TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Ydinvoima puhdasta ja turvallista energiaa TFiF:s kväll om kärnenergi, Karin Rantamäki, specialforskare, VTT Sähkön hankinta ja -tuotanto energialähteittäin 2014 Hankinta (83,3 TWh) Tuotanto (65,4 TWh) 2
Sähkön tuotanto pohjoismaisilla sähkömarkkinoilla 2013 Uusiutuvat: 63 % (v. 2012 68 %) Hiilidioksidivapaat: 85 % (v. 2011 88 %) 21.1.2015 3 Reaktorifysikaaliset perusteet Kernspaltung by Stefan-Xp, Wikimedia
Fissio ja ketjureaktio Atomiytimet halkeavat neutronin törmäyksestä Reaktiossa vapautuu Energiaa 200 MeV/hajoaminen Keskimäärin 2.43 neutronia Neutronit aiheuttavat uusia fissioita Keskimäärin = 1 kriitinen Keskimäärin < 1 alikriittinen Keskimäärin > 1 ylikriittinen Neutronin liike-energia muuttuu lämmöksi Energia lämmittää polttoainetta ja vettä polttoaineen ympärillä 5 Jälkilämpö Hajoamistuotteet radioaktiivisia Tuottavat lämpöä pitkään Huolimatta reaktorin sammuttamisesta Vrt. vesikattila hellalla Jälkilämmönpoistosta huolehdittava Fukushimassa ylikuumeneminen 1-3 päivää tsunamista Jäähdytysvettä ei saatu pumpattua reaktoriin J. Leppänen, VTT Aika 0 1s 1h 1d 1vko 1a Teho [MW] 3000 200 50 12 6 1,5 1,5 MW=1500kW=150 tehokasta kiuasta 6
Polttoaine Ydinpolttoaine Polttoaineena keraaminen UO 2 Luonnonuraani sisältää 0,7 % 235 U Reaktorissa tarvitaan 3-5 % Väkevöinti Puristetaan pelleteiksi ja sintrataan Pakataan sauvoiksi kaasutiiviisiin metalliputkiin Niputetaan nipuiksi 64-300 sauvaa/nippu Tuoretta polttoainetta voidaan käsitellä ja kuljettaa turvallisesti ilman säteilysuojausta. U 3 O 8 WNA Fennovoima 8
Polttoainekierto eli polttoaineen elinkaari Uraani louhitaan kaivoksista Kanada, Australia, Kazakstan, Venäjä, Niger Väkevöidään 3-5 % 235 U-pitoisuuteen Venäjä, USA, Ranska, Kanada, UK, Kiina, Brasilia Polttoainenipussa on noin 100-500 kg UO 2 Käytetty polttoainenippu sisältää 1 % plutoniumia (~4 kg) Käytön jälkeen joko jälleenkäsittely tai loppusijoitus Jälleenkäsittelyn jätteet loppusijoitettava Figure: IAEA 9 Polttoaineen energiatiheys: 1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Fuusiovoimala: 300 kg D + Li Ydinvoimala: 30 tonnia väkevöityä uraania (kaksi rekkalastia) Biovoimala: 15 000 000 m 3 puutavaraa Hiilivoimala: 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) 10m x 1m x 1500km 10
Reaktorityypit Ydinreaktorien kehitys Fortum TVO TVO http://gen4fin.vtt.fi/ 12
Käytössä olevat reaktorityypit (GEN II III+) Yleisimpiä ovat kevytvesireaktorit (LWR), Hidastimena ja jäähdytteenä tavallinen vesi Painevesireaktori (PWR), Kiehutusvesireaktori (BWR) Raskasvesireaktorit (PHWR) Hidastimena ja jäähdytteenä raskas vesi D 2 O Kanadalainen CANDU Vesijäähdytteinen grafiittiheijasteinen reaktori (LWGR) Hidastimena grafiitti, jäähdytteenä vesi Neuvostoliittolainen RBMK Kaasujäähdytteinen reaktori (GCR) Hidastimena grafiitti, jäähdytteenä hiilidioksidi Magnox ja AGR (Englanti) Nopea hyötöreaktori (FBR) Ei hidastinta, jäähdytteenä natrium Ydinvoimalaitosten reaktorit luokitellaan yleensä neutroneja hidastavan väliaineen (moderaattori) reaktorisydämen jäähdytteenä toimivan aineen perusteella 13 Kevytvesilaitokset Painevesilaitos PWR suojarakennus paineistin säätösauvat höyrystin sekundääripiiri turbiini generaattori Lo 1&2 OL 3 reaktoripaineastia lauhdutin suojarakennus merivesipiiri OL 1&2 Kiehutusvesilaitos BWR reaktoripaineastia generaattori säätösauvat turbiini US NRC lauhdutin 14
Painereaktorin erityispiirteitä Vesi ei kiehu reaktorissa Korkea paine, tyypillisesti 150 bar (Lo 123 bar) Lämpötila 300 C Vesi kiehuu höyrystimen sekundääripuolella Paine noin 70 bar, (Lo 44 bar) Sekundääripuolen höyry johdetaan turbiineihin Säätösauvat sydämen yläpuolella Hätäsammutus painovoiman avulla US NRC 15 Kiehutusvesireaktorin erityispiirteitä Vesi kiehuu reaktorissa Matalampi paine, noin 70 bar Ei erillistä höyrystintä Sydämen yläpuolella höyrynerotin ja höyrynkuivain Höyry johdetaan reaktorista suoraan turbiineilla Säätösauvat sydämen alapuolella Hätäsammutus paineakkujen avulla US NRC 16
Turvallisuus Ydinvoimaloiden turvallisuus Reaktoriturvallisuuden edellytykset 1. Ketjureaktion ja tehon hallinta 2. Polttoaineen jäähdytys eli jälkilämmön poisto 3. Radioaktiivisten aineiden eristäminen Turvallisuus perustuu 1. Monivaiheiseen turvallisuuden syvyysajatteluun i. Ennaltaehkäisevä ii. Suojaava iii. Seurauksia lieventävä 2. Radioaktiivisten aineiden viiteen vapautumisesteeseen 1. Terässuojakuori 2. Suojakuoren ulkopuolinen ruiskutusjärjestelmä 3. Ilmansuodattimet 4. Varahätäsyöttövesipumppaamo 5. Uraanisydän 6. Hätäjäähdytyspumppu 7. Hätälisävesipumput 8. Hätäsyöttövesipumput 9. Vesivoimalaitos 10. Varasähködieselgeneraattorit 11. Sprinkleriputkisto 12. Vetypolttimet 13. Jäälauhduttimet 14. Hätävesiakut Fortum 18
Turvallisuus varmistetaan moninkertaisesti Rinnakkaisperiaate turvajärjestelmät koostuvat useista toisiaan korvaavista rinnakkaisista järjestelmistä (3 100%, 4 50%) Erotteluperiaate turvajärjestelmien rinnakkaiset osajärjestelmät sijoitetaan siten, että yhtaikainen vaurioituminen esim. tulipalossa epätodennäköistä Erilaisuusperiaate Sama toiminto eri toimintaperiaatteisiin perustuvilla järjestelmillä Turvallisen tilan periaate Järjestelmän menettäessä käyttövoimansa se joutuu laitoksen turvallisuuden kannalta mahdollisimman edulliseen tilaan Rinnakkaisperiaate Toimiva järjestelmä Toimiva järjestelmä Laitevika Huollossa Turvallisuustoiminto Erilaisuusperiaate Sähkö Paineilma Manuaalinen Erotteluperiaate Turvallisen tilan periaate TVO 19 Moninkertaiset vapautumisesteet 1. Keraaminen polttoaine 2. Kaasutiivis suojakuori 3. Paineenkestävä reaktoripaineastia ja primääripiiri 4. Paineenkestävä reaktorin suojarakennus 5. Reaktorirakennus TVO http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/teachers/03.pdf Paineastia Polttoaineniput 20
Ydinjätteet ja loppusijoitus Posiva Ydinvoimaloissa syntyvä jäte www.rhk.hu www.dounreay.com Posiva Matala-aktiivinen Suojavaatteita ja - muoveja Laitokselta poistetut koneenosat ja putket Pakataan tynnyreihin, puristetaan Keskiaktiivinen Ionivaihtohartsit Pesunesteet, lietteet Bitumointi, kiinteytys, valu betoniin tai lasiin Pakataan tynnyreihin Korkea-aktiivinen Käytetty polttoaine Välivarastointi ja loppusijoitus (jälleenkäsittely) 22
Olkiluodon loppusijoituslaitos voimalaitosjätteelle TVO STUK 23 Käytetyn polttoaineen käsittely Suomessa Varastointi käytetyn polttoaineen välivarastossa ->40 v TVO Reaktorihallin polttoainealtaassa 1-3 v Loppusijoitus 2020-luvun alkupuolella TVO TVO Posiva 24
Loppusijoituskapseli Posiva 25 Loppusijoituslaitos Posiva 26
Vapautumisesteet loppusijoituksessa 1 cm 500 m Posiva 27 Ympäristövaikutukset ja säteily Tero Juuti
Suomen laitosten ympäristövaikutukset Vaikutukset pieniä koko käyttöiän päästöt murto-osa sallituista arvoista Ympäristölle aiheutuvat säteilyannokset ovat olleet paljon sallitun rajan alapuolella Jäähdytysvesi lämpiää noin 10 C, vaikutusalue meressä muutama km 2 purkualueella lievää rehevöitymistä Suurimmat radioaktiiviset päästöt veteen koostuvat tritiumista, jonka poistaminen vedestä ei käytännössä onnistu Päästöt noin 10 % sallitusta Fortum 29 Suomalaisten säteilyaltistus Suurin aiheuttaja maaperän radon Kehossa 40 K 0,17 msv/a, (myös Ra) Kosminen säteily merenpinnan tasolla ~0,3 msv/a Lentokonehenkilöstölle 2 msv/a Röntgentutkimukset Keuhkokuvauksesta 0,1 msv Hammasröntgen 0,01 msv Isotooppitutkimus Keskimäärin 4,2 msv (0,6-22 msv) Keskimääräinen 137 Cs pitoisuus (Bq/l) Etelä-Suomessa tuotetussa maidossa. STUKin raja 1000 Bq/l STUK 30
Neljännen polven reaktorityypit Ylikriittisessä paineessa toimiva vesijäähdytteinen reaktori (SCWR) Jäähdytysveden paine kriittisen pisteen (374 C/221 bar) yläpuolella Tutkittu myös raskasvesijäähdytteisenä Ei faasimuutosta nesteestä kaasuksi Jäähdyte suoraan turbiiniin Ei lämmönvaihtimia eikä höyrynerottimia Hyötysuhde korkealle Riittämätön moderointi Rakennemateriaalien kestävyys? Korroosio 32
Erittäin korkean lämpötilan reaktori (VHTR) Jäähdytteenä helium Moderaattorina grafiitti Polttoaine mikroskooppisina monikerroksisina partikkeleina ø~1 mm Puristettu grafiitin kanssa pelleteiksi tai tennispallon kokoisiksi kuuliksi Korkea lämpötila 900-1000 C Suora kaasuturbiinikierto mahdollistaa yli 50 % hyötysuhteen 33 Natriumjäähdytteinen nopea reaktori (SFR) Jäähdytteenä sula natrium Kiehumispiste 900 C LWR:ää korkeampi lämpötila Parempi hyötysuhde Reagoi voimakkaasti ilman ja veden kanssa Stabiiliuden hallinta? Hankalampi aikakäyttäytyminen Voidaan hävittää pitkäikäisiä aktinideja 34
Lyijyjäähdytteinen nopea reaktori (LFR) Jäähdytteenä lyijy tai lyijyn ja vismutin seos Lämmönsiirto-ominaisuudet mahdollistavat jäähdytyksen luonnonkierrolla Ei reagoi kemiallisesti Korroosio? Korkea lämpötila 35 Kaasujäähdytteinen nopea reaktori (GFR) Korkea lämpötila, nopea spektri Helium ei reagoi Heliumin tiheys ei vaikuta reaktorin stabiiliuteen Alhainen lämmönsiirtokyky Häiriö pakotetussa virtauksessa Jäähdytyspiirin paine romahtaa 36
Sulasuolareaktori (MSR) Polttoaine nestemäisenä uraanin fluoridisuolana Virtaa grafiittilohkon läpi Lämpötila noin 700 C Toimii itse omana jäähdytteenä Kiertoon voidaan liittää jälleenkäsittelyprosessi Poistetaan fissiotuotteet 37 Tutkimus VTT:llä
Ydinenergiatutkimus VTT:llä Noin 200 asiantuntijaa Reaktoriturvallisuus Reaktorifysiikka ja -dynamiikka Polttoaine Termohydrauliikka Vakavat onnettomuudet Todennäköisyyspohjaiset turvallisuusanalyysit (PSA) Materiaalien eheys ja kestävyys Palotutkimus Automaatio Ihminen, tekniikka, organisaatio Turvallisuuskulttuuri Ydinjätehuolto ja loppusijoitus Neljännen sukupolven reaktorit ja polttoainekierto Fuusio Pressure accumulator Compliant support of counter reaction Impact wall Acceleration tube 39 TEKNOLOGIASTA TULOSTA