Ydinvoimatekniikan perusteet 2024 PDF

 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet Luennot 1-2 Kevät 2024 Prof. Juhani Hyvärinen Materiaalit tutkijaopettaja Heikki Suikkanen ja Juhani Hyvärinen Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 2 Kurssin sisältö Luento Aihe Fissio...

 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet Luennot 1-2 Kevät 2024 Prof. Juhani Hyvärinen Materiaalit tutkijaopettaja Heikki Suikkanen ja Juhani Hyvärinen Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 2 Kurssin sisältö Luento Aihe Fissio ja fuusio, ydinenergia luonnossa, energian 1-2 vapautuminen fissiossa ja fuusiossa 3-4 Ydinreaktiot, fissiotuotteet, jälkilämpöteho 5-6 Vaikutusalat, neutronivuo, reaktionopeus 7-8 Kriittinen reaktori, termisen reaktorin rakenne Termisen reaktorin toimintaperiaate, polttoaineen 9-10 kuluminen käyttöjakson aikana Termohydrauliikan peruskäsitteitä, lämmönsiirto 11-12 polttoaineesta jäähdytteeseen Polttoainesauvan aksiaalinen lämpötilajakauma, 13-14 2-faasivirtaus ja lämmönsiirtokriisi, painehäviöt Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 3  Fissio ja fuusio Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 4 Fissio ja fuusio ▪ Energiatekniikan kannalta mielenkiintoisimmat ydinreaktiot ▪ Fissiossa raskas ydin halkeaa ▪ Fuusiossa kevyet ytimet yhdistyvät Kuvat: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 5 Fissio Esimerkkinä 235U ytimen fissio ▪ Neutroni absorboituu kohtioytimeen, jolloin muodostuu lyhyeksi aikaa 236U-ydin. ▪ 236U-ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. ▪ Lisäksi syntyy keskimäärin 2,4 uutta vapaata neutronia ja vapautuu energiaa. Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 6 Fissioprosessi ▪ Ytimessä vaikuttaa kaksi ++ vastakkaissuuntaista voimaa: + ++ + + ++ − sähköstaattinen poistovoima, jolla + on pitkä kantama ja + + ++++ + − nukleoneja koossa pitävä vahva +++ ydinvoima, jolla on lyhyt kantama. + ▪ Ydin on saatettava voimakkaaseen + +++ + viritystilaan, jolloin poistovoima voi ++++ ylittää ydintä koossa pitävät voimat. +++ + ++ ▪ Viritystila voidaan saavuttaa ++ esimerkiksi, kun ydin kaappaa + + neutronin. Kuva: P. Reuss – Neutron Physics Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 7 Fissioituvat ja fissiilit nuklidit ▪ Fissiili nuklidi voi fissioitua absorboimalla neutronin − Neutronilta ei vaadita erillistä kynnysenergiaa, vaan sen ytimeen absorboituessaan luovuttama sidosenergia riittää. − Fissiilejä nuklideja ovat esim. 233U, 235U, 239Pu, 241Pu − Nyrkkisääntönä: Z > 90 ja parillinen luku, N pariton ▪ Muutkin ytimet voivat fissioitua, mutta − neutronilla on oltava riittävän suuri liike-energia (fission kynnysenergia). − Esim. 238U, 240Pu ▪ Ketjureaktio kuitenkin vaatii toimiakseen fissiilejä ytimiä, joten esim. pelkällä 238U-isotoopilla reaktoria ei saada toimimaan, koska 238U:n fissioissa syntyvillä neutroneilla on liian pieni liike-energia. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 8 Fissio: Nukleoniluku ja sähkövaraus säilyvät ▪ Alla olevassa 235U ytimen fissiossa syntyy xenon ja strontium ytimet, kolme neutronia ja energiaa: 235 139 94 92U + 10n → 54Xe + 38 Sr + 3 10n + energiaa ▪ Nukleonien lukumäärä säilyy 235 + 1 = 139 + 94 + 3 ▪ Protonien lukumäärä (sähkövaraus) säilyy 92 = 54 + 38 ▪ Mahdollisia halkeamistuotteita on useita, ei pelkästään esimerkin Xe ja Sr. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 9 Halkeamistuotejakaumat fissiileille ytimille Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 10 Fissiopolttoaineen riittävyys ▪ Fissioreaktorien polttoainetta uraania on varsin rajallisesti. ▪ Nykyisen tyyppiset ydinvoimalaitokset toimivat 235U:n varassa, jonka osuus luonnonuraanissa on vain 0.72 atomi-% (loput 99,28 % käytännössä 238U-isotooppia). ▪ Varmasti tunnetut ja kohtuukustannuksilla talteen otettavat uraanivarat riittävät nykykulutuksella ja nykyreaktoreilla noin 90 vuodeksi (WNA arvio 2016). Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 11 Kuinka hyödyntää 99,28 % luonnonuraanista? ▪ 238U:stavoidaan hyötää neutroneilla fissiiliä (helposti halkeavaa) 239Pu-isotooppia: 𝛽− 𝛽− 238 239 239 239 92U +n→ 92U 93Np 94Pu − Tätä tapahtuu jossain määrin jo nykyisissäkin reaktoreissa. ▪ 238U saadaan kunnolla käyttöön nopeita reaktoreita ja suljettua polttoainekiertoa hyödyntäen. ▪ Tällöin luonnonuraanista saatava energiamäärä jopa 100-kertaistuu eli polttoainetta riittäisi tuhansiksi vuosiksi. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 12 Torium ▪ Vastaavasti voitaisiin hyödyntää toriumin isotooppia 232Th, josta voidaan hyötää fissiiliä 233U-isotooppia: 𝛽− 𝛽− 232 233 233 233 90Th +n→ 90Th 91Pa 92U ▪ Toriumia on luonnossa noin kolminkertainen määrä uraaniin verrattuna, lisäksi se on helpommin erotettavissa. ▪ 238U ja 232Th ovat fertiilejä isotooppeja, eli niistä muodostuu neutronikaappauksella fissiilit isotoopit. − Vaatii ylimääräisiä neutroneja ketjureaktiota ylläpitävien neutronien lisäksi. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 13 Fissioreaktio luonnossa ▪ Fissioreaktioita tapahtuu spontaanisti raskaimmissa alkuaineissa → vähäinen merkitys luonnon energiavirroissa. ▪ Geoterminen energia muodostuu pääosin radioaktiivisesta hajoamisesta (α, β, ɣ). − Murto-osa energiaa spontaaneista fissioista. ▪ Energiatekniikan kannalta vapaiden neutronien aikaansaama fissioketjureaktio oleellinen. ▪ Luonnon aineista vain uraanin isotooppi 235U soveltuu ketjureaktion ylläpitäjäksi. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 14 Luonnon fissioreaktori? ▪ 235U-isotoopin pitoisuus luonnonuraanissa on liian pieni ketjureaktion ylläpitämiseksi. Isotooppi T1/2 Osuus 238U 4,468 ✕ 109 a 99,275 % 235U 7,04 ✕ 108 a 0,720 % 234U 2,455 ✕ 105 a 0,005 % ▪ Osuus on kuitenkin ollut suurempi menneisyydessä − 2 miljardia vuotta sitten noin 3 % Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 15 Edellytykset luonnonreaktorille 1. Uraaniesiintymän on oltava riittävän rikas ja suurikokoinen. 2. Esiintymässä oltava vettä, joka toimii reaktorin hidasteena. Sulkee pois hyvin kaukaiset ajat (> 4 miljardia vuotta), jolloin nykyisen kaltaista veden kiertokulkua ei vielä ollut. 3. Uraanin on oltava 235U:n suhteen riittävän väkevää esimerkiksi >2%. 4. Uraaniesiintymässä ei saa olla neutroneja tehokkaasti absorboivia, eli ketjureaktiota estäviä aineita. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 16 Oklon luonnonreaktorit ▪ 1972 Oklosta Gabonista Afrikasta löydettiin uraaniesiintymä, jossa 235U pitoisuus on 0,717 % kun sen pitäisi olla 0,720 %. ▪ Oklossa oli toiminut useita luonnollisia fissioreaktoreja vajaa 2 miljardia vuotta sitten, jolloin 235U isotoopin osuus on ollut noin 3 %. − Osa 235U isotooppia on siis kulunut fissioketjureaktioissa. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 17 Oklon luonnonreaktorit ▪ Reaktorien on arvioitu toimineen 100 000 – 200 000 vuotta 30 minuuttia kerrallaan, 2,5 tunnin välein keskimäärin 100 kW:n teholla. ▪ Syntynyt ydinjäte on pysynyt aloillaan. 1. Reaktorialueet 2. Hiekkakiveä 3. Uraanimalmikerros 4. Graniittia Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 18 Fuusio ▪ Fuusioreaktiossa kaksi kevyttä ydintä yhtyy muodostaen raskaamman ytimen. ▪ Esimerkkinä vedyn raskaiden isotooppien deuteriumin (D eli 2H) ja tritiumin (T eli 3H) välinen fuusioreaktio: 2 1H + 31H → 42He + 10n + energiaa D + T → 42He + 10n + energiaa ▪ Kuten fissiossa, myös fuusiossa nukleoniluku ja sähkövaraus säilyvät. Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 19 Fuusion polttoaine: deuterium ▪ DT-reaktiossa syntyy siis alfahiukkanen (4He), neutroni ja vapautuu energiaa n. 18 MeV. ▪ DT-fuusion aikaansaaminen vaatii korkeaa lämpötilaa, T > 100 miljoonaa ºC. ▪ Luonnossa on raskasta vetyä D eli deuteriumia yksi atomi aina jokaista 7000 kevyen vedyn atomia kohti. − Valtameret olisivat ehtymätön fuusiopolttoaineen deuterium lähde. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 20 Fuusion polttoaine: tritium ▪ Tritium on vedyn radioaktiivinen isotooppi, joka beetahajoaa noin 12 vuoden puoliintumisajalla. − Syntyy kosmisen säteilyn vaikutuksesta, mutta luonnossa sitä on liian vähän mihinkään teknisiin tarkoituksiin. ▪ Tritiumia voidaan hyötää neutroneilla litiumista, joka on melko yleinen alkuaine 6 1 4 3 3 Li + 0n → 2He + 1H Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 21 Deuterium-deuterium reaktio ▪ Tritiumin hyödöstäkin päästään eroon DD- reaktiossa, mutta se vaatii tapahtuakseen vielä suuremman 400-500 milj. °C lämpötilan kuin DT- reaktio: D + D → T + p + energiaa tai D + D → 32He + 10n + energiaa ▪ DD-reaktiossa syntyy joko tritium- tai heliumydin, todennäköisyyksillä 50/50 %. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 22 Fuusion vaikeus ▪ Fuusioreaktiossa kaksi positiivisesti varattua ydintä (vrt. fissiossa varaukseton neutroni). ▪ Positiivisesti varattujen ytimien välillä sähköinen poistovoima (Coulombin valli) ▪ kuumennetaan polttoaine jotta ytimien lämpöliike riittää Coulombin vallin ylittämiseen. − DT-reaktiossa ~100 miljoonaa astetta − Polttoaine täysin ionisoitunutta plasmaa Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 23 Plasman koossapito ▪ Plasmaa pidettävä koossa niin kauan, että fuusioenergiaa ehtii vapautua enemmän kuin kuumentamiseen ja koossapitoon käytettiin. − Nettotehoa tuottavaa fuusioreaktoria ei ole vielä onnistuttu rakentamaan. ▪ Lupaavimmat koetulokset tokamak-laitteistoilla (JET, ITER), joissa sähköä hyvin johtava kuuma plasma pidetään koossa (ja erossa seinämistä) voimakkailla magneettikentillä. − Vastaava ajatus myös ns. stellaraattorissa ▪ Hiljattain lupaavia tuloksia saavutettu myös laserfuusiolla Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 24 Stellaraattori ja tokamak Kuva: Wikimedia Commons Kuva: iter.org Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 25 Fission ja fuusion eroja ▪ Fissioreaktion halkeamistuotteet (tytäraineineen) ovat radioaktiivisia ja keskeinen osa käytetyn polttoaineen radioaktiivisuutta. − Lisäksi raskaiden ytimien neutronikaappauksissa syntyy hyvin pitkäikäisiä radioktiivisia nuklideja, ”aktinideja” (esim. 237Np, T1/2 = 2,14 ∙ 106 y). ▪ Fuusioreaktiossa ei synny pitkäikäistä jätettä. ▪ Molemmissa syntyy vapaita neutroneja, jotka rakenteita aktivoimalla tuottavat radioaktiivista purkujätettä. − Kuitenkin vähäaktiivisempaa ja huomattavasti lyhytikäisempää kuin käytetty fissiopolttoaine. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 26 Aurinko fuusioreaktorina ▪ Aurinko on keskikokoinen tähti Linnunradalla. ▪ Koostumus: 80 % vetyä, vajaat 20 % heliumia, loput happea, hiiltä ja muita alkuaineita. ▪ Paine tähden sisuksessa on luokkaa miljardi ilmakehää. Auringon keskitiheys on noin neljännes Maan tiheydestä ja massa 1027 tonnia. ▪ Pintalämpötila on noin 6000 astetta, ▪ Sisuksessa 10 - 20 miljoonaa astetta − Vähemmän kuin tarvitaan DT-fuusioon? Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 27 Fuusioreaktiot auringossa ▪ Auringon fuusioreaktiot perustuvat prosesseihin, jotka eivät vaadi yhtä suurta lämpötilaa kuin DT- reaktio, mutta eivät ole mahdollisia maanpäällisessä pienessä fuusiosysteemissä. ▪ Auringon toiminta perustuu fuusioketjuihin, joissa neljä vety- ydintä (protonia) yhtyy: Kuva: nasa.gov 4 11H → 42He + 2e+ + 2𝜈 + energiaa Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 28  Energian vapautuminen fissiossa ja fuusiossa Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 29 Energian yksiköistä ▪ SI-yksikkö energialle on joule (J), mutta usein ydin- ja hiukkasfysiikassa käytetään elektronivolttia (eV) 1 eV = 1,6 ∙ 10−19 J ▪ Liike-energia, jonka elektroni saa, kun sitä kiihdytetään yhden voltin jännitteellä ▪ Käytössä murto-osat ja monikerrat: meV, keV, MeV, GeV Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 30 Energian suuruusluokkia Suuruusluokka Esimerkki kymmeniä meV Atomien lämpöliikkeen energia huoneenlämpötilassa eV Atomien kemialliset sidosenergiat Kymmeniä keV Röntgensäteilyn energiat MeV Fissiossa vapautuvien neutronien energiat GeV-TeV Suurilla kiihdyttimillä saavutettavat energiat Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 31 Aineen muuttuminen energiaksi ▪ Tarkastellaan aiempaa 235U ytimen fissioesimerkkiä: 235 139 94 92U + 10n → 54Xe + 38 Sr + 3 10n + energiaa Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 32 Fission energiatase Lasketaan reaktiokaavan molempien puolien massat tarkasti atomimassayksiköissä (u): Vasen puoli Oikea puoli_____ U-235: 235,042 Sr-94: 93,903 1 n: 1,009 Xe-139: 138,908 Yht. 236,051 3 n: 3,027 Yht. 235,838 ▪ Esimerkin fissioreaktiossa on selvästi massaa hävinnyt: massaero = 0,213 u ▪ Massaero < neutronin massa mn = 1,008665 u tai protonin massa mp = 1,007277 u Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 33 Massa → energia Atomimassayksikkö ▪ 1 u = 1,661∙10-27 kg = 931 MeV/c2 ▪ Muutetaan laskettu massaero energiaksi Einsteinin kuuluisalla kaavalla 𝐸 = 𝑚𝑐 2 ▪ Saadaan 3,2∙10-11 J = 200 MeV ▪ Mistä laskettu massaero ja sitä vastaava energia ovat peräisin? Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 34 Ytimen sidosenergia ▪ Ydin X koostuu Z protonista + N neutronista ▪ Massaluku A = Z+N ▪ Ytimen massa aina < Z·mp + N·mn ▪ Esim. deuteriumydin D eli 2H: 1p + 1n = 2,01594 u 2H ytimen todellinen massa = 2,01355 u massaero M = 0,00239 u = 2,23 MeV Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 35 Ytimen muodostuessa sidosenergia vapautuu ▪ Massaeroa M vastaava energia on sidosenergia 𝐴 𝐵 = 𝑍 ∙ 𝑚p + 𝑁 ∙ 𝑚n − 𝑚 𝑍𝑋 𝑐2 ▪ Sidosenergia vapautuu, kun ydin muodostetaan rakenneosistaan. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 36 Ytimen hajottamiseen tarvitaan sidosenergian verran energiaa ▪ Sidosenergia tarvitaan ydinvoimien voittamiseen, jos ydin halutaan taas hajottaa rakenneosiinsa, nukleoneihin (protonit ja neutronit) ▪ Esimerkiksi − Deuteriumin sidosenergia B = 2,23 MeV, kun massaero 0,00239 u muutetaan energiaksi − 235U:n sidosenergia on 1 741 MeV Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 37 Sidososuus = ytimen sidosenergia nukleonia kohti Sidososuus = B/A ▪ Deuteriumille 1,2 MeV / nukleoni ▪ Uraani-235:lle 7,4 MeV / nukleoni Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 38 Keskiraskaat ytimet tiukimmin sidottuja ▪ Raudan tienoille (A = 50...60) sijoittuvat keskiraskaat ytimet ovat tiukimmin sidottuja, B/A ~8,8 MeV (”kevyimpiä” per nukleoni). ▪ Kevyiden ytimien fuusiossa ja raskaan ytimen fissiossa nukleonit “putoavat” vielä syvempään ”potentiaalikuoppaan”. Fuusio ▪ ”Pudotessa” vapautuva sidosenergia Fissio ilmenee lopputuotteiden liike-energiana. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 39 Vapautuva sidosenergia: fissio ▪ Tarkastellaan fissioreaktiota 235 140 92U + 10n → 54Xe 94 + 38Sr + 2 10n ▪ Sidososuudet (MeV): 235U (7,5), 140Xe (8,2), 94Sr (8,6) ▪ Vasemman puolen sidosenergia on 235 ∙ 7,5 MeV = 1760 MeV ▪ Oikean puolen sidosenergia on 140 ∙ 8,2 + 94 ∙ 8,6 MeV = 1960 MeV ▪ Reaktiossa vapautuva energia = sidosenergioiden erotus 1960 − 1760 MeV = 200 MeV Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 40 Vapautuva sidosenergia: fuusio ▪ Tarkastellaan fuusioreaktiota 2 1H + 31H → 42He + 10n ▪ Sidososuudet (MeV): 2H (1,11), 3H (2,38), 4He (7,07) ▪ Vasemman puolen sidosenergia on (2 ∙ 1,11 + 3 ∙ 2,83) MeV = 10,7 MeV ▪ Oikean puolen sidosenergia on 4 ∙ 7,07 MeV = 28,3 MeV ▪ Reaktiossa vapautuva energia = sidosenergioiden erotus 28,3 − 10,7 MeV = 17,6 MeV Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 41 Ydinenergian vapautuminen Energia jakautuu lopputuotehiukkasille systeemin liikemäärän säilyttäen. − D-T fuusiossa neutroni saa n. 14 MeV liike- energiaa, alfahiukkanen eli He-4 saa loput n. 3,6 MeV liike-energiaa − Fissiossa fissiotuotteet (ja neutronit) jakavat liike-energian keskenään; neutronien energia ~2 MeV. ▪ Liike-energia siirtyy väliaineeseen hiukkasten törmäillessä muihin atomeihin ja muuttuu siten lämpöliikkeeksi → tuntuu lämpönä. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 42  Fissiossa vapautuva energia Välittömästi ytimen fissioituessa syntyvien Energia (MeV) halkeamistuotteiden liike-energia 166 fissioneutronien liike-energia 5 gammakvanttien energia 8 Halkeamistuotteiden radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvien Energia (MeV) beetahiukkasten energia 7 gammojen energia 7 antineutrinojen energia 10 Yhteensä 203 Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 43  Fissiossa vapautuva energia 𝛾 𝜈− 𝜈− 𝛾 𝛾 𝛽− 𝑛 𝑛 𝑛 𝛾 Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 44 Välittömästi vapautuva energia ▪ Halkeamistuotteet törmäilevät polttoaineessa ”lähellä” syntypaikkaansa. ▪ Fissioneutronit törmäilevät kauemmas reaktorissa ja kaappautuvat siellä oleviin atomeihin (pieni osa vuotaa reaktorista ulos). − Yhdessä 235U:n fissiossa syntyy keskimäärin 2,4 neutronia, joista 1 tarvitaan ketjureaktion jatkamiseen, 1,4 absorboituu muualle reaktoriin. − Yhdessä kaappausreaktiossa vapautuu keskimäärin noin 6 MeV. Tämä kerrottuna tekijällä 1,4 antaa tulokseksi noin 8,5 MeV. ▪ Gammakvantit absorboituvat reaktorimateriaaleihin, pieni osa tulee reaktorista ulos. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 45 Viiveellä vapautuva energia ▪ Halkeamistuotteet hajoavat radioaktiivisesti (viiveellä) (ja niiden hajoamistuotteet hajoavat, jne. kunnes saavutetaan stabiileja ytimiä). − Beetahiukkaset ja gammakvantit absorboituvat reaktorimateriaaleihin, pieni osa gammoista tulee reaktorista ulos. − Antineutriinot häipyvät avaruuteen. ▪ Radioaktiivisen hajoamisen noin 14 MeV vie 7% fission koko energiasta → fissioreaktorin lämpötehosta 7% on radioaktiivisuutta. − Tämä aiheuttaa sammutetun reaktorin jälkitehon. − Radioaktiivista hajoamista ei voi estää eikä kiihdyttää, vaan polttoainetta on aina jäähdytettävä jälkitehoa vastaavasti! Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 46 Energian talteen saaminen ▪ Äärimmäisen läpitunkevien antineutriinojen energiaosuus häipyy avaruuteen – konkreettisesti! ▪ Muu vapautuva energia muuttuu ydinreaktorissa lämmöksi ▪ 235U:n fissiossa hyötykäyttöön 193 MeV + myöhemmin neutronikaappauksissa syntyvien kaappausgammojen energia, keskimäärin 8,5 MeV ▪ Kaiken kaikkiaan hyötykäyttöön saatava fissioenergia 𝑒f = (193 + 8,5) MeV = 202 MeV~𝟐𝟎𝟎 𝐌𝐞𝐕~3,3 ∙ 10−11 J Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 47 Polttoaineen kuluminen ▪ 235U-polttoaineen fissiot tuottavat lämpötehon P (~ 3 * sähköteho, jota yleensä käytetään laitoksen kokona) ▪ Tällöin reaktorissa tapahtuu fissioita nopeudella P/ef fissiota/s ▪ Joka fissiossa häviää yksi 235U-ydin halkeamistuotteiksi. Häviämisnopeus on siis sama P/ef ydintä/s Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 48 Polttoaineen kuluminen lämpöteholtaan 1 MW:n reaktorissa ▪ Fissioiden nopeus reaktorissa = polttoaineydinten häviämisnopeus reaktorissa 𝑃 106 J/s 16 = = 3,125 ∙ 10 fissiota/s 𝑒f 3,2 ∙ 10−11 J/fissio ▪ Vuorokaudessa fissiota s fissiota 3,125 ∙ 1016 ∙ 86400 = 2,7 ∙ 1021 s päivä päivä ▪ Reaktorin lämpöteholla 𝑃 [MW] polttoaineytimiä kuluu reaktorissa 2,7 ∙ 1021 × 𝑃 ydintä/vuorokausi. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 49 Polttoaineen kuluminen lämpöteholtaan 1 MW:n reaktorissa ▪ Kuinka paljon polttoaineytimiä grammoina? ▪ Avogadron luvun (6,02·1023) verran ytimiä on yksi mooli eli nyt 235U:n tapauksessa 235 g. ▪ Saadaan suoraan verrantona, että polttoaineen kulutus on noin 1,05 P g/päivä, jossa lämpöteho P on megawateissa. ▪ Eli 1500 MWth lämpöteholla käyvä reaktori (Loviisa) kuluttaisi 1,5 kg 235U:ttä vuorokaudessa. − ja syntyy siis 1,5 kg hajoamistuotteita Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 50 Vertailua kemialliseen energiaan ▪ Ydinenergia rinnastuu kemiallisissa prosesseissa kuten palamisessa vapautuvaan energiaan, joka on peräisin atomien kemiallisten sidosten energiasta. ▪ Ytimen sidosenergiat ovat karkeasti 100 000-kertaiset elektroniverhon sidosenergioihin verrattuna → ydinpolttoainetta tarvitaan massaltaan 100 000 kertaa vähemmän. Kuva: ansnuclearcafe.org Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 51 Suositus ▪ Lue luentomonisteen luvut 3 ja 4 (sivut 17-35) ja ennen seuraavaa luentokertaa. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 52  Kiitos! Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 53  Lisäkalvoja Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 54 Protoni-protoni ketju ▪ Suurin osa fuusioista auringossa tapahtuu protoni-protoni ketjuissa: 1 1 1H + 1H → 21H + e+ + 𝜈 1 2 1H + 1H → 32He 3 3 2He + 2He → 42He + 2 11H ▪ p → n muutos on β+-hajoaminen − positroni e+ vie sähkövarauksen − neutriino 𝜈 tasaa energian ja liikemäärän Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 55 Hiiliketju (CNO-ketju) ▪ Katalyyttinen prosessi jossa kuluu neljä vety- ydintä (hiili, typpi, happi katalyytteinä) 1 12 13 1H + 6C → 7N 13 13 + 7N → 6C + e +𝜈 1 13 14 1H + 6C → 7N 1 15 1H + 147N → 8O 15 15 + 8O → 7N + e +𝜈 1 15 12 1H + 7N → 6C + 42He ▪ Dominoiva prosessi massaltaan 1,3 kertaa aurinkoa suuremmissa tähdissä, joiden sisus Kuva: Wikimedia Commons on kuumempi. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 56 Aurinko maapallon energialähteenä ▪ Auringon kokonaisteho on noin 4 ∙ 1026 W, ▪ josta noin 1,8 ∙ 1017 W siirtyy maapallolle sähkömagneettisena säteilynä. ▪ Muuntuu edelleen tutuiksi energiamuodoiksi − Fotosynteesi → polttoaineiden kemiallinen energia − Tuulen liike-energia − Veden potentiaalienergia ▪ Lähes kaikki käyttämämme energia on alkujaan ydinenergiaa! Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 57 Maapallon energiatase Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 58 Aineiden synty ▪ Alkuräjähdys synnytti vetyä (75 %) ja heliumia (25 %) ▪ Kaikki muut alkuaineet syntyneet ydinreaktioissa tähtien sisällä Alkuaineiden suhteelliset osuudet aurinkokunnassa: Kuva: Wikimedia Commons Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 59 Rautaa kevyempien aineiden synty ▪ Rauta ja sitä kevyemmät aineet ovat muodostuneet tähdissä fuusiolla ▪ Syntyessään tähti puristuu kokoon ja kuumenee painovoiman vaikutuksesta. ▪ Lämpötila tähden sisuksessa nousee niin korkeaksi, että fuusioreaktiot voivat käynnistyä. Pitkälle kehittyneessä ▪ Ketju jatkuu näin vedystä aina tähdessä fuusioissa rautaan asti. muodostuneet raskaat aineet ▪ Raudan jälkeen fuusiot eivät voi hakeutuvat tähden keskustaan (kuva ei mittakaavassa) enää tuottaa energiaa Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 60 Rautaa raskaampien aineiden synty ▪ Rautaa raskaammat aineet syntyvät neutronikaappausreaktioissa A A+1 ZX + n → ZX A+1 A+2 ZX + n → ZX A+2 A+3 ZX + n → ZX … ▪ Alttius beetahajoamiseen kasvaa neutronien määrän kasvaessa Neutronikaappausketju katkeaa, neutroni muuttuu protoniksi ja ulos lentää elektroni Järjestysluku kasvaa yhdellä (Z + 1) jolloin tuloksena seuraavan alkuaineen ydin Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 61 Neutronikaappausketjut Kuinka pitkälle kaappausketjut ehtivät jatkua? ▪ Riippuu kaappausreaktioiden nopeudesta verrattuna beetahajoamisten nopeuteen. ▪ Beetahajoamisten nopeutta kuvaa puoliintumisaika, joka on sitä lyhyempi, mitä pitempi ketju. Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 62 Hidas kaappaus: s-prosessi ▪ Jos kaappausreaktioiden nopeus on pieni, beetahajoaminen katkaisee ketjun lyhyeen − Syntyneet isotoopit hajoavat uusiksi ytimiksi, joiden järjestysluvut ovat suurempia kuin lähtöytimen. ▪ Tätä tapahtumaketjua kutsutaan s-prosessiksi (slow) ▪ Syntyvät ytimet pysyvät koko ajan lähellä luonnossa esiintyvien stabiilien ydinten “uomaa”. ▪ s-prosessissa päästään vain massalukuun A = 209 saakka, jossa ainoa koossa pysyvä on vismutti Bi-209. ▪ Jos se kaappaa neutronin, syntyy alfa-aktiivinen Bi-210, joka nopeasti hajoaa ensin poloniumiksi ja sitten lyijyksi Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 63 Astrofysikaaliset prosessit Kuva: IOP Publishing Trends in nuclear astrophysics, Hendrik Schatz 2016 J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 43064001 Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 64 Nopea kaappaus: r-prosessi ▪ Raskaimmat alkuaineet ovat syntyneet r-prosessissa (rapid) − kaappausreaktioiden taajuus on hyvin suuri − neutronikaappausketjut jatkuvat pitkiksi ennen kuin beeta- hajoamisia ehtii tapahtua − uudet ytimet syntyvät kaukana stabiilien ydinten uomasta. ▪ R-prosessi voi tuottaa myös uraania raskaampia alkuaineita. Näiden elinikä on usein varsin lyhyt, sillä ne hajoavat alfa- ja/tai beetasäteilyn tai fission kautta. ▪ Täsmällisesti ei tiedetä, millaisissa olosuhteissa r-prosessin vaatimat valtavat neutronitiheydet voisivat esiintyä (todennäköisimmin supernovaräjähdys, neutronitähtien törmäys) ▪ Myös muita prosesseja, esim. nopea protonikaappausprosessi rp- prosessi Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 65 Linkkejä Mitä astrofysikaalisissa ketjureaktioissa tapahtuu? Ydinfysiikan akatemiatutkija selvittää akatemiahankkeessaan 2014-2019 http://www.aka.fi/fi/tietysti/tekniikka/nyt-pinnalla1/mista- raskaat-alkuaineet-tulevat/ Kevät 2024 BH30A0010 Ydinvoimatekniikan perusteet 66