, mutta luennon sisältö on sama

Viimeiset kotitehtävät (12): to 21.3. Lue kansallisen ydinturvallisuustutkimusohjelman (SAFIR2022) runkosuunnitelma (mycourses). Vastaa seuraaviin kysymyksiin: Mitä tutkimusohjelmalla tavoitellaan? Kuvaile lyhyesti kokonaisturvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti reaktoriturvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti rakenteiden turvallisuuden tutkimustarpeet. Mitä koelaitteistoja Suomessa on ydinturvallisuustutkimuksen käytettävissä?

Viimeiset kotitehtävät (13): ma 25.3. Tutustu Haldenin reaktoriprojektiin sekä tulevaan Jules Horowitz materiaalintutkimusreaktoriin seuraavien nettisivustojen avulla: http://www.ife.no/en/ife/halden/hrp/the-halden-reactor-project http://www-rjh.cea.fr/index.html http://www.mtri3.eu/ Mitä tutkimusta näillä reaktoreilla tehdään tai aiotaan tehdä? Mitä materiaaleja niissä tutkitaan? Mitä näiden materiaalien tutkimiseen tarvitaan näiden reaktorien lisäksi?

Viimeiset kotitehtävät (14): torstai 28.3. Lue kansallisen ydinjätehuollon tutkimuksen (KYT2022) puiteohjelma (mycourses). Vastaa seuraaviin kysymyksiin: Mitä tutkimusohjelmalla tavoitellaan? Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon teknologioiden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon turvallisuuden tutkimustarpeet. Kuvaile lyhyesti ydinjätehuollon yhteiskunnalliset tutkimustarpeet (hyväksyttävyys).

Viimeiset kotitehtävät (15): ma 1.4. Lue sivut 26 40 (kappale 1.4) Kikuchin, Lacknerin ja Tranin toimittamasta Fusion Physics kirjasta (löytyy Nopasta) Vertaile magneettiseen koossapitoon perustuvaa sekä inertiaalifuusiota Selitä lyhyesti molempien perusperiaatteet Mitkä ovat tärkeimmät yhtäläisyydet ja erot?

Viimeiset kotitehtävät (16): to 4.4. Tutustu lehden Journal of Nuclear Materials vuoden 2019 kahteen ensimmäiseen numeroon: 513 (ss. 1 346) ja 514 (ss. 1 402). Finna-portaalin kautta pääsee (kun kirjautuu sisään Aalto-tunnuksilla, aalto.finna.fi) Elsevierin Science Direct palveluun, josta lehti löytyy Minkä tyyppisiä materiaaleja ydintekniikan alalla tutkitaan? Mitä niistä yritetään selvittää? Miten? Ovatko kaikki olennaiset materiaaliryhmät edustettuina? Puuttuuko lähestymistapoja?