TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY

Laskennallinen

polttoainekiertoanalyysi

KYT-2014 loppuseminaari 18.3.2015

Tuomas Viitanen, Tutkija

VTT

Kuvapaikka

(ei kehyksiä kuviin)

2 11.3.2015 2

Esityksen sisältö

Johdanto

Tuloksia transmutaatiolaskuista (KEPLA ja FLUTRA –projektit)

Tuloksia polttoainekiertojen skenaariolaskuista

Yhteenveto

3 11.3.2015 3

Johdanto

Ydinpolttoaineen koostumus muuttuu reaktorissa:

Fissiili 235U pilkkoutuu fissiotuotteiksi

238U neutronikaappausten seurauksena syntyy uraania raskaampia

nuklideita eli transuraaneja. Näistä Np + Am + Cm = “sivuaktinidit”.

Materiaali Massaosuus

16O 12 %

235U 3.6 %

238U 84.4 %

Pu 0 %

Muut aktinidit 0 %

Fissiotuotteet 0 %

PWR 40 MWd/kgU

Materiaali Massaosuus

16O 11.9 %

235U 0.9 %

238U 82.1 %

Pu 0.9 %

Muut aktinidit 0.5 %

Fissiotuotteet 3.5 %

4 11.3.2015 4

Kuva 1: Tärkeimmät jälkilämmöntuottajat 60 MWd/kgU painevesireaktoripolttoaineessa [2].

[2] Viitanen, T. and Leppänen, J. "Intelligent nuclide selection capability in the reactor physics and inventory calculation code Serpent 2.". 12IEMPT,

Prague, Czech Republic, Sept. 24-27, 2012.

5 11.3.2015 5

Johdanto - kehittyneet polttoainekierrot

Kehittyneet polttoainekierrot tähtäävät ydinenergian ekologisen

jalanjäljen minimointiin:

RepU (reprocessed Uranium) kierrätys

Luonnonvarat säästyvät

Pu kierrätys MOX-polttoaineena

Luonnonvarat säästyvät ja loppusijoitukseen päätyy vähemmän

plutoniumia tuotettua energiaa kohden

Sivuaktinidien ja pitkäikäisten fissiotuotteiden ”polttaminen” eli

transmutointi

Loppusijoituksen pitkäaikaistuvallisuus parantuu ja

loppusijoituskapasiteetti per tuotettu energia kasvaa pienemmän

lämmöntuoton ansiosta

6 11.3.2015 6

Transmutaatiolaskenta

Kansainvälinen tutkimus on keskittynyt nopean neutronispektrin

järjestelmiin, eli

Nopeisiin 4. sukupolven reaktorikonsepteihin ja

Alikriittisiin ADS-järjestelmiin (Accelerator-Driven System)

Tutkimusta on tehty myös vesijäähdytteisille, termisen

neutronispektrin reaktoreille.

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

7 11.3.2015 7

Transmutaatiolaskuja KEPLA -projektissa

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

KEPLA-projektissa on tutkittu sivuaktinidien transmutaatiota

kevytvesireaktoreissa.

EPR-tyyppisessä reaktorissa MOX-polttoaineella osa

sivuaktinideistä saatiin palamaan [3]

Riittävän korkeilla alkukonsentraatioilla Pu ja Am jopa “paloivat”, eli

tasapainojaksolla reaktorista poistui vähemmän k.o. nuklideita kuin

reaktoriin ladattiin.

Suuret pitoisuudet voivat olla ongelmallisia reaktoriturvallisuuden ja

polttoaineen valmistuksen kannalta.

Curiumia ja Np-237 ei saatu laskuissa palamaan.

[3] A. Räty, “Lähtöpitoisuuksien vaikutus sivuaktinidien polttamiseen”, VTT-R-06423-13

8 11.3.2015 8

Transmutaatiolaskuja KEPLA -projektissa

Kiehutusvesireaktoreiden yläosan kovaa neutronispektriä

voitaisiin hyödyntää sivuaktinidien polttamisessa [4].

Palamista voidaan tehostaa

Termisiä neutroneita absorboivien Hf-suojakuorien avulla.

Käyttämällä nitridipolttoainetta tavanomaisen oksidipolttoaineen

sijaan.

Jälleen eksoottisemmat polttoaineratkaisut tuovat haasteita

reaktoriturvallisuuden kannalta [5].

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

[4] S. Häkkinen, “Alustavia laskuja sivuaktinidien polttamisesta kiehutusvesireaktorin yläosan nopeassa neutronivuossa”, VTT-R-01830-14.

[5] A. Räty, “MOX-polttoaineiden vertailua BWR-reaktorin yläosassa Serpent-ohjelmalla”, VTT-R-01872-14

9 11.3.2015 9 Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

Kuva 2: Suojakuoren ja polttoaineen tyypin vaikutus neutronispektriin on huomattava [4].

10 11.3.2015 10

Transmutaatiolaskuja FLUTRA –projektissa

(Aalto)

Transmutaatiota MYRRHA - ADS:ssä on

tutkittu mallintamalla spallaatiokohde ja

ADS:n sydän.

Pu palaa melko tehokkaasti.

Sivuaktinidit palavat ainoastaan jos niiden

pitoisuus reaktoriin ladattavassa

polttoaineessa on korkea (pl. Np)

LWR-polttoaineen kierrätystä CANDU-

reaktoreissa(DUPIC) on myös tutkittu

18 % säästö uraanin tarpeessa per MWh

61 % säästö loppusijoitettavan jätteen

kilomäärässä per MWh

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

Kuva 3: Simuloidut neutronien

törmäystaajuudet MYRRHA –

ADS:n sydämessä.

11 11.3.2015 11

Polttoainekiertojen skenaariolaskenta

KEPLA-projektissa on mallinnettu Suomen (hypoteettista)

siirtymistä nopeiden reaktoreiden käyttöön.

Oletus: nykyisten ja suunnitteilla olevien voimaloiden elinkaaren

loppupuolella 2080 käynnistetään ensin 2x 1450 MWe nopeaa

reaktoria ja niiden jälkeen vielä yksi nopea reaktori vuonna 2140

[6].

Nopean reaktorin konversiosuhde n. 1.0

Ladataan Suomen reaktoreista poistetulla plutoniumilla ja

sivuaktinideillä.

Samaa skenaariota on tutkittu myös ydinaseiden leviämisriskin

kannalta [7].

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

12 11.3.2015 12 Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

Kuva 5: LWR 2200 ja Basic P&T –skenaarioissa on sama kokonaisenergiantuotanto, mutta

nopeita reaktoreita (P&T) hyödyntävässä skenaariossa maksimilämmöntuotto on selvästi

pienempi [6].

[6] P. Juutilainen and T. Viitanen, “An assessment of the effect on Olkiluoto repository capacity achievable with advanced fuel cycles”, Proceedings

of GLOBAL 2013, Salt Lake City, Utah, USA, 29.9.-3.10.2013.

13 11.3.2015 13

Yhteenveto

KYT2014 ohjelman kahdessa projektissa (KEPLA & FLUTRA)

on tutkittu laskennallisesti

Sivuaktinidien transmutaatiota ja

Polttoainekiertoskenaarioita

Projektien pohjimmainen tarkoitus on asiantuntijoiden koulutus.

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

14 11.3.2015 14

Viitteet

[1] Etusivun kuvan lähde: http://www.rsd17.org/TeacherWebPage/

[2] Viitanen, T. and Leppänen, J. "Intelligent nuclide selection capability in the reactor

physics and inventory calculation code Serpent 2." In proc. 12IEMPT, Prague, Czech

Republic, Sept. 24-27, 2012.

[3] A. Räty, “Lähtöpitoisuuksien vaikutus sivuaktinidien polttamiseen”, VTT-R-06423-13

[4] S. Häkkinen, “Alustavia laskuja sivuaktinidien polttamisesta kiehutusvesireaktorin

yläosan nopeassa neutronivuossa”, VTT-R-01830-14.

[5] A. Räty, “MOX-polttoaineiden vertailua BWR-reaktorin yläosassa Serpent-ohjelmalla”,

VTT-R-01872-14

[6] P. Juutilainen and T. Viitanen, “An assessment of the effect on Olkiluoto repository

capacity achievable with advanced fuel cycles”, Proceedings of GLOBAL 2013, Salt Lake

City, Utah, USA, 29.9.-3.10.2013.

[7] P. Juutilainen, S. Häkkinen, ”Assessment of Proliferation Risk Related to Various Fuel

Cycle Scenarios in Finland”, 13-IEMPT, Seoul, South Korea, 23.-27.9.2014.

Laskennallinen polttoainekiertoanalyysi, Tuomas Viitanen

TEKNOLOGIASTA TULOSTA