Neljännen sukupolven reaktorit ja mallinnuksen haasteet



Samankaltaiset tiedostot
Neljännen sukupolven fissioreaktorit

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

Ydinvoima puhdasta ja turvallista energiaa

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

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

Kehittyneet polttoainekierrot Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi. KYT2014 puoliväliseminaari Tuomas Viitanen, VTT KEPLA-projekti

SAFIR2014 Strategiaseminaari

Tulevaisuuden ydinpolttoainekierrot. Markku Anttila

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

Ydinvoiman mahdollisuuksista maailman energiapulaan

Ydinvoiman tulevaisuus meillä ja maailmalla

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

GEN4FIN SAFIR2014 seminaari

Ydinvoima ja Innovaatiot

Ydinvoimala. Reaktorit Fukushima 2011

Virtaussimulaatioseminaari teollisuuden puheenvuorot: virtaussimulaatiot, merkitys ja kehitystarpeet

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

Ydinvoima tulevaisuutta vai menneisyyttä?

Nopeat ydinreaktorit. Fast nuclear reactors

URAANIN TIE KAIVOKSESTA KÄYTETYN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUKSEEN

Tutkimustoiminta Lappeenrannassa Tänään ja huomenna

fissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö

Kaasujäähdytteinen nopea reaktori Virtauskanavan painehäviö CFD-laskennalla

Ydinvoima ja ydinaseet Markku Anttila Erikoistutkija, VTT

Ydinpolttoainekierto. Kaivamisesta hautaamiseen. Jari Rinta-aho, Radiokemian laboratorio

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

Suomalainen erotus- ja transmutaatiotekniikan tutkimus

:TEKES-hanke /04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen

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

POSIVA OY LIITE 6 2 OLKILUODON KAPSELOINTI- JA LOPPUSIJOITUSLAITOKSEN RAKENTAMISLUPAHAKEMUS

Sivuaktinidien poltto kevytvesireaktorissa

YDINVOIMALAITOS- TEKNIIKAN PERUSTEITA

YDINENERGIAN TILANNE MAAILMALLA

Kehittyneet polttoainekierrot UUDET EROTUSTEKNIIKAT

HTR-PROTEUS-REAKTORIN MALLINTAMINEN MODELLING OF REACTOR HTR-PROTEUS

KEHITTYNEET POLTTOAINEKIERROT

VTT-R TUTKIMUSRAPORTTI. COSI6 VTT:llä. Luottamuksellisuus:

CFD:n KEHITTÄMISTARPEET JA KEHITTÄMISMAHDOLLISUUDET VTT:n NÄKEMYKSIÄ. Lars Kjäldman CFD kehitysseminaari

Sähkö on hyvinvointimme perusta

Ydinvoimalaitoksen polttoaine

Kosteusmittausten haasteet

KATSAUS YDINVOIMALAITOSTEN RAKENTAMISEEN MAAILMALLA

Fukushima reaktorifyysikon näkökulmasta Jaakko Leppänen / VTT

GeoChem. Havainnot uraanin käyttäytymisestä kiteisissä kivissä Mira Markovaara-Koivisto Teknillinen korkeakoulu, Geoympäristötekniikka

Sulasuolareaktorit. Molten salt reactors

Voimalaitoksen komponentit, höyrykierto ja hyötysuhde; polttoaineen käytön suunnittelu ja optimointi

Hyvä tietää ydinvoimasta

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

KAASUJÄÄHDYTTEINEN NOPEA REAKTORI GAS-COOLED FAST REACTOR

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus

Kaupalliset pienen kokoluokan kaasutus CHP laitokset

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Kansallinen ydinturvallisuuden tutkimusohjelma SAFIR2010

Otso-Pekka Kauppinen SUOMEN YDINPOLTTOAINEKIERTO. Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta. LUT Energia Tutkimusraportti 16

Pienet modulaariset ydinreaktorit

Lahti Energian uusi voimalaitos KYMIJÄRVI II. Jaana Lehtovirta Viestintäjohtaja Lahti Energia Oy

ATS opetus ja tutkimus

OKLO. Ydinjätteen pitkäaikainen varastointi. Ruutiukot Matti Kataja

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Uuden laitostyypin Super LWR keskeiset piirteet ja erityisominaisuudet

Integrointialgoritmit molekyylidynamiikassa

KUULAKEKOREAKTORIN SYDÄMEN JÄÄHDYTEVIR- TAUKSEN CFD-MALLINNUS CFD-MODELLING OF COOLANT FLOW IN PEBBLE BED REACTOR CORE

Ydinvoima kaukolämmön tuotannossa

Uusi ejektoripohjainen hiilidioksidin talteenotto-menetelmä. BioCO 2 -projektin loppuseminaari elokuuta 2018, Jyväskylä.

Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

Reaktorifysiikan laskentamenetelmät

Teollisuuden näkökulma avoimen lähdekoodin ohjelmistoihin

Ydintekniikan historiaa ja sovelluksia. Seppo Sipilä

Kokemuksia ja havaintoja teekkareille suunnatusta matematiikan ja fysiikan preppauksesta

VAIKUTUSALAKIRJASTOJEN MUODOSTAMINEN SERPENT-ARES-LASKENTAKETJUSSA

Pääkirjoitus. Petsamon valtatiellä kolmikymmentäluvulla

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

Olkiluoto 3 Ympäristöselvityksistä laitosvalintaan

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

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

KE Johdatus prosesseihin, 2 op. Aloitusluento, kurssin esittely

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

Metallikaivosteollisuuden kehityspolut vähähiilisessä yhteiskunnassa. Mari Kivinen Geologian tutkimuskeskus

Reaktorityyppejä. Seppo Sipilä

Älykkään vesihuollon järjestelmät

Virtaus pohja- ja pintaveden välillä. määritysmenetelmiä ja vaikutuksia harjualueiden vesistöihin

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

KOKSIN OMINAISUUDET MASUUNIN OLOSUHTEISSA

Vinkkejä ydinenergia-alan hankkeisiin tähtääville yrityksille

Sulasuolareaktorien historia

Kaasutus tulevaisuuden teknologiana haasteita ja mahdollisuuksia

Biomassan käyttö energian tuotannossa globaalit ja alueelliset skenaariot vuoteen 2050

KEHITTYNEIDEN YDINPOLTTOAINEKIERTOJEN YMPÄRISTÖVAIKUTUSTEN JA TALOUDELLISUUDEN ARVIOINTIA

Päätösmallin käyttö lietteenkäsittelymenetelmän valinnassa

Rosatom laitostoimittajana

CFD Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Jouni Ritvanen.

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

TVO:n kuulumiset ja OL4

Monte Carlo -reaktorifysiikkalaskennan ja laskennallisen virtausmekaniikan kytkentä kuulakekoreaktorissa

Matkalle puhtaampaan maailmaan. Jaakko Nousiainen, UPM Biopolttoaineet Puhdas liikenne Etelä-Karjalassa

Kansallisen ydinenergia-alan Osaamistyöryhmän työn tulokset ja jatkotoimet

FY 8: Ydinvoimalat. Tapio Hansson

TIIVISTELMÄRAPORTTI NEUTRONISÄTEILYÄ LÄHETTÄVIEN AINEIDEN HAVAITSEMINEN JA TUNNISTAMINEN

Fissioteknologian perusideat Nykyinen fissioteknologia perustuu siihen, että eräiden raskaiden ytimien (esimerkiksi uraani 235

Nanomateriaalit jätteissä. Hanna-Kaisa Koponen Teknologiakeskus KETEK Oy

Transkriptio:

Neljännen sukupolven reaktorit ja mallinnuksen haasteet Jaakko Leppänen ATS Jäsentilaisuus 13.6.2007

Sisältö * Ydinreaktoreiden fysikaalinen mallinnus: Ydinreaktoreiden fysiikan erityispiirteitä. Reaktorifysiikan mallinnus. * Neljännen sukupolven reaktoritekniikkaa. * Reaktorityypit: SCWR VHTR SFR LFR GFR MSR

Ydinreaktoreiden fysikaalinen mallinnus * Ydinreaktoreiden fysiikan erityispiirteitä: Neutronivuorovaikutusten monimutkainen energia-, paikka- ja kulmariippuvuus. Neutroniikan ja termohydrauliikan välinen voimakas kytkentä. Käyttöjakson aikaiset muutokset polttoaineen isotooppikoostumuksessa ja mekaanisissa ominaisuuksissa. Polttoaineen radioaktiivisuus. Turvallisuusnäkökohtien korostuminen. Käytetyn ydinpolttoaineen ongelmat. * Ydinreaktorin mallinnusta ei käytännössä voi toteuttaa jakamatta ongelmaa pienempiin osiin.

coresimulation Staticord ) descri y Reactorsimulatorcodes homo Levelofdetail: Homo 3Dreactorsimulator local y ) nucleardata Laticecodes hiresolution Levelofdetail: libraries 2Dlaticecalculation ) models y Data Levelofdetail: files Data g Evaluatednucleardata y ) descri Nuclearmodelcodes detailed andevaluation Ex nuclearmodels measurementsand Ex Ydinreaktoreiden fysikaalinen mallinnus * Mallinnuksessa lähdetään liikkeelle yksittäisten vuorovaikutusten fysiikasta. * Kuvauksen yksityiskohtaisuutta pyritään vähentämään tarkkuuden kärsimättä. * Ylimmällä tasolla (simulaattorilasku) polttoaine kuvataan homogeenisina alueina ja energiariippuvuus muutamalla energiaryhmällä. * Laskentakoodit on yleensä räätälöyty tiettyä reaktorityyppiä varten. ynamicful+ andnucleardataptionof geometr (SIMULATE,TRAB,HEXTRAN,ARES genised calculation geometr,detailed gh[,no geometr paremeterisednuclear procesin geometrption,noph ysics Levelofdetail: grou pconstantsgenisedfew+ (WIMS,CASMO,HELIOS grou pcrosection Point+ wiseormicro+ (NJOY,CALENDFprocesin (EMPIRE,PSG gcodes,alice,talys perimentalmeasurements perimental

Reaktoritekniikan sukupolvet * Ydinreaktoreiden kehitys voidaan jakaa neljään sukupolveen : Generation I: Ensimmäiset prototyyppireaktorit 50-luvulla (MAGNOX, RBMK, FBR, HTR) Generation II: Kevytvesireaktoreiden vallankumous 70-luvulla (PWR, BWR, VVER, CANDU, AGR). Generation III(+): Edellisen sukupolven käyttökokemusten pohjalta rakennettua konventionaalista tekniikkaa, korostettu passiivinen turvallisuus (EPR, ABWR, PBMR). Generation IV: Innovatiiviset reaktorikonseptit, kaupallinen käyttö vuoden 2040 tienoilla, uudet käyttökohteet sähköntuotannon rinnalla, suljettu polttoainekierto (SCWR, VHTR, SFR, LFR, GFR, MSR). * Kaikista GenIV-reaktoreista on olemassa enemmän tai vähemmän käytännön kokemusta.

* Neutronispektri: GenIV-reaktoreiden erityispiirteitä Terminen: SCWR, VHTR, MSR Nopea: SFR, LFR, GFR, (SCWR) Nopean neutronispektrin ongelmia: lyhyemmät aikavakiot ja heikommat takaisinkytkentäkertoimet. Etuja: uraanivarojen tehokas hyödyntäminen, suljettu polttoainekierto. * Jäähdyte: Vesi: SCWR Nestemäinen metalli: SFR, LFR Kaasu: VHTR, GFR Muu: MSR Sekä nestemäisillä että kaasumaisilla jäähdytteillä omat etunsa ja haastensa.

Suljettu polttoainekierto * Yksi GenIV:n perustavoitteista. * Tavoitteet: Uraanivarojen tehokas hyödyntäminen. Pitkäikäisten aktinidien hävittäminen loppusijoitettavasta jätteestä. * Nopean neutronispektrin reaktorit (FR tai ADS) välttämätön osa suljettua polttoainekiertoa. * Paljon eri skenaarioita.

Suljettu polttoainekierto 10 9 10 8 Plutonium Minor Actinides Fission Products Total 10 7 Radiotoxicity (Sv/ton) 10 6 10 5 Natural Uranium 10 4 10 3 Pu 242 Fission Products Am 241 Pu 240 Pu 239 Np 237 10 2 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Time (a)

Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR) * Vesijäähdytetty reaktori, jossa paine on nostettu yli kriittisen pisteen (22,1 MPa). * Voidaan toteuttaa termisenä tai nopeana. * Etuja: Ei todellista faasimuutosta = rakenteen yksinkertaisuus. Korkea toimintalämpötila, korkea hyötysuhde. Vesijäähdytteisistä reaktoreista eniten käytännön kokemusta.

* Ongelmia: Supercritical-Water-Cooled Reactor (SCWR) Yksinkertaisesta perusideasta huolimatta monimutkainen rakenne. Polttoaineen geometrian mallinnus ei välttämättä onnistu nykyisillä deterministisillä LWR-transportkoodeilla. Termohydrauliikan mallinnuksessa omat vaikeutensa. Vesikemia oleellisesti erilaista perinteisiin reaktoreihin verrattuna. Korkean lämpötilan mukanaan tuomat materiaaliongelmat. Avoimia kysymyksiä: neutronien sironnan fysiikka superkriittisellä alueella? * VTT:llä tutkimuspanos EU:n HPLWR-projekteissa.

Very-High Temperature Reactor (VHTR) * Terminen neutronispektri, grafiittimoderaattori, heliumjäähdytys. * Pebble-bed tai prismatic -tyyppinen. * Etuja: Korkea lämpötila, korkea hyötysuhde. Termokemialliset sovellukset. Passiivinen turvallisuus. Uraani-, torium- tai plutoniumpohjainen polttoaine.

Very-High Temperature Reactor (VHTR) * VHTR:n reaktoritekniikka lähellä nykyisiä HTR-reaktoreita. * Ongelmia ja haasteita: Kevytvesireaktoreiden laskentakoodit eivät sovellu mallinnukseen. Termodynamiikan erot kaasu- ja vesijäähdytyksen välillä. Toisenlaiset onnettomuusskenaariot. Partikkelipolttoaineen reaktorifysikaalinen mallinnus. Pebble-bed -tyyppisissä reaktoreissa polttoaineen jatkuva syöttö. Turbiiniteknologia heliumjäähdytteellä.

Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) * Nopea neutronispektri, jäähdytteenä sula natrium. * Nopeat reaktorit välttämätön osa suljettua polttoainekiertoa. * Uraanivarojen tehokas hyödyntäminen. * Reaktoritekiikka tuo mukanaan polttoaineen jälleenkäsittelyn. * Teknologiasta paljon myös käytännön kokemusta.

Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) * Nopeille reaktoreille kokonaan omat laskentakoodinsa. * Suljetun polttoainekierron mallinnuksessa omat haasteensa. * Ongelmia: Nopeiden reaktoreiden reaktorifysiikka ongelmallisempaa (kriittisyysturvallisuus, aikavakiot, takaisinkytkentäkertoimet). Natriumjäähdytteen kemiallinen reaktiivisuus. Nopeiden reaktoreiden teknologiasta lyhyempi matka ydinaseiden kehittämiseen? * Olellisesti kalliimpaa LWR-teknologiaan verrattuna.

Lead-cooled Fast Reactor (LFR) * Nopea neutronispektri, Pb- tai PbBi-jäähdytys. * Reaktorifysiikan ongelmat periaatteessa samoja kuin SFR-reaktorilla. * Vähemmän käytännön kokemusta. * Lyijyjäähdytteen aiheuttama korroosio. * Lyijyn isotooppien vaikutusaloissa epävarmuuksia.

Gas-cooled Fast Reactor (GFR) * Nopea neutronispektri, kaasujäähdytys. * Korkean lämpötilan sovellukset.

* Terminen neutronispektri, nestemäinen polttoaine. * Eksoottisin kaikista GEN4-reaktorikonsepteista. * Täysin erilaiset onnettomuusskenaariot. * Mallinnuksen erityispiirteinä polttoaineen homogeenisuus ja jatkuva virtaus. Molten Salt Reactor (MSR)

Yhteenveto * Neljännen sukupolven reaktoritekniikka poikkeaa oleellisesti nykyisestä LWR teknologiasta: Kaasu- ja sulametallijäähdytteiset reaktorit Suljettu polttoainekierto Uudet sovelluskohteet * Uusien reaktorityyppien mallinnukseen liittyy monia haasteita: Esim. VTT:n nykyiset laskentakoodit soveltuvat lähinnä kevytvesireaktoreiden mallinnukseen. Muista reaktorityypeistä melko vähän kokemusta. Monte Carlo -koodit soveltuvat periaatteessa myös Gen4-reaktorityyppien laskentaan. Käyttökohteet rajallisia. Suljettu polttoainekierto tuo omat haasteensa reaktorifysiikan mallinnukseen.

Kiitos mielenkiinnosta! Jaakko.Leppanen@vtt.fi