Kaasujäähdytteinen nopea reaktori – Virtauskanavan painehäviö CFD-laskennalla

Kandidaatintyössä tarkastellaan kaasujäähdytteistä nopeaa reaktoria, joka on yksi monista tulevaisuuden ydinvoimalaitosten konsepteista. Aluksi esitellään lyhyesti kaupalliset reaktorisukupolvet ja tulevan neljännen sukupolven tärkeimmät linjaukset. Teoriaosuudessa esitellään CFD-laskennan pääperiaatteet ja käsitellään hieman turbulenssin mallinnusta ja työssä käytettyä OpenFOAM-ohjelmistoa. Työhön liittyy CFD-laskenta, jossa polttoaineen virtauskanavan painehäviö lasketaan eri ripakonstruktioilla. Simulaatioiden perusteella pohditaan myös turbulenttisen virtauksen vaikutusta lämmönsiirron tehokkuuteen. Tarkkoja mittauksia ja CFDlaskentoja tarvitaan, jotta voidaan tehdä tarkkoja korrelaatioita painehäviöille ja lämmönsiirtokertoimille termohydrauliikan mallinnusohjelmia varten.

Hiilinanoputkireaktorin suunnittelu

Hiilinanoputki on vasta 90-luvun alussa löydetty uusi hiilestä koostuva materiaali, jonka erinomaiset mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuudet tarjoavat niiden käytölle useita mahdollisia sovelluskohteita. Teknologian puute ja valmistusmenetelmien korkeat kustannukset ovat kuitenkin estäneet tehokkaasti niiden käytön nykyisten materiaalien ja puolijohteiden korvaajana. Tämän työn tarkoituksena on esitellä yleisimmät menetelmät hiilinanoputkien syntetisoimiseksi sekä suunnitella laite yksiseinäisten hiilinanoputkien tuottamiseen kemiallisen höyrydeposition avulla. Lisäksi tavoitteena on luoda laitteelle modulaarinen rakenne, jolloin sen eri osien korvaaminen rajapintojen sallimissa rajoissa on helppoa. Reaktorin mekaanisen suunnittelun ja komponenttien valinnan lisäksi työssä käsitellään laitteen kaasu- ja lämpövirtauksia, prosessissa tärkeiden katalyyttipartikkelien tuotantoa sekä laitteessa tarvittavien jäähdytysjärjestelmien mitoituksia. Tuloksena syntyi helposti toteutettava suunnitelma yksiseinäisiä nanoputkia tuottavan reaktorin valmistamiseksi. Työ jatkuu laitteen rakentamisella, testaamisella sekä jatkokehittelyllä.

Minimibiolietetuottoinen aktiivilieteprosessi massateollisuuden peroksidipitoisten jätevesien puhdistuksessa

Työ on tehty USF Aquaflow Oy:lle osana Cleantech 2000-projektia. USF Aquaflow Oy on suunnitellut minimibiolietetuottoisen reaktorin, MBP-reaktorin, toimivaksi osana aktiivilieteprosessia. Työn tavoitteena oli selvittää MBP-reaktorin toimintaa massateollisuuden peroksidipitoisilla jätevesillä. Pääpaino asetettiin MBP-reaktorin mikrobiologian tutkimiseen. Aktiivilieteprosessissa syntyvä bioliete on yksi metsäteollisuuden merkittävimmistä sivuainevirroista, jonka tuotantoa pyritään vähentämään ja käsiteltävyyttä parantamaan. MBP-reaktori aktiivilieteprosessissa vähentää koko prosessin lietteentuottoa, nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta ja vähentää näin lietteen vaatimaa jatkokäsittelyn tarvetta. Työssä tutkittiin kahdella erilaisella jätevesijakeella peroksidin vaikutusta MBP-reaktorin COD-reduktioon, kiintoaineen kasvuun, lietteentuottoon ja mikrobiologiaan eri pituisilla viiveillä. MBP-reaktorin viive on suunniteltu aktiivilieteprosessin ilmastusaltaan viivettä huomattavasti lyhyemmäksi. Työn tuloksien perusteella lyhyellä viiveellä MBP-reaktorissa käynnistyy tehokas bakteeritoiminta, joka kuluttaa jäteveden COD:ta. Sellutehtaan jätevesille MBP-reaktorin toiminta on heikompaa kuin termomekaanisen massanvalmistuksen jätevesillä, johtuen sellun valmistuksessa käytetyistä kemikaaleista. Jätevedenpuhdistamon lietteen määrän vähentäminen on tällä hetkellä metsäteollisuuden tehtailla tärkeä jatkotutkimuksia vaativa kohde. MBP-reaktorin toiminnan takaamiseksi osana aktiivilieteprosessia tulisi jatkotutkimuksia suorittaa eri tyyppisille jätevesijakeille ja tarkkailla useampien kemikaalien vaikutusta reaktorin mikrobiologiaan, COD-reduktioon ja lietteentuottoon.

Sinkkirikasteen suoraliuotusreaktorin kehittäminen

Hydrometallurgiseen sinkinvalmistusprosessiin kuuluu yleensä pasutus, liuotus, puhdistus ja elektrolyysi. Sinkkirikasteen suoraliuotusmenetelmässä sinkkisulfidi liuotetaan suoraan ilman pasutusta. Suoraliuotusprosessissa prosessiliuokseen lietettyä sinkkisulfidia syötetään liuotusreaktoriin, jossa on liuottimena rikkihappoa. Sinkkisulfidi reagoi ferrisulfaatin kanssa muodostaen sinkkisulfaattia ja ferrosulfaattia, ja samalla rikki hapettuu alkuainerikiksi. Ferro-ionit hapetetaan takaisin ferri-muotoon syöttämällä reaktoriin happea. Tämän työn tarkoituksena oli löytää uudentyyppinen, edullisempi reaktori sinkkirikasteen suoraliuotukseen. Suunnittelussa pyrittiin kehittämään mahdollisimman monipuolinen koereaktori, jota voidaan hyväksikäyttää useiden suoraliuotuksen ilmiöiden, esimerkiksi hapen liukenemisen, tutkimiseen. Reaktori mitoitettiin pilot-laitteiston kokoiseksi. Valmiilla koelaitteistolla tehtiin lyhyt sarja kokeita ja jo niiden perusteella pystyi havaitsemaan reaktorin toimivan hyvin. Kokeiden päätarkoituksena oli testata laitteiston toimivuutta ja soveltuvuutta sinkkirikasteen liuotukseen. Työhön kuului myös kehitetyllä reaktorilla myöhemmin suoritettavan koetoiminnan suunnittelu.

Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

Pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliityntä

Työn tavoitteena on pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliitynnän suunnittelu. Laitos polttaa Einco Oy:n CFB-kuivurissa (Circulating fluidized-bed) termisesti kuivattua lietettä hönkäkaasujen kanssa Einco Oy:n CTC-reaktorissa (Constant temperature combustion). CFB-kuivuri ja CTC-reaktori on kytketty höyryvoimalaitosprosessiin, jonka turbogeneraattorista saadaan sähköenergiaa. Työssä on tutkittu nykypäivän hajautetun tuotannon pienvoimalaitoksen verkkoonliitynnän suojausvaatimuksia, sähkönlaatuvaatimuksia, suosituksia ja mahdollisen verkonhaltijan ohjeita sekä generaattorilaitteistojen ominaisuuksia. Generaattorilaitteistot ovat vierasmagnetoitu tahtigeneraattori tai itsemagnetoitu tahtigeneraattori, kestomagneettitahtigeneraattori tai verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori. Lisäksi on tarkasteltu ja vertailtu generaattorilaitteistojen verkkoonliitynnässä tarvittavien eri automaatiolaitteiden ominaisuuksia. Verkkoonliitynnät on suunniteltu 400 kW generaattorilaitteistovaihtoehdoille kahdella tavalla: suoraan verkkoon kytkettynä ja taajuusmuuttajalla verkkoon kytkettynä. Työn päätuloksia ovat suunnitellut sähköliittymät sekä suojaus- ja ohjauspiirit, ensiö- ja toisiosuojaukset, toteutustason piirustukset ja automaation toimintaselostus. Lisäksi suunnitelluille automaatiokokoonpanoille on laskettu hankintakustannukset. Taajuusmuuttajan avulla verkkoon kytketty suoravetoturbogeneraattori on todettu teknisesti ja taloudellisesti toimivaksi.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Development of chemical looping combustion process

Chemical looping combustion (CLC) provides a promising technology to help cut carbon dioxide emissions. CLC is based on separated oxidation and reduction processes. Oxygen carrier, which is made from metal and supporting material, is in continuous recirculation between the air and fuel reactors. The CLC process does not require separation unit for carbon dioxide. The fuel reactor can produce an almost pure carbon dioxide feed which decrease costs of carbon capture and storage (CCS). The CLC method is one of the most promising ones for energy efficient carbon capture. A large amount of literature was examined for this study and from it the most promising methods and designs were chosen. These methods and designs were combined as reactor system design which was then sized during the making of this thesis. Sizing was done with a mathematical model that was further improved during the study.

Maailman ennen teknisen käyttöiän päättymistä pysäytetyt ydinvoimahankkeet

Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää maailman tämän hetkinen tilanne ydinvoimalahankkeista, jotka on rakennettu ja olleet käytössä, mutta suljettu ennenaikaisesti. Mukaan otetaan reaktorit, joiden käyttöikää ei ole jatkettu vaikka se teknisesti olisi ollut mahdollista. Tarkasteluun otetaan vain kaupalliseen käyttöön tarkoitetut tehoreaktorit. Koereaktorit, prototyypit ja pienet esittelyreaktorit jätetään tarkastelun ulkopuolelle, koska niiden käyttöikä ja tarkoitus ei välttämättä ole määriteltävissä. Tarkastelun ulkopuolelle jätetään myös reaktorit, jotka ovat tuhoutuneet onnettomuuden takia.

Loistehon säätö ja kompensointi

Kantaverkkoyhtiö Fingrid Oy on tarkastellut kantaverkosta otettua tai tuotettua loistehoa alueittain Fingridin määrittelemällä maantieteellisellä tavalla. Alue koostuu liittymispisteistä, jotka ovat yksittäisten verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Yhden alueen sisällä voi siis olla monia eri verkkoyhtiöiden liittymispisteitä. Vuodesta 2016 alkaen loistehon tarkastelu vaihtuu aluetarkastelusta liittymispistetarkasteluun. Liittymispistetarkasteluun siirtymisen myötä tulee verkkoyhtiöiden investoida erinäisiin kompensointiratkaisuihin, jotta yksittäisten liittymispisteiden loistehot pysyvät Fingridin asettaman loistehon tarkasteluikkunan sisällä. Työssä perehdytään erinäisiin kompensointiratkaisuihin ja niiden kytkentöihin sekä kytkentöjen vaikutuksiin olemassa olevaan sähköverkkoon. Lisäksi työssä käsitellään tuulivoimaloiden hyödyntämistä loistehon säädössä. Esimerkkitapauksessa tarkastellaan erästä Caruna Oy:n verkkoa ja pohditaan teknistä ja mahdollisimman taloudellista kompensointiratkaisua kyseiseen verkkoon. Työn lopputulos on, että maakaapeloinnin määrän kasvaessa loistehon kompensoinnin tarve kasvaa. Näin ollen Fingrid Oy:ltä tarvitaan selkeitä linjauksia moneen ongelmakohtaan, kuten tuotanto-kulutuspisteen loistehon tarkasteluun. Lisäksi Energiavirastolta tarvitaan kannusteita loistehon kompensointiin, sillä verkkoyhtiöiden liiketoiminta perustuu regulaatiomalliin ja kompensointilaitteiston yksikköhinnasto on hyvin suppea.

Nopeat ydinreaktorit

Nopeat ydinreaktorit ovat toiminnaltaan polttoainetehokkaampia kuin nykyään laajalti käytössä olevat termiset reaktorit. Tehokkuus perustuu siihen, että nopeassa reaktorissa ei tapahdu neutronien hidastumista, jolloin ne pystyvät esimerkiksi muuntamaan luonnonuraania ja muita fertiilejä aineita fissiileiksi aineiksi. Koska reaktorissa ei saa olla hidastinta, nopea reaktori ei voi käyttää jäähdytteenään vettä, vaan on käytettävä jotain raskaampia ytimiä sisältävää jäähdytettä, kuten natriumia. Natriumin käyttö tuo mukanaan tiettyjä ongelmia, sillä se on erittäin reaktioherkkä ilman ja veden kanssa. Nopeita reaktoreita on tosin käytetty ja tutkittu jo yli 50 vuotta, ja käyttökokemusten perusteella on löydetty toimivia ratkaisuja natriumin ongelmiin. Nopean reaktorin tehokas käyttö vaatii suljetun polttoainekierron, jossa käytetystä polttoaineesta voidaan valmistaa uutta polttoainetta joko nopealle tai termiselle reaktorille. Suljetun polttoainekierron infrastruktuuri on tosin hyvin kallista, joten sen käyttöönotto on kannattavaa lähinnä infrastruktuurin jo omaavissa maissa, kuten esimerkiksi Venäjällä. Nopeaa ja kevytvesireaktoria vertaillessa tulee esille tiettyjä yhtäläisyyksiä, erityisesti säteilyturvallisuuteen ja ydinturvallisuuteen liittyvissä asioissa. Suurimmat eroavaisuudet reaktorityyppien välillä nähdään polttoainetaloudessa ja jätehuollossa.

Ydinvoimalaitos AES-2006:n reaktorin painesäiliön rakenne, materiaalivalinta, valmistustekniikka ja asennus

Tässä kandidaattityössä on käsitelty Rusatom Overseas Oy:n toimittaman ydinvoimalaitoksen AES-2006 reaktoripiiriin kuuluvan painesäiliön ominaisuuksia, materiaalivalintoja ja niiden kriteerejä, reaktorin valmistusmenettelyä ja sen asennusvaiheita mukaan lukien pääkiertoputkiston hitsaus julkisesti saatavilla olevan materiaalin pohjalta. Tässä kandidaatintyössä on kuvattu AES-2006 ydinvoimalaitoksen kehityshistoria ja lueteltu sen keskeisimmät eroavuudet edeltäjistään. Työn keskeisessä osassa on tarkastettu VVER-1200 reaktorin painesäiliön toimittajan ilmoittaman teräksen koostumus ja tärkeimpien seosaineiden vaikutus painesäiliöön ja koko voimalaitoksen käyttöikään. Tämän jälkeen on käsitelty reaktorin painesäiliön valmistustekniikkaa ja asennusta reaktorirakennuksessa. Johtopäätöksissä on vedetty yhteen tulokset ja otettu kantaa vertailukelpoiseen painesäiliöteräkseen ja sen ominaisuuksiin. Tärkeimmiksi seikoiksi nousevat tässä työssä seosaineiden myönteinen ja kielteinen vaikutus koko ydinvoimalaitoksen käyttöikään, ja ko. seosaineiden hallinnan tärkeys valmistus- ja asennusvaiheissa.