5 Vertailu nykyisiin kevytvesireaktoreihin 29
5.3 Jätehuolto
Fuusion jätehuoltoon on käytetty lähteenä EUROfusionin tuottamaa SEIF-raporttia (Sa-fety and Environmental Impact of Fusion) Fuusioreaktorin tuottamat jätemäärät ovat tilavuudeltaan samaa luokkaa, kuin vastaavan fissioreaktorin jätemäärät. Fuusiosta syn-tyvän jätteen tuottama jälkilämpö on kuitenkin noin sata kertaa pienempi kuin fissiosta syntyvän jätteen. Näin ollen ydinfuusion jäte ei juurikaan vaadi erillistä jäähdytystä.
Jäte ei myöskään tuota radioaktiivista säteilyä merkittävissä määrin. Lähes kaikki fuusi-oitumisesta syntyvä jäte voitaisiin myös etäkäsittelyllä kierrättää seuraavan sukupolven fuusiovoimalaitosten polttoaineeksi. Etäkäsittely tarkoittaa polttoaineen käsittelyä, jossa ihminen ei ole fyysisessä kontaktissa polttoaineen kanssa, vaan ohjaa etänä konetta, jolla polttoainetta käsitellään. Etäkäsittelyllä vähäinenkin jäte saadaan lähes kokokaan poistettua.
SEIF-raportissa ilmoitetaan fuusiosta syntyviä jätteitä eri simulaatioilla. Simulaatioissa koko jätemäärästä pysyvää loppusijoitettavaa jätettä (engl. PDW, Permanent Disposal Waste) ei syntynyt ollenkaan, aktiivista kierrätettävää materiaalia 0-11,9 % (engl. CRM, Complex Recycle Material), yksinkertaista kierrätysjätettä 47,4-70,5 % (engl. SRM, Simple Recycle Material) ja muuta ei-aktiivista jätettä 27,5-40,7 % (engl. NAW, Non Active Waste). Eri jäteluokkien säteilyannokset ja lämmöt on ilmoitettu taulukossa 2.
Jätteenkierrätystä tulee kuitenkin edelleen kehittää, sillä nykyisellään se ei ole taloudel-lisesti kannattavaa. (European Fusion Development Agreement, 2001)
Taulukko 2: Fuusiossa syntyvät jätteet, ja niiden säteilyannokset, ominaislämpötehot ja arvioi-dut prosentuaaliset määrät kokonaismäärästä (European Fusion Development Agreement, 2001).
Materiaali Säteilyannos
[mSv/h]
Ominaislämpöteho [W/m3] Arvioitu määrä [%]
Loppusijoitettava jäte yli 20 Yli 10 0
Aktiivinen kierrätettävä jäte 2-20 1-10 0-11,9
Yksinkertainen kierrätysjäte alle 2 Alle 1 47,4-70,5
Ei-aktiivinen jäte - - 27,5-40,7
Fissioon perustuvien kevytvesireaktorien jätteidenhallinta ei kunnolla toteutettuna ai-heuta merkittäviä ympäristöuhkia. Jätettä varten rakennetaan loppusijoituslaitokset, joissa radioaktiivinen jäte ei aiheuta vahinkoa ympäristölle. Loppusijoituslaitoksessakin jätettä pidetään jatkuvassa tarkkailussa. (Ministry of Employment, 2014)
6 YHTEENVETO
Fuusioprojekteja on huomattavan paljon ympäri maailmaa. Valtaosa resursseista on käytetty tähän mennessä tokamak-tyyppisten reaktorien kehittämiseen. Tokamak-reaktoreissa fuusioitava polttoaine kuumennetaan plasmaksi toruksen muotoisessa reak-torissa. Stellaraattorit ovat tokamakin kaltaisia reaktoreja, jotka ovat kuitenkin geomet-rialtaan huomattavasti monimutkaisempia, eivätkä vaadi tokamakien tapaan suurta plasmanvirtaa. Kolmas käsitelty fuusiokoereaktorityyppi on inertiaaliseen fuusioon pe-rustuva koelaitos. Tällä menetelmällä tiettyä polttoainekohdetta, tyypillisesti vetypellet-tiä, kuumennetaan esimerkiksi lasereilla fuusion aikaansaamiseksi.
Voimalaitoksista tunnetuimpia ovat maailmanlaajuisesti rahoitetut tokamak-koereaktorit JET, ITER ja tulevaisuudessa DEMO. Merkittäviä fuusioprojekteja löytyy kuitenkin ympäri maailmaa pääosin tokamakien ja stellaraattorien muodossa. Fuusion kaupallis-tumisen odotetaan jatkuvan vähintään 2050-luvulle asti. Nykyään Stellaraattoreihin on kohdistunut lisää kiinnostusta esimerkiksi Wendelstein 7-X –koereaktorin myötä raken-nustekniikoiden kehittymisen ja laskentakapasiteettien kasvun myötä. Tähän mennessä pisin fuusion yhtäjaksoinen ylläpitoaika on 102 sekuntia EAST tokamak-koereaktorilla, jolloin lämpötila oli noin 50 miljoonaa celsiusastetta.
Nykyisiin kaupallisiin kevytvesireaktoreihin verrattuna fuusion etuja ovat suuremmat polttoainereservit, polttoaineen turvallisuus ja voimalaitosten mahdollisuus tuottaa suuri osa käyttämästään polttoaineesta. Fissiolla on tulevaisuudessa mahdollista käyttää polt-toaineena myös uraanin isotooppia 238, jolloin polttoainereservit moninkertaistuvat.
Fuusion polttoaineena toimii vedyn isotoopit deuterium ja tritium. Deuteriumia voidaan erottaa merivedestä melko tehokkaasti. Tritiumia voidaan tuottaa fuusioreaktoreissa litiumin avulla. Polttoainereservit riittävät fuusioreaktoreille miljooniksi vuosiksi eteen-päin, mutta niiden hankkiminen on vielä nykyään kallista. Fuusion kaupallistumiseen mennessä kevytvesireaktorien on määrä kehittyä kohti passiivista turvallisuutta ja uraa-nin parempaa hyödynnettävyyttä reaktoreissa. Uraanille on jo olemassa oleva tehokas polttoaineenhankintaketju, kun taas litiumin ja tritiumin tuotannot ovat nykyisellään pienet.
LÄHDELUETTELO
Abdullaev, S.S., 2006. Construction of Mappings for Hamiltonian Systems and Their Applications. Springer.
Abram, T., Ion, S., 2008. Generation-IV nuclear power: A review of the state of the science. Energy Policy, Foresight Sustainable Energy Management and the Built Environment Project 36, 4323–4330. doi:10.1016/j.enpol.2008.09.059
Australian National University, 2017. The Australian Plasma Fusion Research Facility [WWW Document]. URL http://h1nf.anu.edu.au/ (accessed 2.19.17).
Bachmann, C., Aiello, G., Albanese, R., Ambrosino, R., Arbeiter, F., Aubert, J., Boc-caccini, L., Carloni, D., Federici, G., Fischer, U., Kovari, M., Li Puma, A., Lov-ing, A., Maione, I., Mattei, M., Mazzone, G., Meszaros, B., Palermo, I., Pereslavtsev, P., Riccardo, V., Sardain, P., Taylor, N., Villari, S., Vizvary, Z., Vaccaro, A., Visca, E., Wenninger, R., 2015. Initial DEMO tokamak design configuration studies. Fusion Eng. Des., Proceedings of the 28th Symposium On
Fusion Technology (SOFT-28) 98–99, 1423–1426.
doi:10.1016/j.fusengdes.2015.05.027
Bradshaw, A.M., Hamacher, T., Fischer, U., 2011. Is nuclear fusion a sustainable ener-gy form? Fusion Eng. Des., Proceedings of the 26th Symposium of Fusion Technology (SOFT-26) 86, 2770–2773. doi:10.1016/j.fusengdes.2010.11.040 Choobini, A.M., Hosseininejad, M., 2012. Plasma Parameters Measurement in IR-T1
Tokamak with Langmuir Probe and the Simulation of the Lower Hybrid Waves in IR-T1, JET and NSTX Tokamaks. J. Fusion Energy 31, 519–530.
doi:10.1007/s10894-011-9497-x
Culham Centre for Fusion Energy, 2012. JET - Research [WWW Document]. URL http://www.ccfe.ac.uk/JET.aspx (accessed 4.2.17).
Delene, J.G., 1990. Updated comparison of economics of fusion reactors with advanced fission reactors.
Dolan, T.J., 2013. Nuclear Fusion, in: Tsoulfanidis, N. (Ed.), Nuclear Energy. Springer New York, pp. 305–341. doi:10.1007/978-1-4614-5716-9_12
Dolan, T.J., 1982. Fusion Research. Elsevier Science Limited.
EUROfusion, 2017. Europe’s largest fusion device - funded and used in partnership [WWW Document]. EUROfusion. URL https://www.euro-fusion.org/jet/organisation/ (accessed 3.26.17).
EUROfusion, 2011a. Tokamak principle [WWW Document]. EUROfusion. URL https://www.euro-fusion.org/2011/09/tokamak-principle-2/ (accessed 5.7.17).
EUROfusion, 2011b. Construction of the JET machine [WWW Document]. EUROfu-sion. URL https://www.euro-fusion.org/2011/09/construction-of-the-jet-machine-3/ (accessed 4.2.17).
EUROfusion, n.d. What is plasma current and what is a JET pulse? [WWW Document].
EUROfusion. URL https://www.euro-fusion.org/faq/what-is-plasma-current-and-what-is-a-jet-pulse/ (accessed 5.7.17a).
EUROfusion, n.d. JET’s main features [WWW Document]. EUROfusion. URL https://www.euro-fusion.org/jet/jets-main-features/ (accessed 1.12.17b).
EUROfusion, n.d. How do fission and fusion reactions compare? [WWW Document].
EUROfusion. URL https://www.euro-fusion.org/faq/how-do-fission-and-fusion-reactions-compare/ (accessed 4.2.17c).
European Commission, 2015. The different generations of nuclear technology - Fission - Euratom Energy - Research & Innovation - European Commission [WWW
Document]. URL
http://ec.europa.eu/research/energy/euratom/index_en.cfm?pg=fission§ion=
generation (accessed 4.3.17).
European Fusion Development Agreement, 2001. Safety and Environmental Impact of Fusion [WWW Document]. URL https://www.euro-fusion.org/wpcms/wp-content/uploads/2012/01/SEIF_report_25Apr01.pdf (accessed 2.4.17).
European Fusion Network, 2003. Historical Background [WWW Document]. URL http://www.fusion-eur.org/fusion_cd/history.htm (accessed 1.22.17).
Fusion For Energy, 2015. The Merits of Fusion [WWW Document]. Underst. Fusion.
URL http://fusionforenergy.europa.eu/understandingfusion/merits.aspx (ac-cessed 1.12.17).
Gasparotto, M., Baylard, C., Bosch, H.-S., Hartmann, D., Klinger, T., Vilbrandt, R., Wegener, L., 2014. Wendelstein 7-X—Status of the project and commissioning planning. Fusion Eng. Des., Proceedings of the 11th International Symposium on Fusion Nuclear Technology-11 (ISFNT-11) Barcelona, Spain, 15-20 Sep-tember, 2013 89, 2121–2127. doi:10.1016/j.fusengdes.2014.02.075
Hiroyasu, U., 2010. Design study of advanced blanket for DEMO reactor [WWW Doc-ument]. URL http://www-ferp.ucsd.edu/LIB/MEETINGS/1002-USJ-PPS/Utoh.pdf (accessed 5.8.17).
Institute of Plasma Physics Chinese Academy Of Sciences, 2012. EAST- Experimental Advanced Superconducting Tokamak [WWW Document]. URL http://english.ipp.cas.cn/rh/east/ (accessed 2.19.17). C., Lee, G.-S., Neilson, G., C. Kessel, Brown, T., Titus, P., Mikkelsen, D., Zhai, Y., 2015. Design concept of K-DEMO for near-term implementation. Nucl. Fu-sion 55, 053027. doi:10.1088/0029-5515/55/5/053027
Kim, S.-H., Heinrich, J.R., Merlino, R.L., 2008. Electrostatic ion-cyclotron waves in a plasma with heavy negative ions. Planet. Space Sci. 56, 1552–1559.
doi:10.1016/j.pss.2008.07.020
Kirk, A., 2016. Nuclear fusion: bringing a star down to Earth. Contemp. Phys. 57, 1–18.
doi:10.1080/00107514.2015.1037076
Large Helical Device (LHD) Information [WWW Document], n.d. URL http://tempest.das.ucdavis.edu/pdg/LHD.html (accessed 3.31.17).
Lawrence Livermore National Laboratory, n.d. National Ignition Facility [WWW Doc-ument]. URL https://lasers.llnl.gov/about (accessed 2.17.17).
Lee, G.S., Kim, J., Hwang, S.M., Chang, C.S., Chang, H.Y., Cho, M.H., Choi, B.H., Kim, K., Jardin, S., Neilson, G.H., Park, H.K., Reiersen, W., Schmidt, J.,
Young, K., Schultz, J., Sevier, L., Cho, S.Y., Han, J.H., Hur, N.I., Im, K.H., Kim, S., Kim, J.Y., Kyum, M.C., Lee, B.J., Lee, D.K., Lee, S.G., Yang, H.L., Hong, B.G., Hwang, Y.S., Kim, S.H., Kim, Y.J., Lim, J.Y., Namkung, W., Chung, K.H., Choi, D.I., 1999. The design of the KSTAR tokamak. Fusion Eng.
Des. 46, 405–411. doi:10.1016/S0920-3796(99)00032-0
Mansur, L.K., Rowcliffe, A.F., Nanstad, R.K., Zinkle, S.J., Corwin, W.R., Stoller, R.E., 2004. Materials needs for fusion, Generation IV fission reactors and spallation neutron sources – similarities and differences. J. Nucl. Mater., Proceedings of the 11th International Conference on Fusion Reactor Materials (ICFRM-11) 329–333, Part A, 166–172. doi:10.1016/j.jnucmat.2004.04.016
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 2017a. Stellarator [WWW Document]. URL https://www.ipp.mpg.de/14809/entladungen (accessed 4.2.17).
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 2017b. Wendelstein 7-X [WWW Document].
URL http://www.ipp.mpg.de/w7x (accessed 1.15.17).
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, 2016. Wendelstein 7-X: Upgrading after suc-cessful first round of experiments [WWW Document]. URL http://www.ipp.mpg.de/4073918/07_16 (accessed 5.8.17).
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, n.d. Status of research [WWW Document]. URL http://www.ipp.mpg.de/16427/stand (accessed 4.2.17).
Ministry of Employment, 2014. Environmental Impact Assessment Report for a
Nu-clear Power Plant [WWW Document]. URL
https://tem.fi/documents/1410877/2818159/EIA+summary/dae4955e-3b55-4d15-9698-0bee40be892c (accessed 2.4.17).
Mlynár, J., Ripa, M., 2008. 50 years of tokamaks [WWW Document]. EUROfusion.
URL https://www.euro-fusion.org/newsletter/50-years-of-tokamaks/ (accessed 1.22.17).
National Institute for Fusion Science, n.d. Large Helical Device Project [WWW Docu-ment]. URL http://www.lhd.nifs.ac.jp/en/home/lhd.html (accessed 1.22.17).
National Plasma Research Facility, n.d. H-1NF Illustrations [WWW Document]. URL http://people.physics.anu.edu.au/~bdb112/h1nfpic/h1nfpic.old (accessed 4.1.17).
Nuclear Energy Agency, 2006. Advanced Nuclear Fuel Cycles and Radioactive Waste Management - 5990-advanced-nfc-rwm.pdf [WWW Document]. URL https://www.oecd-nea.org/ndd/pubs/2006/5990-advanced-nfc-rwm.pdf (ac-cessed 5.8.17).
Peaceful Uses of Atomic Energy, n.d.
Princeton Pasma Physics Laboratory, 2017. Fusion Basics | Princeton Plasma Physics Lab [WWW Document]. URL http://www.pppl.gov/about/fusion-basics (ac-cessed 5.7.17).
Sartori, F., Tommasi, G. de, Piccolo, F., 2006. The Joint European Torus. IEEE Control Syst. 26, 64–78. doi:10.1109/MCS.2006.1615273
Song, Y., Wu, W., Du, S., 2014. Tokamak Engineering Mechanics.
Stolz, C.J., 2011. The National Ignition Facility: The Path to a Carbon-Free Energy Fu-ture [WWW Document]. Present. R. Soc. Conf. Lond. U. K. Mar 19 - Mar 21 2011. URL http://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc829516/ (accessed 1.19.17).
the ITER Organization, 2017. ITER [WWW Document]. ITER. URL http://www.iter.org (accessed 1.12.17).
United Nations, 2008. Peaceful Uses of Atomic Energy [WWW Document]. URL http://fire.pppl.gov/IAEA08_geneva_50thBooklet.pdf (accessed 3.24.17).
World Nuclear Association, 2017. World Nuclear Association [WWW Document].
URL http://www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/nuclear-fusion-power.aspx (accessed 1.19.17).
World Nuclear News, 2016. Korean fusion reactor achieves record plasma [WWW Document]. URL http://www.world-nuclear-news.org/NN-Korean-fusion-reactor-achieves-record-plasma-1412164.html (accessed 1.19.17).