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

Samankaltaiset tiedostot
fissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö

Sähköautot osana älykästä energiajärjestelmää

Maatalouden energiapotentiaali

Energia-alan keskeisiä termejä. 1. Energiatase (energy balance)

Maakuntajohtaja Anita Mikkonen

Energiasektorin globaali kehitys. Parlamentaarinen energia- ja ilmastokomitea

Keski Suomen energiatase Keski Suomen Energiatoimisto

Kohti puhdasta kotimaista energiaa

Energia ja kasvihuonekaasupäästöt Suomessa. Parlamentaarinen energia- ja ilmastokomitea

Energian kokonaiskulutus laski lähes 6 prosenttia vuonna 2009

HELSINGIN ENERGIARATKAISUT. Maiju Westergren

Ydinvoiman mahdollisuuksista maailman energiapulaan

Vart är Finlands energipolitik på väg? Mihin on Suomen energiapolitiikka menossa? Stefan Storholm

Keinot pääp. Kolme skenaariota

Keski-Suomen energiatase 2016

Mauri Pekkarinen Energiateollisuuden kevätseminaari Oulu Energiahaasteet eivät pääty vuoteen 2020 miten siitä eteenpäin?

Öljyalan Palvelukeskus Oy Laskelma lämmityksen päästöistä. Loppuraportti 60K Q D

Laukaan energiatase Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

Miten kaasuala vastaa uusiin rakentamis ja energiatehokkuusvaatimuksiin? Gasum Petri Nikkanen

Auringosta voimaa sähköautoon -seminaari Kuopio Ari Puurtinen

Jyväskylän energiatase 2014

Jämsän energiatase Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

Yleistä energiasta; ydinenergia osana energiataloutta. Seppo Sipilä

Energia- ja ilmastopolitiikan infografiikkaa. Elinkeinoelämän keskusliitto

Äänekosken energiatase Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

Jyväskylän energiatase 2014

Energia ja kemianteollisuus Osa 2: Maailman energiavarat, tuotanto ja käyttö Kemianteolliosuuden prosessit kurssi

Tulevaisuuden päästötön energiajärjestelmä

Keski-Suomen energiatase Lauri Penttinen Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

Energian tuotanto ja käyttö

Uuraisten energiatase Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

Energiaa luonnosta. GE2 Yhteinen maailma

Energiatietäjä-kilpailukysymyksiä

Primäärienergian kulutus 2010

Energian hankinta ja kulutus

Keski-Suomen energiatase 2014

Valtakunnallinen energiatase ja energiantuotannon rakenne Suomessa

STY:n tuulivoimavisio 2030 ja 2050

Energiatehokkuus - tarve ja mahdollisuudet, -2050

Kestävää energiaa maailmalle Voiko sähköä käyttää järkevämmin?

Energian hankinta, kulutus ja hinnat

Teollisuus- ja palvelutuotannon kasvu edellyttää kohtuuhintaista energiaa ja erityisesti sähköä

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

KS-maakuntavaltuuston seminaari IT-instituutti, Jyväskylä Jouko Korppi-Tommola

Mitä pitäisi tehdä? Tarkastelua Pirkanmaan päästölaskelmien pohjalta

Energian hankinta ja kulutus

Ihmiskunta, energian käyttö ja ilmaston muutos

Julkaisu Energiaviraston laskeman jäännösjakauman tulos vuoden 2018 osalta on seuraava: Fossiiliset energialähteet ja turve: 45,44 %

UUSIUTUVAN ENERGIAN ILTA

Luku 2 Sähköhuolto. Asko J. Vuorinen Ekoenergo Oy. Pohjana: Energiankäyttäjän käsikirja 2013

Muuramen energiatase Keski-Suomen Energiatoimisto/ Benet Oy

EU vaatii kansalaisiltaan nykyisen elämänmuodon täydellistä viherpesua.

Energia- ja ilmastoseminaari Ilmaston muutos ja energian hinta

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

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

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

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


Päästökuvioita. Ekokumppanit Oy. Tampereen energiatase ja kasvihuonekaasupäästöt 2010

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähkön ja lämmön tuotanto 2014

Sähköntuotanto energialähteittäin Power generation by energy source

Sähköntuotannon tulevaisuus. Seppo Valkealahti Sähköenergiatekniikan professori Tampereen teknillinen yliopisto

Liikennepolttoaineet nyt ja tulevaisuudessa

Asko Vuorinen Ekoenergo Oy

TUTKIMUS IKI-KIUKAAN ENERGIASÄÄSTÖISTÄ YHTEISKÄYTTÖSAUNOISSA

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

Sähkövisiointia vuoteen 2030

Maatalouden energiankulutus KOTKANTIE 1 MIKKO POSIO

Tulevaisuuden puupolttoainemarkkinat

Suomi muuttuu Energia uusiutuu

Energian hankinta ja kulutus

Tuulivoiman rooli energiaskenaarioissa. Leena Sivill Energialiiketoiminnan konsultointi ÅF-Consult Oy

Puukaasutekniikka energiantuotannossa

Sähkömarkkinoiden kehittäminen sähköä oikeaan hintaan Kuopio

Sähkön ja lämmön tuotanto 2010

Energian hankinta ja kulutus 2013

Maapallon energiavarannot (tiedossa olevat)

Energiaeksperttikoulutus, osa 1 -Energiankulutus ja rakennukset. Keski-Suomen Energiatoimisto

Sähköntuotannon näkymiä. Jukka Leskelä Energiateollisuus ry Pyhäjoki

Johdatus työpajaan. Teollisuusneuvos Petteri Kuuva Päättäjien 41. metsäakatemia, Majvik

Sähkön ja lämmön tuotanto 2009

Energian hankinta ja kulutus

Fossiiliset polttoaineet ja turve. Parlamentaarinen energia- ja ilmastokomitea

Hiilineutraalin energiatulevaisuuden haasteet

Energian hankinta ja kulutus 2011

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

Ilmastonmuutoksen torjunta kuluttajan arjessa. Säteilevät Naiset -seminaari Päivi Laitila

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Energian kokonaiskulutus kasvoi 10 prosenttia vuonna 2010

Esimerkki broilerintuotannon energiankäytöstä

ENKAT hanke: Biokaasutraktorin vaikutus biokaasulaitoksen energiataseeseen ja kasvihuonekaasupäästöihin

Energian hankinta ja kulutus 2015

Mekaaninen energia. Energian säilymislaki Työ, teho, hyötysuhde Mekaaninen energia Sisäenergia Lämpö = siirtyvää energiaa. Suppea energian määritelmä:

Maija-Stina Tamminen / WWF ENERGIA HALTUUN! WWF:n opetusmateriaali yläkouluille ja lukioille

Suomen uusiutuvan energian kasvupotentiaali Raimo Lovio Aalto-yliopisto

GREENPEACEN ENERGIAVALLANKUMOUS

Transkriptio:

Aalto-yliopisto, Teknillisen fysiikan laitos Sipilä/Heikinheimo PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet Harjoitus 1, mallivastaukset Syksy 2016 Tehtävä 2 on tämän harjoituskierroksen taulutehtävä. Valmistaudu esittelemään ratkaisusi keskiviikon 14.9. harjoitustilaisuudessa, jos haluat pisteet tehtävästä. Tehtävän ratkaisseiden nimet kerätään tilaisuuden alussa ja yksi opiskelija arvotaan esittelemään vastauksensa taululla. Hyväksyttävän ratkaisun ei tarvitse olla täydellisesti oikein. Muut harjoituskierroksen tehtävät käydään läpi demotehtävinä assistentin johdolla eikä niitä arvioida. 1. a Mikä ero on käsitteillä energiankulutus ja sähkönkulutus? b Etsi suuntaa-antavat arviot maailman energiankulutukselle ja sähkönkulutukselle. c Kuinka suuri osa maailman energiankulutuksesta hoidetaan fossiilisilla polttoaineilla? Kuinka suuri osa ydinvoimalla? a Energiankulutus tarkoittaa mitä tahansa energiankulutusta. (Esim. puun polttoa ruoan valmistukseen, polttoaineen kulutus ajoneuvossa, uraanin fissio ydinvoimalssa, jne. Sähkönkulutus tarkoittaa vain sähkön kulutusta ja se on tietenkin osa energiankulutusta. b Energian tai tarkemmin primäärienergian kulutus oli vuonna 2013 n. 157 480 TWh (13541 Mtoe, energian loppukulutus puolestaan n. 108 170 TWh (9301 Mtoe ja sähkönkulutus on n. 19 500 TWh (1677 Mtoe, 18,0 % loppukulutuksesta. Jos sähkönkulutus katettaisiin vain VVER-1200-tyyppisillä reaktoreilla (tuotto 10,5 TWh/a täydellä teholla, ilman huoltoseisokkeja, niitä pitäisi olla maailmassa 1858 kappaletta. c Vuonna 2013 maailman primäärienergian tuotannossa oli seuraava jako: öljy 31,1 %, hiili + turve 28,9 %, maakaasu 21,4 %, uusiutuvan biomassan ja jätteiden poltto 10,2 %, ydinvoima 4,8 %, vesivoima 2,4 %, muut 1,2 % (sis. aurinko, tuuli, geoterminen jne.. Wikipediaa auktoritatiivisempana lähteenä erilaisille energian tuotto- ja kulutustiedoille toimii esimerkiksi IEA:n julkaisema kompakti Key World Energy Statistics 2015. Uusi versio julkaistaan joka vuosi, mutta arvot päivittyvät viiveellä. 1

2. Suomen energiankulutus oli vuonna 2009 noin 33 miljoonaa öljytonnia. Arvioi a jatkuva teho henkilöä kohti, b energiankulutusta vastaava massakato, c fuusioenergiaa käytettäessä tarvittava vesimäärä, d LWR-reaktorin tarvitsema 235 U-määrä, e energiantuotannon kokonaiskulut henkilöä kohti olettaen, että energia tuotettiin öljyllä. Öljyn hinnaksi voidaan olettaa 95 USD barrelilta. Energiayksikköjen muuntotaulukko: yksikkö lyhenne suuruus joule = kgm 2 /s 2 J 1 J kalori cal 4,184 J kilowattitunti kwh 3,6 MJ elektronivoltti ev 1,6022 10 19 J 1 g:n massakato g 89,874 TJ öljytonni 45,4 GJ öljybarreli = 158,98 l BOE 6,1 GJ kivihiilitonni TCE 29,3 GJ 1 m 3 maakaasua 39,4 MJ British thermal unit Btu 1055 J fuusioenergia 1 m 3 :ssa merivettä 8,2 TJ fissioenergia 1 kg:ssa 235 U:a 82 TJ a Suomen väkiluku on 5,2 10 6 henkeä. Jatkuva teho henkilöä kohti: ( 33 M 1 45,4 GJ ( a P = a 5,2 10 6 365 24 60 60 s ( ( 33 106 9 J 1 = 5,2 10 6 365 24 60 60 s 9136 J/s 9,1 kw. (1 Tämä vastaa noin yhden sähkökiukaan tehoa... b Einstein: E = mc 2, c = valon nopeus, m = massa. Eli muuttamalla massa suoraan energiaksi (esim. materia-antimateria-törmäys saadaan energiaa melkoinen läjä. Käytetään muunnostaulukkoa: ( ( m = 33 10 6 9 J 1 g 16,7 kg. (2 89,874 10 12 J Huom! Tämänkaltainen massan suoraan muuttaminen energiaksi on voimalaitosmittakaavassa täysin hypoteettinen vaihtoehto. Esim. ydinreaktiossa vain hyvin pieni osa massasta muuttuu energiaksi kaavan E = mc 2 mukaan. Em. 16,7 kg ei siis ole 2

se määrä uraania (tai mitään muutakaan, jolla Suomen vuotuinen energiahuolto pärjäisi, vrt. kohdat c ja d. c Muuntotaulukko: 1 m 3 merivettä 8,2 10 12 J energiaa ( ( V = 33 10 6 9 J 1 m 3 183 000 m 3. (3 8,2 10 12 J d Muuntotaulukko: 1 kg 235 U 82 10 12 J energiaa ( ( m = 33 10 6 9 J 1 kg 18 300 kg, (4 82 10 12 J joka on siis jokseenkin eri kuin kohdan b 16,6 kg! e Energian kulutus henkilöä kohti: E = 33 106 5,2 10 6 ( 45,4 GJ = kustannukset: 47,2 BOE ($95/BOE $4500/henki. ( BOE 47,2 BOE/henki. (5 6,1 GJ 3

3. a Maaperän keskimääräinen uraanipitoisuus on 4 ppm massasta. Laske 1 m 3 :n suuruisen kiven sisältämä energiamäärä kivihiilitonneissa. Luonnonuraanin 235 U-pitoisuus on 0,72 % ja kallion tiheys 2,7 g/cm 3. b Deuteriumin pitoisuus vedyssä on 0,015 atomiprosenttia. Laske yhden vesilitran sisältämä energiamäärä öljylitroissa olettaen, että fuusioenergia vapautetaan reaktiolla D + D p + T + 4,03 MeV. a Tässä lasketaan, paljonko keskimääräisen kivikuution sisältämän 235 U:n energiasisältö on kivihiilitonneina (TCE. Keskimääräinen tiheys = 2,7 g/cm 3 = uraanin massa: m U = 1 m 3 2,7 g/cm 3 4 10 6 = 10,8 g, (6 josta 235 U-isotooppia on m 235 = 0,72 10 2 10,8 g = 7,8 10 2 g, ja edelleen tämän 235 U-määrän energiasisältö on ( ( 82 10 12 J TCE E = m 235 = 0,22 TCE. (7 1 kg 29,3 10 9 J Muistakaa nyt kuitenkin, ettei uraani ole jakautunut maapallolla kovinkaan tasaisesti = uraanikaivoksen perustaminen on hyvillä malmipaikoilla kannattavaa. Taloudellisesti kannattavissa esiintymissä uraanipitoisuus on yleensä ainakin 0,05 %, ja mailman rikkaimmissa esiintymissä jopa 15 %. Usean prosentin pitoisuudet ovat kuitenkin poikkeus. b Nyt leikitään fuusiota. Fuusiovoimalassa saatettaisiin joskus tulevaisuudessa käyttää reaktiota D + D p + T + 4,03 MeV. (8 Vesimolekyylejä 1 litrassa vettä: N H2 O = 1 kg 6,022 1023 mol 1 18 g/mol = 3,346 10 25 kpl, (9 kun M H2 O = 18 g/mol ja 6,022 10 23 mol 1 on Avogadron luku. Deuteriumatomeja on siis N D = 0,015 10 2 2 3,346 10 25 = 1,004 10 22. (10 Koska yhteen fuusioon tarvitaan kaksi deuteriumatomia, sisältää siis kaksi deuteriumatomia energian 4,03 MeV. = E = 1 ( 1,6022 10 2 1,004 1022 4,03 10 6 19 J ev = 3,24 10 9 J. (11 ev Tämä öljylitroina: ( 158,98 l Völjy = 3,24 10 9 J = 84 l. (12 6,1 10 9 J Eli saman energiamäärän tuottamiseen tarvitan öljyä n. 80-kertainen määrä. 4

4. Suomessa oli vuonna 2015 2,8 miljoonaa henkilöautoa. Kuinka monta Olkiluoto 3:n kokoista ydinreaktoria (1600 MWe tarvitaan, jos koko Suomen henkilöautokanta muutetaan sähköautoiksi? Paljonko sähköautoilu maksaa, jos kuluttajahinta siirtomaksuineen on nykyisellä tasollaan (noin 11 snt/kwh, 2015? Ydinvoimalan käytettävyyskerroin olkoon 0,9. Henkilöautojen keskimääräinen ajosuorite Suomessa on 18000 km/a ja sähköauton energiantarve 15 kwh/100 km (arvio 2015. Vuodessa on 365 24 = 8760 tuntia. Olkiluoto 3 tuottaisi siis 1600000 kwe 8760 h 0,9 = 1,26144 10 10 kwh sähköä vuodessa (12,61 TWh. Keskimäärin yksi sähköauto vie vuodessa 15 kwh/100 km 18000 km = 2700 kwh, jos ajokilometrejä kertyy 18 000. Koko Suomen henkilöautokanta siis veisi sähköä 2,8 10 6 2700 kwh = 7,56 10 9 kwh (7,6 TWh. Siispä yhden Olkiluoto 3:n kokoisen reaktorin energiantuotanto riittäisi koko Suomen henkilöautokannan sähköntarpeeseen. Sähköauton kuluttaessa 15 kwh/100 km tulee polttoainekuluiksi 15 kwh/100 km 0,11 e/kwh = 1,65 e/100 km. 5