Laivareaktorit

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan laivojen voimanlähteenä käytettäviä ydinreaktoreita ja vertaillaan niiden ominaisuuksia maalla toimiviin reaktoreihin. Lisäksi käydään läpi laivareaktorien historiaa, reaktorin purkaminen ja muut mahdolliset käyttösovellukset. Työssä käytettiin pääasiassa siviilikäytössä olleiden reaktorien tietoja, koska sotilaskäytössä olleiden reaktorien tietoja ei ollut käytettävissä julkisesti saatavilla olevasta aineistosta.

Sulasuolareaktorit

Sulasuolareaktori on ydinreaktorityyppi, jota kehitettiin ensimmäisen kerran Yhdysvalloissa 1940-luvulta 1970-luvulle. Tänä aikana sulasuolatekniikkaa tutkittiin muun muassa kahden koereaktorin avulla. Vuosikymmenten hiljaiselon jälkeen kiinnostus konseptia kohtaan heräsi uudelleen 2000-luvun alussa, kun Generation IV International Forum asetti sulasuolareaktorin yhdeksi mahdolliseksi neljännen sukupolven ydinreaktorityypiksi. Sulasuolareaktori poikkeaa merkittävästi nykyisin käytössä olevista tehoreaktoreista, joiden käyttämä polttoaine on sijoitettu kiinteinä nippuina reaktorin sydämeen. Sulasuolareaktorissa polttoaine on liuotettu sulaan suolaseokseen, joka kiertää koko primääripiirissä. Suolaseos toimii siis sekä fissiilinä polttoaineena että lämmönsiirron väliaineena. Reaktorin sydämessä on hidastimena grafiittia, ja polttoainesuola saavuttaa kriittisyyden vain grafiittimoderaattorin läpi kulkiessaan. Sulasuolareaktoreihin sisältyy monia mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten polttoaineen käynninaikainen jälleenkäsittely sekä kevytvesireaktorien käytetyn polttoaineen kierrättäminen. Konseptin kehittäminen vaatii kuitenkin huomattavan määrän teoreettista ja kokeellista tutkimustyötä, joten sulasuolareaktoreita ei näillä näkymin odoteta olevan kaupallisessa tuotannossa vielä lähitulevaisuudessa.

Maailman ydinvoimaloiden alttius maanjäristyksille

Ydinvoimaloiden maanjäristysturvallisuutta on tutkittu uudelleen vuoden 2011 Fukushiman onnettomuuden seurauksena. Vuoden 2014 tammikuussa maailmalla oli 438 toimivaa ydinreaktoria, joista arviolta 20 % sijaitsi järistysherkillä alueilla. Työssä tutkitaan ydinvoimalaitosten varautumista maanjäristyksiin, sekä kartoitetaan myös maailmalta maanjäristysten suhteen vaarallisia alueita. Työssä selvitetään myös mitä Fukushiman onnettomuudesta on opittu. Maailmalla tapahtuneita maanjäristyksiä käydään läpi internetistä löytyvien tilastojen avulla. Maanjäristysten vaikutusta ydinvoimaloiden turvallisuuteen tarkastellaan Fukushiman onnettomuuden seurauksena aloitettujen tutkimusten, sekä Euroopan stressitestien avulla. Maanjäristyksen todennäköisyyksien ja ydinvoimalaitosten sijaintien perusteella maanjäristysriskin kannalta vaarallisimmat alueet sijaitsevat Japanissa, Yhdysvaltojen länsirannikolla ja Intiassa. Maanjäristyksiin varautuminen perustuu maanjäristysriskin suuruuden ennustettavuuteen. Suurimmilla riskialueilla on tehty tutkimustyötä maanjäristysriskin suuruuden arvioinnissa, sekä varauduttu arvioitujen riskitasojen mukaisesti.

The role of nuclear power in the future energy system

Currently widely accepted consensus is that greenhouse gas emissions produced by the mankind have to be reduced in order to avoid further global warming. The European Union has set a variety of CO2 reduction and renewable generation targets for its member states. The current energy system in the Nordic countries is one of the most carbon free in the world, but the aim is to achieve a fully carbon neutral energy system. The objective of this thesis is to consider the role of nuclear power in the future energy system. Nuclear power is a low carbon energy technology because it produces virtually no air pollutants during operation. In this respect, nuclear power is suitable for a carbon free energy system. In this master's thesis, the basic characteristics of nuclear power are presented and compared to fossil fuelled and renewable generation. Nordic energy systems and different scenarios in 2050 are modelled. Using models and information about the basic characteristics of nuclear power, an opinion is formed about its role in the future energy system in Nordic countries. The model shows that it is possible to form a carbon free Nordic energy system. Nordic countries benefit from large hydropower capacity which helps to offset fluctuating nature of wind power. Biomass fuelled generation and nuclear power provide stable and predictable electricity throughout the year. Nuclear power offers better energy security and security of supply than fossil fuelled generation and it is competitive with other low carbon technologies.

Maailman ydinvoimaloiden alttius tulville

Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus kiinnitti huomion ydinvoimaloiden turvallisuuteen ulkoisia uhkia vastaan, jonka seurauksena laitosten alttiutta myös tulville alettiin tarkastella ympäri maailmaa. Eurooppalaisten laitosten turvallisuutta selvitettiin kattavien stressitestien avulla. Vaikka tulviin varaudutaan jo ydinvoimalaitoksia suunniteltaessa, laitosten turvallisuutta pyritään parantamaan jatkuvasti. Tässä kandidaatin työssä tarkastellaan erilaisia tulvien syntymekanismeja ja kerrotaan, kuinka näihin tulviin varaudutaan ydinvoimalaitoksilla etukäteen. Stressitesteissä havaittuja puutteita käydään läpi tulviin varautumisen osalta, jonka yhteydessä esitellään myös Fukushiman ydinvoimalaitosonnettomuuden jälkeen tehtyjä parannustoimenpiteitä. Euroopan ulkopuolisten laitosten alttiutta tulville on käsitelty Taiwanin ja Yhdysvaltojen osalta. Yhdysvaltoja käsitellään myös Fort Calhounin ydinvoimalan esimerkkitapauksessa. Esimerkeissä kerrotaan tarkemmin myös Fukushiman onnettomuudesta. Suurin osa Fukushiman onnettomuuden jälkeen tehdyissä tarkasteluissa havaituista puutteista liittyi suunnitteluperusteiseen tulvaan. Puutteet olivat joko suunnitteluperusteisen tulvan korkeuden laskennassa tai laitoksen turvallisuudessa suunnitteluperusteisen tulvan ylittyessä. Yhdysvalloissa osa ydinvoimalaitoksista sijaitsee jokien varsilla. Tällöin yläjuoksulla äkillisesti murtuva pato voi aiheuttaa tulvan, joka on suurempi kuin mihin laitoksella on varauduttu.

Sähkön tuotanto ja sen kustannukset Suomessa

Työssä perehdytään sähkön tuotantoon Suomessa. Tarkastelun kohteena on Suomen sähköntuotanto vuonna 2013. Sähköä tuotetaan Suomessa monipuolisesti eri energianlähteillä. Tärkeimmät energianlähteet sähköntuotannon kannalta ovat uusiutuvista energianlähteistä vesi- ja tuulivoima. Lisäksi sähköä tuotetaan bioperäisillä polttoaineilla sekä turpeella. Fossiilisista polttoaineista käytetyimmät on kivihiili ja maakaasu. Suomen suurin yksittäinen sähköntuotantomuoto on ydinvoima. Työn laskennallisessa osassa selvitetään sähkön tuotantokustannukset eri tuotantomuodoille. Merkittävimmät kustannukset sähkön tuotannossa syntyvät voimalaitoksen investointi- ja polttoainekustannuksista. Muita kustannuksia ovat muun muassa kiinteät- sekä muuttuvat käyttö- ja kunnossapitokustannukset. Tarkasteltavat tuotantomuodot ovat ydinvoimalaitos, tuulivoimalapuisto, kivihiilivoimala, kaasukombivoimalaitos, biomassavoimala ja turvevoimalaitos. Polttoainekustannuksien laskennassa käytetään vuoden 2014 hintatasoa.

Ydinvoiman säädettävyys laajamittaisesti sähköä varastoivassa energiajärjestelmässä

Tulevaisuudessa tuuli- ja aurinkovoiman osuus sähköntuotannosta tulee kasvamaan. Näiden uusiutuvien energiamuotojen tuotanto kuitenkin vaihtelee sääolosuhteiden mukaan. Tästä johtuen tarvitaan lisää säätövoimaa, jotta voidaan vastata sähkönkulutukseen tuuli- ja aurinkosähkön tuotannon laskiessa. Tässä työssä tarkastellaan mahdollisuutta toteuttaa sähkönkulutuksen ja tuotannon tasapainottaminen Suomessa sähkön varastoinnin avulla sekä ydinvoiman soveltuvuutta säätövoimaksi ja ydinsähkön varastoinnin kannattavuutta. Työssä vertaillaan mahdollisuuksia sähkön varastointiteknologioiksi, joista valitaan potentiaalisimmat vaihtoehdot kustannus- ja soveltuvuustarkasteluun. Varastointikapasiteetin tarvetta tarkastellaan Suomen nykyisen sähkönkulutuksen ja -tuotannon mukaan sekä tilanteessa, jossa tuuli- ja aurinkovoiman osuus on molemmilla 15 % kokonaistuotantokapasiteetista. Vanhempien sekä nykyaikaisten ydinvoimaloiden soveltuvuutta säätövoimaksi tarkastellaan laitosten säädettävyyden perusteella. Ydinvoimalaa on kuitenkin kannattavinta käyttää mahdollisimman suurella käyttökertoimella, joten tarkastelussa on myös mahdollisuus varastoida sähköä tilanteissa, joissa tuotantoa jouduttaisiin rajoittamaan. Varastointiteknologioiden ja eri skenaarioissa vaadittujen varastointikapasiteettien perusteella voidaan todeta, ettei sähkönkulutuksen ja -tuotannon tasapainottaminen sähkön varastoinnilla ole kannattavaa nykyisillä varastointikustannuksilla ja sähkön hinnoilla. Ydinvoiman voidaan todeta soveltuvan hyvin säätövoimaksi ominaisuuksien puolesta, mutta taloudellisesti se ei ole paras vaihtoehto. Ydinvoimalla tuotetun sähkön varastointi ei ole tällä hetkellä Suomessa kannattavaa matalien sähkön hintojen ja korkeiden varastointikustannusten vuoksi. Sähkön varastoinnista on mahdollista tulla kannattavaa 2020-luvulla. Tämä edellyttää Yhdysvaltojen energiaministeriön asettaman strategian toteutumista, jonka tavoitteena on varastoimalla tuotetun sähkön kustannusten saaminen alle 75 €/MWh.

Radioaktiivisen päästön ennustaminen valmiustilanteessa

Ydinvoimaloissa käytetään toiminnallisia syvyyssuuntaisia puolustustasoja ydinturvallisuuden varmistamiseksi. Puolustuksen viidennessä ja viimeisessä tasossa pyritään lieventämään vakavan onnettomuuden ympäristövaikutuksia ja väestöön kohdistuvaa säteilyaltistusta. Suojelutoimien onnistumisen kannalta on tärkeää pystyä arvioimaan etukäteen radioaktiivisen päästön suuruus ja ajankohta mahdollisimman tarkasti. Tässä diplomityössä on esitelty radioaktiivisen päästön suuruuteen ja ajankohtaan vaikuttavat ilmiöt sekä niihin liittyvät merkittävät epävarmuudet. Ydinvoimalaitosten turvallisuusjärjestelmien osalta tarkastelun kohteena ovat suomalaiset käynnissä olevat reaktorit Olkiluoto 1 & 2 sekä Loviisa 1 & 2. Kaikissa Suomen laitoksissa on käytössä vakavan onnettomuuden hallintaan soveltuvia järjestelmiä ja toimintoja. Työssä etsittiin tietoa eri maiden radioaktiivisen päästön ennustamiseen käytettävistä ohjelmista. Eri mailla on eri toimintaperiaatteilla ja laajuuksilla toimivia ohjelmia. Osassa työkaluja käytetään ennalta laskettuja tuloksia ja osassa onnettomuustilanteet lasketaan onnettomuuden aikana. Lisäksi lähivuosina Euroopassa on tavoitteena kehittää yhteistyömaille yhteisiä valmiuskäyttöön soveltuvia ohjelmia. Työssä kehitettiin uusi valmiustyökalu Säteilyturvakeskuksen käyttöön Microsoft Excelin VBAohjelmoinnin avulla. Valmiustyökalu hyödyntää etukäteen laskettujen todennäköisyyspohjaisten analyysien onnettomuussekvenssejä. Tällöin valmiustilanteessa laitoksen tilanteen kehittymistä on mahdollista arvioida suojarakennuksen toimintakyvyn perusteella. Valmiustyökalu pyrittiin kehittämään mahdollisimman helppokäyttöiseksi ja helposti päivitettäväksi.

Kuparin hitsaus kattavilla laatuvaatimuksilla

Kuparin ja kupariseosten hitsaus eroaa merkittävästi esimerkiksi terästen hitsauksesta. Suuri lämmönjohtavuus, lämpölaajeneminen, pehmeneminen ja kuparin taipumus liuottaa kaasuja sulaan asettavat hitsaukselle haasteita. Kuparia on perinteisesti hitsattu kaasuhitsaamalla ja kaasukaarihitsausprosesseilla, mutta uudemmat menetelmät kuten laserhitsaus, elektronisuihkuhitsaus ja FSW-hitsaus tarjoavat uudenlaisia käyttökohteita korkealla laadulla. ISO 3834-2 asettaa noudatettavat vaatimukset hitsaustoiminnalle laatuvaatimusten ollessa kattavia. Ydinvoimalaitoksella hitsauksessa tulee lisäksi noudattaa Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeita, joissa on määritetty lisävaatimuksia liitosten materiaalivalinnoille, pätevöittämiselle ja tarkastamiselle. Tässä työssä tutkittiin kuparimetallien hitsauksen mahdollisuutta Loviisan ydinvoimalaitoksella juottamisen sijasta siten, että kattavat laatuvaatimukset täyttyisivät. Hitsauskokeissa ja laboratoriotutkimuksissa testattiin hitsausta erilaisilla hitsausaineilla ja hitsausprosesseilla. Koetulosten pohjalta toteutettiin hitsausmenetelmä deoksidoidun kupariputken ja tinapronssilaipan TIG-hitsaukselle.

Shippingport – ensimmäinen painevesireaktori sähköntuotannossa

Tässä kandidaatintyössä käydään kirjallisuuden perusteella läpi Shippingportin ydinvoimalan vaiheet suunnittelusta käytöstäpoistoon. Samalla käydään läpi voimalan rakenne, jota verrataan nykyaikaisen painevesireaktorin rakenteeseen. Lisäksi voimalaa taustoitetaan pikaisella katsauksella ydinenergian käyttöön yleisesti sähköntuotannossa sekä 1940- ja 1950-lukujen ydinohjelmiin niin Yhdysvalloissa kuin muuallakin maailmassa. Shippingportin ydinvoimala oli ensimmäinen nimenomaan sähköntuotantoon rakennettu teollisen mittaluokan ydinvoimala. Samalla se oli ensimmäinen painevesireaktori, jota käytettiin tuottamaan sähköä yleiseen verkkoon. Voimalalla oli suuri merkitys ydinvoiman kehityksessä, sillä sieltä saatiin runsaasti kokemusta ydinvoiman käytöstä sähköntuotannossa. Voimala oli käytössä vuodesta 1957 aina vuoteen 1982. Etenkin aluksi sitä käytettiin pelkän sähköntuotannon lisäksi tutkimukseen ja koulutukseen. Vuodesta 1974 voimalaa käytettiin kevytvesihyötöreaktorin testivoimalana. Myös käytöstä poistettaessa voimalalla oli prototyyppitehtävä, sillä tarkoituksena oli osoittaa, että ydinvoimala voitiin purkaa 1980-luvun tekniikoilla kohtuullisin kustannuksin ja aikataulussa.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

Life cycle management of TVO nuclear power plant

Tämä diplomityö tutkii eri elinkaarihallinnan menetelmiä ja vertaa niitä TVO:n menetelmiin. Lisäksi TVO:n prosessin ongelmakohdat tunnistetaan ja niihin esitetään ratkaisuja. Vertailukohteina toimii ydinvoimateollisuuden lisäksi vesivoima, fossiiliset voimalaitokset sekä paperiteollisuus. Sähkön hinnan jatkaessa laskuaan on elinkaariajattelusta tullut ajankohtaista myös ydinvoimayhtiöille. Ydinvoimalaitoksien pitkän suunnitellun käyttöiän ansiosta laitoksen elinkaaren aikana voi tapahtua useita asioita, jotka vaikuttavat laitoksen investointitarpeisiin. Turvallisen sähköntuotannon varmistamiseksi eri laitososia on joko muokattava tai uusittava. Elinkaariajatteluun kuuluu tehokas laitoksen kunnon valvonta, laitoksen ikääntymiseen vaikuttavien ilmiöiden tunnistaminen, sekä ikääntymistä hillitsevien toimenpiteiden pitkän tähtäimen suunnittelu. Hyvällä ennakkosuunnittelulla pyritään varmistamaan se, että laitoksella voidaan tuottaa sähköä koko sen jäljellä olevan käyttöiän aikana. Kun tarpeiden tunnistus ja suunnittelu tehdään hyvissä ajoin mahdollistetaan myös investointien optimointi. Paras hyöty pyritään saamaan ajoittamalla oikeat investoinnit oikeaan aikaan.