Ydinturvallisuuden kehittäminen tutkimuksen avulla Eija Karita Puska VTT Säteilevät Naiset seminaari 23.3.2012
2 Ydinenergiatutkimus Suomessa Osana TEM:n Kansallisen ydinenergia-alan osaamistyöryhmän työtä kartoitettiin ydinenergia-alan tutkimustoiminta Suomessa vuonna 2010 (TEM:n raportti julkaistaan 26.3.2012) Suurin osa tutkimustoiminnasta suuntautuu ydinjätehuoltoon Suurimman osan tutkimustoiminnasta rahoittavat voimayhtiöt Kaikella tutkimustoiminnalla on myönteinen vaikutus turvallisuuteen suoraan tai välillisesti Esitelmä keskittyy ydinturvallisuuden kehittämiseen kansallisten reaktoriturvallisuuden tutkimusohjelmien (ns. SAFIR-ohjelmat) avulla
3 Ydinenergiatutkimus Suomessa 2010 Rahoitusjakauma 2010, Yhteensä 73,5 M Rahoituslähteet 2010, Yhteensä 73,5 M SAFIR2010 10% Reaktoriturv allisuus SAFIR2010 ohjelman ulkopuolella 10% KYT2010 3% Fuusio 7% Muu 5% Ydinjätehuo lto KYT2010 ohjelman ulkopuolella 64% VTT 7% VYR 6% EU 3% Muut 8% Tekes 3% Voimayhtiöt 72%
4 Julkisrahoitteiset reaktoriturvallisuuden tutkimusohjelmat
5 Nykyinen ohjelma SAFIR2014 Vuosille 2011-2014 Perustuu Ydinenergialakiin, kuten edeltäjänsä Laissa puhutaan viranomaisen tarpeista, mutta hyödyttää koko suomalaista ydinenergiayhteisöä SAFIR2014-tutkimusohjelman tehtävänä on kehittää ja ylläpitää kokeellista tutkimusvalmiutta sekä suomalaisten ydinvoimalaitosten turvallisuuden arviointimenetelmiä ja ydinturvallisuusasiantuntemusta siten, että uusien turvallisuuteen vaikuttavien seikkojen ilmetessä niiden merkitys voidaan arvioida viivytyksettä.
6 Kuka päättää, mitä tutkitaan? Runkosuunnitelma nelivuotiskaudelle Johtoryhmä ja tukiryhmät Vuosittaiset hankehaut ottaen huomioon runkosuunnitelman valmistumisen jälkeiset uudet tutkimustarpeet
7 SAFIR2014 tutkimus Varmistetaan asiantuntemus kaikilla keskeisillä ydinturvallisuuden alueilla Ohut peitto tarvitaan täydentävää tutkimusta VYR-rahoitus, eli ydinenergialain perusteella luvanhaltioilta vuosittain kerättävä rahoitus olennaista VTT toinen merkittävä rahoittaja Myös muita rahoittajia
8 Tutkimusalueet 1. Ihminen, organisaatio ja yhteiskunta 2. Automaatio ja valvomo 3. Polttoainetutkimus ja reaktorianalyysi 4. Termohydrauliikka 5. Vakavat onnettomuudet 6. Reaktoripiirin rakenteellinen turvallisuus 7. Rakennustekninen turvallisuus 8. Todennäköisyyspohjainen riskianalyysi 9. Tutkimusinfrastruktuurin kehittäminen
9 SAFIR2014 tutkimusohjelman tutkimusalueet ja rahoitus SAFIR2014 rahoituksen jakautuminen eri tutkimusalueille vuonna 2012 SAFIR2014 rahoitus vuonna 2012 10,1 M Rakenteet 12% Tutkimusin fra 10% PRA 8% Reaktoripiir in materiaalit 18% Inhimilliset tekijät 5% Automaatio 10% Vakavat onnettomu udet 11% Reaktorisy dän 13% Termohydr auliikka 15% NKS 2% TVO 1% Fortum 2% Aalto 2% Other 9% VTT 28% VYR 56%
10 Miten turvallisuus paranee tutkimuksen avulla? Tutkimushankkeissa kehitetään uusia turvallisuuden arviointiin käytettäviä laskentamenetelmiä ja parannetaan olemassa olevia Tutkimushankkeissa rakennetaan ja käytetään koelaitteita, joilla saadaan mittaustietoa, jota voidaan käyttää joko suoraan turvallisuuden arviointiin tai turvallisuuden arvioinnin laskentamenetelmien kehityksessä Tutkimushankkeissa koulutetaan uusia asiantuntijoita unohtamatta tutkimuksen keskeistä roolia asiantuntemuksen ylläpidossa Tutkimushankkeiden kautta osallistutaan suuriin kansainvälisiin koeohjelmiin, joiden toteuttamiseen (yhdelläkään) yksittäisellä valtiolla ei ole edellytyksiä yksin
11 Kuka tutkii? Vuonna 2012 SAFIR2014 ohjelmassa 42 tutkimushanketta, joista 28 VTT:n hanketta 5 VTT & Aalto(& Helsingin Yliopisto 1) 4 Lappeenrannan teknillisen yliopiston hanketta 1 Aalto 1 Aalto & TTL 1 Ilmatieteen laitoksen hanke 1 VTT & FiSMA ry. 1 monen tahon yhteishanke (LUT, VTT, Aalto, Fortum) Kokonaisvolyymi 46 henkilötyövuotta Tutkimuksessa mukana luokkaa 200 tutkijaa
12 Reaktorifysiikkatutkimus miksi se on yhä tärkeää ydinvoimalaitosten turvallisuudelle Reaktorisydämen ja polttoaineen käyttäytymisen ymmärtäminen on ydinturvallisuuden syvintä ydintä Ilman syvällistä ymmärrystä ja omakohtaista tekemistä turvallisuus taantuu uskottaessa, että oikea vastaus saadaan nappia painamalla laskentaohjelmasta Hyvä esimerkki alueesta, jolla toisaalta on tarve osata käyttää ulkomaisia ohjelmia ja toisaalta tarve kehittää omaa osaamista Esimerkkinä oman osaamisen kehityksestä nuorin voimin on Serpent ohjelmisto
13 Reaktorifysiikkatutkimus: Serpent Kehitetty VTT:llä vuodesta 2004 Alkoi nuoren tutkijan vapaa-ajan hankkeesta Monte-Carlo palamalaskentaohjelma Voidaan tuottaa muiden laskentaohjelmien tarvitsemia perustietoja (esimerkiksi vaikutusalat) Polttoainekiertotarkastelut Reaktorifysiikkalaskut, joita perinteisesti on tehty toisilla ohjelmilla Vahva nuori tutkijaryhmä ja kansainvälisesti korkeatasoiset julkaisut
14 Reaktorifysiikkatutkimus: Serpent Jaetaan OECD/NEA:n datapankin kautta ilmaiseksi ei-kaupalliseen ja opetuskäyttöön Vuoden 2011 lopussa lisensioitu 61 organisaatioon ympäri maailmaa Ohjelman jatkokehitys käyttäjäyhteisön tarpeiden mukaan = ydinenergian LINUX Paljon opinnäytetöitä http://montecarlo.vtt.fi
15 VTT:n materiaalitutkimus Tutkimustarpeet liittyvät nykyisten laitosten ikääntymiseen ja säteilyn ja muiden olosuhteiden (lämpötila, paine, kemikaalit) vaikutukseen ja uusien laitosten uusiin materiaaliratkaisuihin Tutkimusohjelmissa alusta asti mukana ollut aihe, jonka voi ennustaa myös säilyvän Nykyisen ohjelman laajin osa-alue Vaatii kalliita tutkimuslaitteita ja tiloja Sekä kokeellista tutkimusta että menetelmien kehitystä
16 VTT:n materiaalitutkimus 250 150 50-0,6-0,5-0,4-0,3-0,2-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6-50 -150-250 -350 cycle 1 cycle 2 FABELLO 300 ºC water a = 0,6% 0,4% 0,2% = 0,01% s -1
17 VTT:n materiaalitutkimus
18 Monipuoliset tutkimuslaitteistot eri tarkoituksiin: PACTEL (VVER), PWR- PACTEL (EPR),PPOOLEX(BWR) Tutkimustoimintaa kansallisten ohjelmien alusta asti Vahva kytkentä kokeellisen tutkimuksen ja laskentaohjelmien kehityksen ja kelpoistuksen (VTT:n ohjelmat, kansainväliset ohjelmat) välillä Runsaasti opinnäytteitä Lappeenrannan yliopiston termohydrauliikkatutkimus
19 Lappeenrannan yliopiston termohydrauliikkatutkimus
20 Lappeenrannan yliopiston termohydrauliikkatutkimus PAR-11 8 7 P1, in blowdown pipe 1 P5, below blowdown pipe 1 P21, in blowdown pipe 2 6 Pressure [bar] 5 4 3 2 1 586.74 586.76 586.78 586.8 586.82 586.84 586.86 Time [s]
21 Laskentamenetelmien kehitys kokeellisen tutkimuksen avulla: lentokonetörmäyskokeet Aloitettiin Säteilyturvakeskuksen aloitteesta vuonna 2004 Tarpeena varmentaa ja kehittää lentokonetörmäyksen turvallisuusvaikutusten arviointimenetelmiä (itse törmäyksen vaikutus rakenteisiin ja mahdollisen tulipalon vaikutukset) Tiivis yhteistyö kokeellisen tutkimuksen ja menetelmäkehityksen välillä Kansainvälisesti korkeatasoinen hanke, hyvät tulokset menetelmäkehityksessä, julkaisuissa, uusien asiantuntijoiden koulutuksessa Kasvanut kansainvälisesti ainutlaatuiseksi tutkimushankkeeksi, jossa on mukana useita ulkomaisia partnereita Jatkuu edelleen nykyisessä ohjelmassa
22 Laskentamenetelmien kehitys kokeellisen tutkimuksen avulla: lentokonetörmäyskokeet
23 Laskentamenetelmien kehitys kokeellisen tutkimuksen avulla: lentokonetörmäyskokeet 1,0E+06 FP8 Force (N) 5,0E+05 Meas Riera FEM 50 per. Mov. Avg. (FEM) 50 per. Mov. Avg. (Meas) 0,0E+00 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 Time (s)
24 Laskentamenetelmien kehitys kokeellisen tutkimuksen avulla: lentokonetörmäyskokeet Propagation velocity of spray front 24 kg water, v imp =135 / 100 m/s Velocity (m/s) 250 200 150 100 50 0 0 45 45 90 90 135 180 impact velocity 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Distance from missile (m)
25 Äärimmäisten sääolosuhteiden tutkimus Äärimmäisten sääilmiöiden tutkimus on ollut mukana SAFIRohjelmissa jo ennen Fukushiman onnettomuutta Tutkimuksessa on keskitytty ilmiöiden vaikutuksiin Suomen voimalaitoksille ja Suomessa keskeisimpiin sääilmiöihin Uusien laitosten suunniteltu 60 vuoden käyttöikä ja samanaikainen ilmastonmuutos korostavat tutkimustarvetta Sääilmiöt ovat tärkeitä reunaehtoja muissa turvallisuustarkasteluissa (esimerkiksi veden pinnan korkeuden vaihtelu, veden ja ilman lämpötilan ääriarvot, myrskyjen voimakkuus)
26 Äärimmäisten sääolosuhteiden tutkimus
27 Fukushiman onnettomuuden vaikutukset tutkimukseen SAFIR2014-ohjelmassa ja Suomessa Tunnistettu lisätutkimustarpeita alkutapahtumien, ydinvoimalaitoksen suunnittelun, onnettomuuksien vaikutusten lieventämisen ja polttoaineen elinkaaren osalta Käynnistetty muutamia uusia tutkimushankkeita Pääosa tutkimuksesta runkosuunnitelman perusteella ja monivuotisina hankkeina joissa Fukushiman vaikutus saattaa näkyä välillisesti painotuksissa Fukushiman vaikutus tutkimuksen oletuksiin: ennen onnettomuus laitoksen sisällä ja ulkona ehjä infrastruktuuri, nyt onnettomuuden alkutapahtuma ulkoinen ja infrastruktuuri menetetään Suomalaisen jatkuvan parantamisen periaatteen ansiosta laitokset selvisivät varsin hyvin EU:n stressitesteistä.
28 Fukushiman onnettomuuden seurauksena tunnistettuja tutkimustarpeita Suomessa Ulkoisten luonnonilmiöiden syvällisempi arviointi: meriveden pinnankorkeus, ilmakehän koostumuksen vaikutus sääilmiöiden voimakkuuteen, jäämyrskyt, hirmumyrskyt, tapahtumien yhdistelmät Laitosten suunnitteluperusteiden tarkistus maanjäristysten osalta Suunnitteluperusteet ylittävien alkutapahtumien vaikutus turvallisuuteen Kiteytynyt boori, pitkäkestoiset onnettomuudet, jälkilämmön poisto Vedyn syntyminen, kulkeutuminen ja vetyräjähdykset Fissiotuotteiden nuklidit, vapautuminen polttoaineesta, kulkeutuminen laitoksella ja vapautuminen ympäristöön Polttoaineen varastoaltaat (jäähdytys, suojakuorimateriaali)
29 Kiitokset Esitelmän kuvat on poimittu SAFIR2010 ja 2014 tutkimusohjelmien julkisesta aineistosta Kaikki tutkimusalueet ja hankkeet ovat yhtä tärkeitä, myös ne, jotka eivät olleet mukana esimerkeissä Pintaraapaisuun tarvitaan kuitenkin kahden päivän seminaari Lisätiedot http:safir2014.vtt.fi