Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 5

Jaakko Leppänen – 27.6.2023

Teknologian tutkimuskeskus VTT:n kehittämästä LDR-50 -kaukolämpöreaktorista kirjoitettiin tässä blogissa viimeksi kuluvan vuoden tammikuussa. VTT:n hallitus oli juuri myöntänyt hankkeelle mittavan lisärahoituksen vuosille 2023–2024. Investointipäätöksen myötä kehitys pääsi etenemään uuteen vaiheeseen. Kevään aikana kehitystiimin koko on kasvanut 30–40 asiantuntijaan. Työn alla on parhaillaan lähes 200 teknistä suunnitteludokumenttia, jotka käsittelevät reaktorin perustoimintoja, rakenteita ja järjestelmiä. Työhön on osallistunut myös ulkopuolisia alihankkijoita.

LDR-kehitysyhtiö

Edellisen kirjoituksen yhteydessä kerrottiin myös, että vaikka VTT toimii etenkin hankkeen alkutaipaleella teknologian kehittäjänä, vastuu sen kaupallistamisesta siirretään ennemmin tai myöhemmin ulkopuoliselle kehitysyhtiölle. Tänään julkaistussa lehdistötiedotteessa kerrottiin, että LDR-teknologian kehitystä edistämään on perustettu uusi spin-off -yhtiö Steady Energy, joka on juuri aloittanut toimintansa.

Steady Energy on suomalainen osakeyhtiö, jonka perustajilla on vuosikymmenien kokemus kotimaisista ydinenergiahankkeista. VTT jatkaa reaktorin teknistä kehitystä tilaustyönä yhtiön kanssa tehdyn sopimuksen mukaisesti. Myöhemmässä vaiheessa kehitysyhtiöstä tulee LDR-teknologian toimittaja, ja VTT:stä yhtiön tekninen tukiorganisaatio.

Koeohjelman kautta kohti kaupallista käyttöä

Uusi järjestely edistää LDR:n kehittämistä kaupalliseksi teknologiaksi, ja avaa uusia mahdollisuuksia kehityksen rahoittamiseen. Steady Energy käynnistää laajamittaisen koeohjelman, johon kuuluu esimerkiksi suuren mittakaavan sähkölämmitteisen termohydrauliikkakoelaitteiston rakentaminen. Kokeilla todennetaan reaktorin passiivisten jäähdytysjärjestelmien toiminta, sekä näitä kuvaavat laskennalliset mallit, joita kehitetään samanaikaisesti VTT:llä.

Reaktorin luvitusprosessin on määrä alkaa pian meneillään olevan kaksivuotisen perussuunnitteluvaiheen jälkeen. Termohydrauliikkakokeiden tulokset sekä VTT:llä tehtävät laskennalliset turvallisuusanalyysit tulevat osaksi luvitusaineistoa. Ensimmäisen ydinreaktorilla varustetun kaukolämpölaitoksen on määrä valmistua vuosikymmenen vaihteessa, minkä jälkeen teknologia viimeistellään kaupalliseen sarjatuotantoon.

Koska tämän blogin tarkoitus ei ole toimia tiedotuskanavana kaupallisille ydinenergiahankkeille, myöskään LDR-reaktoria ei tulla jatkossa käsittelemään samaan tapaan kuin aikaisemmissa kirjoituksissa. Projektille on perustettu erilliset www-sivut, jotka on käännetty myös englanniksi. Sivustolta löytyy ajankohtainen tieto teknologiasta ja hankkeen etenemisestä, mukaan lukien kohtalaisen kattava FAQ-osio LDR:ään liittyvistä kysymyksistä. Myös Steady Energylle on perustettu omat sivut, joista löytyy tietoa yhtiön toiminnasta.

Zaporižžja taas uutisissa

Jaakko Leppänen – 11.6.2023

Ukrainassa sotatoimialueella sijaitsevan Zaporižžjan ydinvoimalaitoksen tilanteesta on taas uutisoitu aktiivisesti kuluvan viikon aikana. Venäjä räjäytti tiistaina Dnepr-joen varrella sijaitsevan Kahovkan padon, mikä on aiheuttanut tulvia joen alajuoksulla, ja laskenut padon takana olevan tekojärven pintaa. Kahovkan tekojärveä käytetään myös Zaporižžjan ydinvoimalaitoksen jäähdytykseen.

Padon räjäyttämisen vaikutuksesta laitoksen turvallisuustilanteeseen on kerrottu jossain määrin ristiriitaista viestiä. Uutisissa on puhuttu esimerkiksi vaikeasta tilanteesta ja kriittisestä vedenpinnankorkeudesta. Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n tiedotteissa on kuitenkin samaan aikaan kerrottu, ettei tilanteeseen liity välitöntä onnettomuuden uhkaa. Myös Säteilyturvakeskus on ollut IAEA:n kanssa samoilla linjoilla.

Zaporižžjan tilanteesta kirjoitettiin tässä blogissa viime syksynä. Tämä kirjoitus käsittelee osittain samoja asioita, painottuen kuitenkin tuoreimpiin tapahtumiin.

Kuva 1: Kahovkan padon ja Zaporižžjan ydinvoimalan sijainti kartalla. Padon räjäyttäminen on laskenut tekojärven (Kakhovka resevoir) pintaa.

Mihin ydinvoimalaitos tarvitsee jäähdytystä?

Ydinvoimalan sähköntuotanto perustuu höyryturbiinikiertoon. Turbiini on lämpövoimakone, jonka toimintaan liittyy tietty termodynaaminen hyötysuhde. Kaikkea höyryn sisältämää lämpöä ei fysiikan lakien asettamien rajoitteiden vuoksi saada muutettua mekaaniseksi työksi. Perinteisissä ydinvoimaloissa noin kolmannes reaktorin tuottamasta energiasta saadaan ulos sähkön muodossa, ja kaksi kolmasosaa poistuu lämpönä turbiinin lauhduttimeen.

Zaporižžjan ydinvoimalaitoksella on käytössä kuusi sähköteholtaan tuhannen megawatin reaktoriyksikköä. Täydellä teholla toimiessaan jokainen laitosyksikkö tuottaa sähkön lisäksi 2000 megawattia lämpöä. Suurin osa tästä lämpömäärästä päätyy laitoksen edustalla sijaitsevaan jäähdytysaltaaseen, ja sen kautta Kahovkan tekojärveen.ⁱ Kun laitoksen kaikki reaktorit ovat käytössä, hukkalämpöä syntyy 12,000 megawatin teholla. Padon räjäyttämisen jälkeen tällaista lämpömäärää ei enää saada purettua vesistöön, mikä käytännössä estää reaktoreiden käytön sähköntuotantoon.

Laitoksen normaalikäytön osalta tilanne ei ole siinä mielessä muuttunut, että kaikki reaktoriyksiköt ovat olleet sammutettuna jo viime syyskuusta lähtien. Yksiköt 1,2,3,4 ja 6 ajettiin sammuttamisen jälkeen kylmään tilaan. Yksikkö 5 on valmiustilassa, eli reaktori on pysäytetty, mutta nopean käynnistämisen mahdollistamiseksi jäähdytyskierrossa on pidetty painetta yllä. Patoräjäytyksen jälkeen myös viitosyksikkö päätettiin ajaa kokonaan alas, mutta venäläismiehittäjät haluavat pitää reaktorin valmiudessa.

Turbiinin hukkalämpö ei kuitenkaan ole ainoa syy miksi ydinvoimalaitos tarvitsee ulkoista jäähdytystä. Reaktorin polttoaineeseen muodostuu käytön aikana radioaktiivisia aineita. Lyhytikäisten isotooppien hajoamisen yhteydessä vapautuu paljon energiaa, joka lämmittää polttoainetta vielä reaktorin sammuttamisen jälkeen. Tämä polttoaineen jälkilämpö on yksi merkittävimmistä reaktoriturvallisuuteen vaikuttavista tekijöistä.

Jälkilämmön vuoksi myös sammutettu reaktori tarvitsee jäähdytystä. Tarve kuitenkin vähenee ajan myötä (Kuva 2). Yhdeksän kuukautta sammutettuna olleet reaktorit Zaporižžjassa tuottavat jälkilämpöä enää noin yhden megawatin teholla. Koko laitoksen jäähdytystarve jäänee reiluun kymmeneen megawattiin. Tämä on murto-osa siitä tuhansien megawattien hukkalämmöstä, jolle laitoksen jäähdytysaltaan kapasiteetti on normaalikäytön tarpeita silmällä pitäen mitoitettu.

Samasta syystä järven vedenpinnankorkeuden laskun ei uskota ainakaan välittömästi uhkaavan reaktoreiden jäähdytystä. Jäähdytysaltaalla on pituutta yli kolme ja leveyttä kaksi ja puoli kilometriä (kuva 3). Tällainen vesimäärä pystyy helposti vastaanottamaan reaktoreiden jälkilämmön, vaikka virtaus tekojärveen vedenpinnankorkeuden laskun myötä katkeaisi.

Kuva 2: Sähköteholtaan tuhannen megawatin ydinreaktorin tuottama jälkilämpö reaktorin sammuttamisen jälkeen. Zaporižžjassa reaktorit ovat olleet sammutettuna yhdeksän kuukauden ajan.

Kuva 3: Google Maps -sateliittikuva Zaporižžjan ydinvoimalaitosalueesta. Laitosyksiköt ovat rivissä jäähdytykseen käytetyn altaan itärannalla.

Onko edessä uusi Tšernobyl?

Zaporižžjaa käsittelevissä uutisissa nostetaan usein esille vuonna 1986 tapahtunut Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus, jossa reaktori tuhoutui räjähdysmäisesti päästäen ilmaan suuren määrän radioaktiivisia aineita. Vaikka molemmat ydinvoimalaitokset sijaitsevat Ukrainassa, todellisia yhtäläisyyksiä Zaporižžjan tilanteen ja Tšernobylin onnettomuuden välillä ei juurikaan ole.

Tšernobylissä oli pohjimmiltaan kyse RBMK-reaktorityypille ominaisesta epästabiilista toimintatilasta, minkä vuoksi reaktorin fissioteho pääsi karkaamaan hallitsemattomaan kasvuun rutiininomaisen turbiinikokeen yhteydessä. Vastaavaa ongelmaa ei muilla nykyisin käytössä olevilla reaktorityypeillä ole, eikä esimerkiksi jäähdytyksen keskeytyminen saa reaktoria räjähtämään.

Tšernobylin onnettomuutta on käsitelty yksityiskohtaisesti aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

Entä uusi Fukushima?

Vuonna 2011 tapahtunut Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus sai alkunsa luonnonkatastrofista. Ydinvoimalaitos menetti maanjäristyksen seurauksena yhteyden ulkoiseen sähköverkkoon. Tuntia myöhemmin laitosalueelle iskenyt korkea tsunamiaalto tuhosi sähkönsyötön varajärjestelmät, jättäen laitoksen täysin ilman käyttövoimaa. Tilanne johti seuraavien vuorokausien kuluessa vakavaan sydämensulamisonnettomuuteen kolmella laitosyksiköllä.

Onnettomuuden perimmäinen syy oli jälkilämmönpoistoon tarkoitettujen järjestelmien toimimattomuus. Yksikään tuhoutuneista reaktoreista ei tuottanut onnettomuuden kuluessa fissiotehoa, mutta koska radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuvaa lämpöä ei saatu siirrettyä ulos, seurauksena oli lopulta polttoaineen ylikuumeneminen ja sulaminen.

Myös Zaporižžjassa suurimmat riskit liittyvät sähkötoimisten jälkilämmönpoistojärjestelmien menetykseen. Sodan aikana laitos on jo seitsemään otteeseen irronnut ulkoisesta sähköverkosta. Vaikka osa tapauksista on päätynyt uutisiin suurin otsikoin, häiriötilanteiden varalle suunnitellut järjestelmät ovat joka kerta toimineet ilman ongelmia. Varavoimaa tuottavat dieselgeneraattorit ovat kuitenkin laitoksen heikko kohta, sillä niiden suunnittelussa ei ole varauduttu sotilaalliseen hyökkäykseen.

Vaikka Zaporižžjan ydinvoimalaitos jäisi kokonaan ilman sähköä, onnettomuuden lähtötilanne ei silti enää olisi sama kuin Fukushimassa. Reaktorit ovat jäähtyneet jo yhdeksän kuukauden ajan, eli jälkilämmön taso on huomattavasti matalampi kuin Fukushimassa, missä jäähdytyskierto menetettiin tunnin kuluttua sammutuksesta (kts. Kuva 2).ⁱⁱ

Zaporižžjan ydinvoimalaitos on edelleen sotatoimialueella ja venäläismiehittäjien käsissä. Tilanne on arvaamaton, eikä siihen liittyviä riskejä ole syytä vähätellä. Merkittävimmät uhkatekijät liittyvät kuitenkin edelleen sotilaalliseen toimintaan itse laitosalueella, eikä Kahovkan padon räjäyttäminen tätä tilannetta todennäköisesti tule muuttamaan. Siinä mielessä teko on kuitenkin huolestuttava, että se on jälleen uusi osoitus Venäjän sotilasjohdon välinpitämättömästä suhtautumisesta kansainvälisiä sopimuksia ja siviiliväestön turvallisuutta kohtaan.

---

ⁱ⁾ Zaporižžjassa tuotetaan myös kaukolämpöä läheisen Enerhodarin kaupungille, mutta kaukolämpöverkkoon päätyy enimmilläänkin vain murto-osa laitoksen tuottamasta hukkalämmöstä.

ⁱⁱ⁾ Jos ydinvoimalaonnettomuudesta aiheutuu radioaktiivinen päästö ympäristöön, väestölle suurimman säteilyriskin muodostaa tavallisesti jodin radioaktiivinen I-131 -isotooppi. Jodi hajoaa kahdeksan päivän puoliintumisajalla, eli yhdeksän kuukautta sitten sammutetuissa reaktoreissa sen määrä on jo ehtinyt pudota olemattomiin. Tilanne Zaporižžjassa poikkeaa siis myös tältä osin Tšernobylistä ja Fukushimasta.

Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 4

Jaakko Leppänen – 24.1.2023

Suomalaisen LDR-50 -kaukolämpöreaktorin tarina etenee. Reaktoria kehittävä VTT teki vuodenvaihteen tienoilla päätöksen investoida hankkeeseen viisi miljoonaa euroa vuosina 2023–2024. Asiasta kerrottiin viime viikon tiistaina julkaistussa lehdistötiedotteessa. Valmista ydinreaktoria ei tällä rahalla vielä saa, mutta lisäinvestointi mahdollistaa kehitykseen suunnattujen resurssien moninkertaistamisen. Reaktorin suunnittelutiimin koko kasvaa reippaasti, ja työtä laajennetaan myös VTT:n ulkopuolelle.

Tämän blogin edellisessä kirjoituksessa kerrottiin laajemmin Suomessa meneillään olevista pienreaktorihankkeista. VTT:n LDR-50 on yksi näistä. Reaktoria on käsitelty myös aikaisemmissa blogikirjoituksissa (osa 1, osa 2, osa 3). Tässä kirjoituksessa käydään läpi hankkeen jatkosuunnitelmia, sekä yritetään maalata kuvaa siitä, miltä suomalainen ydinkaukolämpölaitos voisi ihan konkreettisesti näyttää.

Kehityksen kolme vaihetta

Uusien teknologioiden kehityksessä pitkään kestävät suunnitteluhankkeet jaetaan tavallisesti kolmeen vaiheeseen: konseptisuunnittelu, perussuunnittelu sekä toteutussuunnittelu. Terminologia ja rajanveto eri vaiheiden välillä voivat vaihdella tapauskohtaisesti, mutta taustalla oleva ajatus on, että alkuperäisen innovaation pohjalta teknologiaa lähdetään kehittämään vaihe kerrallaan eteenpäin. Kehityksen edetessä työ laajenee ja suunnitelmat täsmentyvät. Ydinenergiahankkeissa merkittävässä roolissa on myös luvitus, joka varsinaisen teknisen suunnittelun tapaan on monivaiheinen ja paljon aikaa vievä prosessi.

VTT:n kaukolämpöreaktorihankkeen ensimmäinen vaihe käynnistyi keväällä 2020. Suunnittelun tavoitteeksi otettiin Suomen tarpeisiin räätälöity pienreaktori, joka suurimpien kaupunkien lisäksi voisi palvella myös pienempien kuntien kaukolämpöverkkoja. Suomen lisäksi kaukolämpö on yleinen lämmitysmuoto Ruotsissa, Baltian maissa sekä itäisessä Euroopassa, missä kiinnostus ydinvoimaa kohtaan on laajemminkin kasvussa. Perinteisistä ydinvoimalaitoksista poiketen reaktori suunniteltiin tuottamaan ainoastaan lämpöä, eli prosessiin ei kuulu minkäänlaista turbiinikiertoa tai sähköä tuottavaa generaattoria.

Kehitykselle asetettiin jo hankkeen alkuvaiheessa joukko tavoitteita. Teknologiariskien pienentämiseksi reaktorin suunnittelussa haluttiin hyödyntää mahdollisimman yksinkertaista ja hyvin tunnettua tekniikkaa. Esimerkiksi polttoainekierto suunniteltiin yhteensopivaksi suomalaisen ydinjätteen loppusijoitusratkaisun kanssa.

Yksinkertaisuus näkyy myös reaktorin rakenteessa. Primääriseen jäähdytyskiertoon ei kuulu lainkaan sähkötoimisia pumppuja, vaan vesi kiertää reaktoriastian sisällä lämpötilaeron vaikutuksesta. Myös turvallisuussuunnittelussa hyödynnetään sähköstä, automaatiosta ja ohjaajien toiminnasta riippumatonta passiivista teknologiaa.

Suunnittelua helpottavat osaltaan reaktorin vaatimattomat toimintaolosuhteet. Kuuma vesi syötetään kaukolämpöverkkoon alle 120°C lämpötilassa, minkä vuoksi myös reaktorin käyttölämpötila on paljon tavanomaista matalampi. Tämä vaikuttaa ratkaisevasti reaktorin paineistukseen. Sähköntuotantokäyttöön suunniteltu EPR-reaktori Olkiluodossa toimii 155 baarin paineessa. Kaukolämpöreaktorin käyttöpaine on korkeimmillaankin alle kymmenesosa tästä.

Matalampi käyttöpaine näkyy esimerkiksi reaktorin paineastioiden seinämävahvuuksissa. Polttoainetta ja muita ydinteknisiä osia lukuun ottamatta reaktorin komponentit suunnitellaan siten, että ne voitaisiin valmistaa kotimaisissa konepajoissa.

Suunnittelun ensimmäisen vaiheen tuloksena syntyi kaukolämpöreaktorin peruskonsepti, joka oli laskennallisin analyysein todettu turvalliseksi ja toimivaksi. Teknologia sai nimilyhenteen LDR, joka tulee sanoista ”Low-temperature District heating Reactor”.ⁱ Konseptisuunnitteluvaiheen kuluessa keskusteluja jatkokehityksestä käytiin erilaisten sidosryhmien, kuten ydinenergia-alan toimijoiden, lämpöenergian loppukäyttäjien sekä valmistavan teollisuuden yritysten kanssa.

VTT:n lisäinvestoinnin myötä työ etenee konseptitasolta perussuunnittelun vaiheeseen. Kehitys laajenee reaktorista ja siihen kytkeytyneistä järjestelmistä ulospäin, kattaen esimerkiksi lämmityslaitoksen rakennesuunnittelun sekä reaktorin päivittäiseen käyttöön ja määräaikaishuoltoihin liittyvät toiminnot ja apujärjestelmät. Kaksivuotisen hankkeen päätteeksi suunnitteluaineisto alkaa olla sisällöllisesti riittävän kattava luvitusprosessin käynnistämiseksi. Laskennallisten analyysien tueksi tarvitaan myös termohydraulisia kokeita, joiden suunnittelu ja valmistelu ovat osa hankkeen sisältöä.

Merkittävä osa suunnittelutyöstä tullaan tekemään yhdessä ulkopuolisten partnerien kanssa. Tästä yhteenliittymästä muodostetaan itsenäinen kehitysyhtiö, jonka vastuulle teknologia siirtyy viimeistään kehityskaaren kolmannessa, eli toteutussuunnittelun vaiheessa. Luvitusprosessi ja teknisen suunnittelun viimeistely kestävät vielä tämän jälkeen useita vuosia. Ensimmäinen demonstraatiolaitos voisi valmistua vuosikymmenen vaihteessa, minkä jälkeen teknologia valmistellaan kaupalliseen sarjatuotantoon.

3D-visualisointi suunnittelun tukena

Aikaisemmissa VTT:n kaukolämpöreaktoria käsittelevissä blogikirjoituksissa on esitelty reaktorin perustoimintoja sekä suunnitteluun käytettyjä laskennallisia menetelmiä. Viihdeteollisuuden maalaamista mielikuvista poiketen numeeristen analyysien parissa työskentelevät insinöörit eivät tavallisesti pyörittele näytöllään kauniita 3D-malleja, jotka kertovat käyttäjälle reaaliaikaisesti ja selväsanaisesti systeemin tilan. Käyttöliittymä voi pohjata esimerkiksi vuokaavioihin, taulukoihin tai jopa pelkkiin tekstitiedostoihin, ja simulaation tuottamat tulokset pitää erikseen prosessoida graafiseen muotoon.ⁱⁱ

Realistiset CAD-pohjaiset 3D-mallit voivat kuitenkin helpottaa huomattavasti suunnittelutyötä jo varhaisessa vaiheessa luomalla visuaalisen mielikuvan siitä, miltä eri järjestelmien komponentit näyttävät, ja miten hyvin ne esimerkiksi muotonsa ja kokonsa puolesta sopivat käytettävissä olevaan tilaan. Tällaisten mallien luomiseen on olemassa tehokkaita työkaluja, joilla voidaan suhteellisen pienellä vaivalla tuottaa lähes fotorealistisia kuvia.

Myös tähän visuaaliseen puoleen on VTT:n kaukolämpöreaktorin suunnittelussa kiinnitetty viime vuosina enemmän huomiota. Seuraavassa esitellään muutamia konseptisuunnitteluvaiheen kuluessa syntyneitä 3D-malleja. Graafinen esitystapa on kiinnostanut myös mediaa.

Reaktorin polttoaine

Edellä todettiin, että reaktorin polttoainekierto on suunniteltu yhteensopivaksi suomalaisen ydinjätteen loppusijoitusratkaisun kanssa. LDR-50 toimii saman tyyppisellä matalasti väkevöidyllä uraanipolttoaineella kuin Olkiluodon uusi EPR-laitos. Polttoaineena käytettävä uraanioksidi on pieninä pelletteinä tiiviiden metallisten suojakuoriputkien sisällä. Näitä polttoainesauvoja on koottu yhteen polttoainenippuun 264 kappaletta. Reaktoriin ladatut niput muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Polttoaineniput ovat rakenteeltaan muuten samanlaisia kuin EPR:ssä, mutta niiden korkeus on lyhennetty noin neljästä metristä reiluun metriin. EPR:ssä polttoainenippuja on yhteensä 241 kappaletta, LDR-50:ssä 37.

Kuva 1: LDR-50 reaktorin polttoainenippu. Kuvaan on piirretty jakkara antamaan käsitystä mittakaavasta.

Kuva 2: Uraanipolttoaine koostuu pienistä pelleteistä, jotka on suljettu metallikuoristen kaasutiiviiden polttoainesauvojen sisälle.

Reaktorimoduuli

Reaktorin rakennetta ja passiivista jäähdytyskiertoa käsiteltiin yksityiskohtaisemmin vajaan kahden vuoden takaisessa blogikirjoituksessa, josta löytyy myös muutama toimintaperiaatetta havainnollistava kuva. Reaktoriyksikön dimensiot ovat suunnittelun edetessä muuttuneet melkoisesti, esimerkiksi käyttölämpötilan optimoinnin myötä. Moduulin korkeudesta on lähtenyt lähes kymmenen metriä pois.

Perusrakenne on kuitenkin säilynyt samana. Reaktorimoduuli koostuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta, jotka on upotettu lämpönieluna toimivaan suureen vesialtaaseen. Normaalissa toimintatilassa lämpö siirtyy reaktoriastian sisältä lämmönvaihtimien kautta välipiiriin, ja sieltä edelleen kaukolämpöverkkoon. Reaktori toimii tässä tilassa ikään kuin lämpöä eristävän termospullon sisällä, eli lämpöhäviöt altaaseen jäävät pieniksi.

Aktiivisen jäähdytyskierron häiriintyessä lämpötila reaktoriastian sisällä alkaa nousta, mikä käynnistää passiivisen lämmönsiirron altaaseen. Jäähdytys perustuu sisemmän reaktori- ja ulomman suoja-astian välisessä tilassa olevan veden kiehumiseen ja höyryn lauhtumiseen. Järjestelmään ei kuulu lainkaan pumppuja, venttiileitä tai muitakaan mekaanisia liikkuvia osia.

Kuva 3: Reaktorimoduuli muodostuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta: sisemmästä reaktoriastiasta ja ulommasta suoja-astiasta. Koottuna moduuli on kooltaan noin pystyyn nostetun bussin kokoinen.

Kuva 4: Reaktorimoduuli upotettuna lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen. Häiriötilanteessa reaktorin sydämessä muodostuva lämpö siirtyy passiivisesti altaan veteen.

Kuva 5: Reaktoriin ladataan uutta polttoainetta noin kahden vuoden välein. Käyttöikänsä päähän tulleet polttoaineniput siirretään samaan vesialtaaseen sijoitettuun telineeseen jäähtymään. Voimakkaasti radioaktiivinen käytetty polttoaine loistaa vedessä sinistä Tšerenkovin säteilyä.

Ydinkaukolämpölaitos

Yksittäisen LDR-50 -reaktorimoduulin lämpöteho on 50 megawattia, mikä riittää pienempien kaukolämpöverkkojen tarpeisiin. Teknologia on kuitenkin suunniteltu modulaariseksi siten, että lämmityslaitos voi koostua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä. Tuotanto saadaan näin skaalattua palvelemaan myös suurempia verkkoja. Kahdesta, neljästä tai kuudesta LDR-50 -reaktoriyksiköstä muodostuva laitos vastaisi kapasiteetiltaan tyypillistä nykyisin käytössä olevaa kaukolämpölaitosta.

Yleisestä käsityksestä poiketen pienreaktorilaitokset eivät ole fyysiseltä kooltaan erityisen pieniä, vaan pienuus liittyy enemmän reaktoriyksikön kokoon. Ydinkaukolämpölaitos kaikkine järjestelmineen vaatii sijoituspaikakseen pientä tai keskikokoista teollisuuslaitosta vastaavan tontin.

LDR-50 -lämmityslaitoksen rakennesuunnittelu kuuluu varsinaisesti vuodenvaihteessa käynnistyneeseen perussuunnittelun vaiheeseen. Laitoksen kokoa ja ulkoasua on kuitenkin hahmoteltu jo konseptivaiheessa. Reunaehtoina on käytetty reaktorialtaan mittoja, sekä arvioita laitoksen muiden järjestelmien vaatimasta tilasta. Havainnekuvia on tehty useammasta laitosversiosta.

Kuva 6: Kahdesta LDR-50 -reaktoriyksiköstä muodostuva kaukolämpölaitos. Reaktoriyksiköiden vesialtaat on sijoitettu suuren betonirakennuksen sisälle maanpinnan tason alapuolelle. Laitoksen muut järjestelmät sijaitsevat reaktorirakennuksen vieressä olevassa apurakennuksessa, sekä näiden välissä olevassa maanalaisessa tilassa. Paremman käsityksen laitoksen mittasuhteista saa mallin pohjalta laaditusta videosta.

Kuva 7: Tuoreemmassa havainnekuvasarjassa reaktorirakennus muodostuu esivalmistetuista betonikaarista. Tässä laitosversiossa reaktoriyksiköitä on neljä. Myös tästä laitosmallista on tehty rakennetta selventävä video.

Sijoitus maan alle

Molemmissa edellisissä laitoskonfiguraatioissa reaktoriyksiköt on sijoitettu maan päällä olevan reaktorirakennuksen sisälle. Reaktorit voitaisiin kuitenkin sijoittaa myös maan alle louhittuun kallioluolaan, tai käytöstä poistettuun varastosiiloon.

Maanalaisen sijoituksen etuna on erityisesti luontainen suoja ulkoisia uhkia, kuten lentokonetörmäyksiä vastaan. Maan pinnalle rakennetussa laitoksessa vastaava suojaus edellyttää paksuja betoniseiniä. Rakentaminen voitaisiin toteuttaa myös siten, että reaktoriyksiköt ja niihin suoraan kytkeytyvät järjestelmät sijoitetaan maan alle, ja muut toiminnot maanpäällisiin tiloihin.

Kuva 8: Havainnekuva laitosmallista, jossa edellisen kuvasarjan reaktorirakennus on sijoitettu maan alle louhittuun tunneliin.

Kuva 9: Tässä sijoitusvaihtoehdossa kolme reaktoriyksikköä on asennettu pyöreään kalliosiiloon. Kuvista on jätetty pois mm. reaktoriyksiköille yhteinen latauskone, joka sijoittuisi keskellä olevan korokkeen päälle.

Ydinkaukolämpö kiinnostaa

Ajatus uuden, puhtaasti lämmöntuotantoon tarkoitetun ydinreaktorin kehityksestä saattaa tuntua erikoiselta, mutta vähäpäästöiselle lämmölle on tulevaisuudessa hyvinkin konkreettinen tarve.ⁱⁱⁱ Rakennemuutokset liikenne-, teollisuus- ja lämmityssektoreilla tulevat joka tapauksessa kasvattamaan sähkön kokonaiskulutusta huomattavasti, joten sähköstä riippumattomien rinnakkaisten ratkaisujen kehitys on varsin hyvin perusteltavissa. Lämmitykseen käytettäviä fossiilisia polttoaineita voidaan ensi alkuun korvata bioenergialla, mutta myös biomassalle löytyy tulevaisuudessa paljon muutakin käyttöä.

Ydinenergian käyttö lämpöenergian tuotantoon tavallaan vapauttaa sähköä ja raaka-aineita arvokkaampiin käyttökohteisiin, joissa keinovalikoima on jo lähtökohtaisesti rajallisempi. Kyse on myös huoltovarmuudesta. Ydinkaukolämmön kustannukset eivät riipu pörssisähkön hintavaihteluista, minkä lisäksi tuotannon luotettavuutta lisää se, että reaktoreiden polttoainetta voidaan varastoida laitospaikalle vuosien tarpeiksi.

Myös lämpöenergian loppukäyttäjät ovat heränneet ydinkaukolämmön mahdollisuuksiin. VTT ja LUT-yliopisto tekivät Lappeenrannan kaupungin ja 11 energiayhtiön tilauksesta aihetta käsittelevän selvityksen syksyllä 2022.^iv Projekti toteutettiin osittain haastattelututkimuksena, jossa kartoitettiin kunnallisten kaukolämpöyhtiöiden tarpeita, sekä näkemyksiä vuosikymmenen vaihteen paikkeille sijoittuvista energiaratkaisuista. Osallistumisaktiivisuus yllätti myös tutkimuksen tekijät.

Ydinenergia nähtiin kustannusten ja ympäristövaikutusten osalta houkuttelevaksi vaihtoehdoksi, joka bioenergian ja lämpöpumppujen rinnalla lisäisi myös tuotannon monimuotoisuutta. Haasteiksi katsottiin kokemuksen puute sekä teknologiaan liittyvät epävarmuudet. Suomessa ydinenergiantuotanto on perinteisesti ollut Fortumin ja TVO:n kaltaisten suurten energiayhtiöiden toimintaa, joka edellyttää alan erityisosaamista. Kaukolämmöntuotantoon parhaiten soveltuva reaktoriteknologia vaatii yksinkertaisuudestaan huolimatta vielä vuosien kehitystyön.

Suomalaisesta kaukolämpöreaktorista voisi 2030-luvulla tulla paitsi merkittävä ratkaisu kotimaisen lämmöntuotannon kasvihuonekaasupäästöjen leikkaamiseen, myös arvokas vientituote. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi teknologian ja liiketoimintamallien kehittämiseen sekä viranomaistyöhön on kuitenkin kohdistettava mittavia panostuksia. VTT:n tekemä viiden miljoonan euron lisäinvestointi on yksi näistä.

Viime viikolla julkaistiin myös Imatran, Kuopion, Lappeenrannan, Porin ja Tampereen kaupunkien energiayhtiöiden allekirjoittama, tulevalle hallitukselle osoitettu julkilausuma, jossa toivottiin valtiovallan tukea ydinkaukolämmön käyttöönoton edistämiseksi. Konkreettisiksi keinoiksi ehdotettiin pilottihankkeen rahoittamista, kansallista pienydinvoimastrategiaa, sekä pienydinvoimaloita koskevan lainsäädännön uudistamista.^v Aiheesta on kirjoitettu pitkä juttu myös YLE:n uutisiin.

---

ⁱ⁾ Nimilyhenteen D-kirjain voi viitata myös termiin ”Desalination”, joka tarkoittaa makean juoma- ja/tai kasteluveden valmistusta suolaisesta merivedestä. Reaktorin käyttölämpötila soveltuu sellaisenaan tiettyihin suolanpoistoon käytettyihin prosesseihin.

ⁱⁱ⁾ Poikkeuksena tähän ovat CAD-pohjaisia 3D-malleja hyödyntävät ohjelmistot, joita käytetään esimerkiksi lujuus- ja virtauslaskennassa. Tällöinkään laskenta ei tapahdu reaaliaikaisesti käyttäjän käännellessä mallia näytöllä.

ⁱⁱⁱ⁾ Ajatus ydinenergian käytöstä kaukolämmöntuotantoon ei sinänsä ole uusi, sillä aihe oli pinnalla öljykriisien jälkeisenä aikana 1970-1980 -luvuilla. Historiallista näkökulmaa on sivuttu myös ydinkaukolämpöä yleisemmin käsittelevässä blogikirjoituksessa reilun neljän vuoden takaa. Ruotsalais-suomalaista SECURE-hankkeesta on kirjoitettu esimerkiksi Suomen Atomiteknillisen Seuran ATS Ydintekniikka -lehden numeroissa 2/2012 ja 3/2012.

^iv) Työn tilaajina olivat Lappeenrannan Energia Oy, Lahti Energia Oy, Tampereen sähkölaitos Oy, Oulun Energia Oy, Kuopion Energia Oy, Alva Oy (Jyväskylä), Pori Energia Oy, Imatran Lämpö Oy, Rauman Energia Oy, Fortum Power and Heat, Helen Oy, sekä Lappeenrannan Kaupunki.

^v) Nykyinen ydinenergialainsäädäntö ei estä pienreaktoreiden rakentamista, mutta viranomaisvaatimukset eivät myöskään huomioi kaikkia uuden teknologian etuja ja erityispiirteitä. Tätä aihetta on sivuttu myös edellisessä blogikirjoituksessa.

Pienreaktorit ja Suomi

Jaakko Leppänen – 28.12.2022

Ydinvoima on ollut syksyn mittaan viikoittain uutisissa. Aiheet eivät ole liittyneet ainoastaan Olkiluoto kolmosen syöttövesipumppujen juoksupyörien säröihin, vaan myös pienreaktorit, ydinkaukolämpö sekä ydinenergian muut uudet käyttökohteet ovat olleet vahvasti esillä. Uutta uutisissa on ollut myös se, että ydinenergian loppukäytön lisäksi Suomi on alettu näkemään myös potentiaalisena teknologiakehittäjänä.

Huomio on keskittynyt kolmeen pienreaktorihankkeeseen, joista kaksi on suunniteltu kaukolämmöntuotantoon, ja kolmas tuottamaan sähköä ja lämpöä erityisesti teollisuuden tarpeisiin. Tilanne ei ole ollut viestinnän kannalta aivan ideaalinen. Erityisesti kaukolämpöreaktoreihin liittyvissä jutuissa tekniikka ja tekijät ovat menneet toimittajilta helposti sekaisin. Yritän tässä blogikirjoituksessa selventää, mistä näissä projekteissa on kyse, ja mitä muita aiheita pienreaktorikeskusteluun on kuluneen vuoden aikana noussut.

Kolme teknologiaa: LUTHER, LDR-50 ja MMR

Lappeenrannan-Lahden teknillisessä yliopistossa (LUT) aloitettiin vuonna 2019 kehittämään kaukolämmöntuotantoon tarkoitettua kanavatyyppistä LUTHER-reaktoria. Kaikissa uutisissa, joissa on kerrottu Lappeenrannassa kehitettävästä pienreaktorista, on ollut kyse juuri LUTHER:ista.

Teknologian tutkimuskeskus VTT käynnisti oman kaukolämpöreaktorihankkeensa hieman myöhemmin, helmikuussa 2020. Reaktorikonsepti oli pitkään vailla nimeä, mutta teknologiasta on sittemmin alettu käyttämään kirjainyhdistelmää LDR, ja 50 megawatin reaktoriyksiköstä vastaavasti nimeä LDR-50. Lyhenne tulee sanoista ”Low-temperature District heating Reactor”.ⁱ Tässä blogissa on käsitelty aikaisemmin juuri LDR-50 -hankkeen etenemistä (osa 1, osa 2, osa 3).

Yhtäläisestä käyttötarkoituksesta huolimatta LUTHER ja LDR-50 poikkeavat teknisen toteutuksen osalta huomattavasti toisistaan. Kyse ei myöskään ole ollut VTT:n ja LUT-yliopiston yhteisistä hankkeista. Molemmat organisaatiot ovat osallistuneet kymmenen muun partnerin kanssa pienreaktoritutkimukseen esimerkiksi Business Finlandin rahoittamassa EcoSMR-ekosysteemiprojektissa, mutta varsinainen kehitystyö on tehty itsenäisesti ja omalla rahoituksella.

Kolmas pienreaktorihanke julkistettiin vain muutama viikko takaperin, kun LUT-yliopisto ilmoitti allekirjoittaneensa amerikkalaisen Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) -yhtiön kanssa yhteisymmärrysmuistion, jossa on asetettu tavoitteeksi rakentaa Lappeenrantaan korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen reaktori. Yhtiö kehittää Micro Modular Reactor (MMR) -nimellä kulkevaa teknologiaa. LUT:in projektin tapauksessa kyse olisi tutkimus-, koulutus- ja demonstraatiokäyttöön hankittavasta 15 megawatin reaktorista.

Yhtiö on tehnyt aikaisemmin vastaavan alustavan sopimuksen yhdysvaltalaisen University of Illinoisin kanssa. Yksityisellä puolella erinäisiä sopimuksia on tehty myös Kanadaan ja Puolaan. USNC on yksi pisimmälle edenneistä pienreaktorikehittäjistä maailmalla, ja MMR-teknologian läpikäynti ansaitsisi oman blogikirjoituksensa.

Kuva 1: Ultra Safe Nuclear Corporationin (USNC) kehittämä Micro Modular Reactor (MMR) -reaktori. Lähde: USNC.

Kuva 2: LUT-yliopiston kehittämä LUTHER-kaukolämpöreaktori. Lähde: LUT.

Kuva 3: VTT:n kehittämä LDR-50 kaukolämpöreaktorilaitos (neljä yksikköä). Lähde: VTT.

Tarvitaanko Suomeen uusia reaktorityyppejä?

LUT-yliopisto on ollut viime vuosina vaitonainen LUTHER-hankkeen edistymisestä, eikä kaukolämpöreaktorin jatkokehitykseen otettu kantaa myöskään USNC-yhteistyön julkistamisen yhteydessä. VTT:n LDR-50 -reaktorin kehitys on kuitenkin etenemässä, eli Suomeen kaavaillaan parhaillaan perinteisten sähköä tuottavien ydinvoimalaitosten rinnalle reaktoreita, jotka toimisivat tavallista matalammassa ja korkeammassa lämpötilassa. Mutta minkälaisiin konkreettisiin tarpeisiin nämä teknologiat sitten vastaavat?

Neljä vuotta takaperin tässä blogissa käsiteltiin ydinenergian roolia ilmastonmuutoksen torjunnassa. Energia- ala on sittemmin kokenut melkoisia mullistuksia, mutta kirjoituksen pääteesit pätevät edelleen. Suomelle asetettuja ilmastotavoitteita on mahdoton saavuttaa ainoastaan puhdasta sähköntuotantokapasiteettia lisäämällä, sillä tuotanto perustuu jo nykyisellään lähes 90%:sti vähähiilisiin energiamuotoihin. Lämmityksessä ja teollisuudessa sen sijaan käytetään edelleen paljon fossiilisia polttoaineita, joista luopuminen edellyttää huomattavasti suurempia rakennemuutoksia.

Kuten edellä todettiin, USNC:n kehittämä MMR on tyypiltään korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen reaktori. Yleisellä tasolla teknologiasta käytetään myös kirjainyhdistelmää HTGR (High-Temperature Gas-cooled Reactor). Perinteisen vesijäähdytyksen sijaan reaktori käyttää jäähdytteenään kaasumaista heliumia. Käyttölämpötila voidaan nostaa 600°C yläpuolelle, joka toisaalta parantaa turbiinikierron hyötysuhdetta, mutta toisaalta mahdollistaa myös lämpöenergian käytön sellaisiin sovelluksiin, joihin perinteisen kevytvesireaktorin tuottama n. 300-asteinen höyry ei riitä.

Ydinenergian tapauksessa korkean lämpötilan sovelluksilla tarkoitetaan kaikkein tavallisimmin vedyntuotantoa. Vetytaloudesta ja vetyautoista puhutaan paljon erilaisten tulevaisuusskenaarioiden yhteydessä, mutta kyse on todellisuudessa paljon muustakin.

Vety on tärkeä raaka-aine, jota kuluu valtavia määriä esimerkiksi lannoiteteollisuudessa käytettävän ammoniakin valmistukseen. Vielä tällä hetkellä vetyä valmistetaan lähes yksinomaan fossiilisista polttoaineista, erityisesti maakaasusta. Venäjän hyökkäys Ukrainaan aiheutti Euroopassa energiakriisin, joka on näkynyt selvimmin sähkön hinnan kallistumisena. Pohjimmiltaan kyse on kuitenkin paljon laajemmasta ja vakavammasta ongelmasta, joka heijastuu koko energiasektoriin. Venäläinen maakaasu kytkeytyy vedyn, ammoniakin ja lannoiteteollisuuden kautta myös ruoantuotannon huoltovarmuuteen.

Monessa Euroopan maassa myös lämmitys nojaa pitkälti venäläiseen maakaasuun. Suomi on tässä suhteessa paremmassa asemassa, mutta fossiilisten polttoaineiden korvaaminen on lämmityssektorilla silti todellinen haaste. Lämpöpumput ovat nopeasti yleistyvää teknologiaa, mutta niiden tuotantokustannukset kytkeytyvät epävarmaan sähkön hintaan. Bioenergian laajamittaista käyttöä on alettu yhä enemmän kyseenalaistaa luonnon monimuotoisuuteen liittyviin tekijöihin vedoten. Myöskään pilottihankkeina käynnistetyt geolämpökokeilut eivät ole kyenneet lunastamaan antamiaan lupauksia.

Ydinenergian käyttö kaukolämmöntuotantoon on ollut enemmän tai vähemmän esillä viitisen vuotta. Ennen VTT:n oman reaktorihankkeen käynnistymistä aihetta käsiteltiin tässä blogissa yleisemmästä ja historiallisesta näkökulmasta. Perinteisestä valtakunnallisesta ydinenergiakeskustelusta poiketen keskustelua ydinkaukolämmöstä on käyty erityisesti kunnallisella tasolla.

Kilpailevaa vai toisiaan täydentävää teknologiaa?

Ydinenergialle olisi siis selvästi käyttöä myös perinteisen sähköntuotannon ulkopuolella, mutta eikö teollisuus- ja lämmityssektorin tarpeita voisi tyydyttää yhdellä ja samalla reaktoriteknologialla? VTT:n LDR-50 -reaktori ei käyttölämpötilansa puolesta sovellu useimpiin teollisuusprosesseihin, mutta USNC:n MMR pystyisi kyllä tuottamaan lämmintä vettä myös kaukolämpöverkkoihin. Kilpailevatko nämä kaksi reaktoriratkaisua siis osittain samoista markkinoista?

VTT:n reaktorin ainoa tarkoitus on lämmittää vettä reilun sadan asteen lämpötilaan niin yksinkertaisella, luotettavalla ja turvallisella teknologialla, kuin vain suinkin mahdollista. Tähän käyttötarkoitukseen ei teknologiaharppauksia tai kvanttihyppyjä vaadita. LDR-50:n suunnittelu nojaakin hyvin pitkälti ratkaisuihin, joista on ydinenergia-alalla lähes 70 vuoden kokemus. Yksi Suomen kannalta merkittävä tekijä on polttoainekierto. Reaktori toimisi tavallisella painevesireaktorin polttoaineella, jonka hankintaketjuun ja loppusijoitukseen löytyy valmiita esimerkkejä Loviisasta ja Olkiluodosta.

Toinen puoli reaktorin suunnittelua on vaatimattomien toimintaolosuhteiden hyödyntäminen. Reaktorin käyttöpaine on niin matala, että sen komponenttien valmistamiseen voitaisiin käyttää perinteisestä konepajateollisuudesta tuttuja menetelmiä. Valmistajat voisivat löytyä pitkälti Suomen rajojen sisäpuolelta.

Myös USNC:n MMR on suunniteltu aivan erityisiä käyttötarkoituksia varten. Maailmalla reaktoria on markkinoitu ratkaisuksi haja-asutusalueille, mutta Suomen tapauksessa todennäköisin asiakas olisi biotuote-, teräs- tai kemianteollisuuden yritys, joka hankkisi reaktorin tuottamaan sähköä ja prosessilämpöä paikalliselle tehtaalle. Suurten teollisuuslaitosten hukkalämpö on Suomessa perinteisesti syötetty lähialueen kaupunkien kaukolämpöverkkoihin, mutta pelkkään kaukolämmöntuotantoon 600°C lämpötilassa toimiva MMR lienee hieman ylimitoitettu ratkaisu.

Reaktori poikkeaa rakenteeltaan ja toimintaperiaatteeltaan ydintekniikan valtavirrasta. Kaasujäähdytteisiä korkean lämpötilan reaktoreita on kyllä rakennettu 1970-luvulta lähtien, ja reaktorityyppi tiedetään erittäin turvalliseksi. Kyse on silti ollut muutamasta koereaktorista, sekä yhdestä demolaitoksesta Kiinassa. MMR-reaktorin luvitukseen sekä esimerkiksi polttoaineen hankintaketjuun liittyy vielä paljon selvitettäviä asioita. Suomen tapauksessa yhtenä erityisvaatimuksena tulee olemaan myös suunnitelma käytetyn polttoaineen loppusijoituksesta (tähän palataan vielä myöhemmin tekstissä).

VTT:n LDR-50 ja USNC:n MMR vastaavat siis molemmat sellaisiin energiasektorin tarpeisiin, joihin sähköä tuottavat ydinvoimalaitokset tai tuulivoiman lisärakentaminen eivät yksinään tuo ratkaisua. Reaktoreiden sovellusalueet leikkaavat kaukolämmöntuotannon kohdalla, mutta edelliselle tämä on pääasiallinen, ja jälkimmäiselle toissijainen käyttökohde.

Hankkeilla on vastassaan myös paljon yhteisiä haasteita, liittyen esimerkiksi passiivisten järjestelmien luvittamiseen, sekä reaktorin ympärille asetettuihin suojavyöhykkeisiin. Näihin asioihin palataan vielä myöhemmin tekstissä.

Keskustelu rönsyilee

Median kiinnostus suomalaisia pienreaktorihankkeita kohtaan on ollut erityisen aktiivista viimeisten kuukausien aikana, ja tällaisessa tilanteessa on luonnollista, että kritiikkiäkin esitetään. Pienreaktoreihin ja ydinenergian uusiin käyttökohteisiin liittyy paljon avoimia kysymyksiä, joita ollaan vasta selvittämässä.

Uutisiin on kuitenkin ilmestynyt myös asiantuntijaroolin omaksuneita henkilöitä, joiden esittämistä väitteistä minun on itse ydinenergia-alan ammattilaisena hyvin vaikea olla samaa mieltä. Yritän kirjoituksen lopuksi selventää vielä muutamia räikeimpiä pienreaktoreihin liittyvä väärinkäsityksiä.

1. Tarvitseeko pienreaktori toimiakseen ydinaselaatuista uraania?

Yksi pienreaktoreista esitetty perusteeton väittämä on, että ketjureaktion ylläpitäminen pienikokoisessa sydämessä edellyttäisi korkeasti väkevöityä, jopa ydinaselaatuista uraania. Tämä väite ei pidä paikkansa, eikä sille ole minkäänlaisia teknisiä tai fysikaalisia perusteita. Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n ylläpitämässä ARIS-tietokannassa esitellään lähes 80 eri teknologioihin perustuvaa pienreaktorikonseptia, joista yksikään ei toimi tällaisella polttoaineella.

Useimmissa kevytvesityyppisissä pienreaktoreissa väkevöintiaste on rajattu alle viiteen prosenttiin, eli ne toimivat saman tyyppisellä polttoaineella kuin perinteiset suuret paine- ja kiehutusvesireaktorit.ⁱⁱ Syy tähän on varsin ilmeinen: tällaiselle polttoaineelle on olemassa kilpaillut kansainväliset markkinat, eikä väkevöintiasteen nostamisella edes saavutettaisi merkittävää lisähyötyä. VTT:n LDR-50 -reaktorissa uraani on väkevöity noin 2.4%:iin.

Tietyissä muissa reaktorityypeissä voidaan pidemmän käyttöjakson saavuttamiseksi käyttää korkeammin väkevöityä uraania. Raja on silti tällöinkin asetettu 20%:iin. Tätä korkeammin väkevöidyn polttoaineen saatavuutta on rajoitettu kansainvälisin sopimuksin, ja ydinaselaatuisen uraanin käytöstä on siviilipuolella turha edes haaveilla. USNC-yhtiö ilmoittaa MMR-reaktorin polttoaineen väkevöintiasteeksi 19.75%.

2. Tarvitsevatko passiiviset turvajärjestelmät tuekseen pumppuja?

Useimmissa pienreaktorikonsepteissa suunnittelu nojaa nk. passiivisiin järjestelmiin, joissa turvallisuuden kannalta kriittiset toiminnot on toteutettu ilman sähköä. Tavallisimmin tällä viitataan reaktorin jäähdytykseen, joka perustuu joko veden luonnolliseen kiertoon lämpötilaeron vaikutuksesta, tai lämmön johtumiseen rakenteiden läpi. Passiivisten järjestelmien suurin etu on, että ydinvoimalaitoksilta vaadittava erittäin korkea turvallisuustaso voidaan saavuttaa hyvin yksinkertaisella teknologialla.

Eräissä puheenvuoroissa passiivinen turvallisuusajattelu on kuitenkin kyseenalaistettu väittämällä, että myös tällaiset järjestelmät vaatisivat toimiakseen suuret sähkötoimiset pumput. Mikäli tämä pitäisi paikkansa, koko passiivisuuden määritelmä menettäisi käytännössä merkityksensä. Koska väitteelle ei ole esitetty minkäänlaisia perusteita, siihen on vaikea vastata muuten kuin toteamalla olevansa asiasta eri mieltä.

Olen toisinaan käyttänyt passiivisesta vesikierrosta esimerkkinä tavallista kahvinkeitintä. Perusmallisissa keittimissä rungon sisältä ei löydy minkäänlaista pumppua. Kun virta kytketään päälle, säiliössä oleva lämmitysvastus alkaa kiehuttamaan vettä, joka siirtyy kapeaa nousuputkea pitkin suodattimeen, ja valuu sieltä pannuun.

Toinen esimerkki laitteesta, jossa vesi kiertää ja lämpö siirtyy ilman ulkoisen voiman vaikutusta, on termosifoniperiaatteeseen perustuva aurinkolämpökeräin. Tällaisia laitteita käytetään yleisesti esimerkiksi Välimeren maissa käyttöveden lämmitykseen. Keräimen paneeliin on kiinnitetty putkia, joiden läpi virtaava vesi lämpenee, ja kohoaa itsestään yläpuolelle sijoitettuun säiliöön.

Kummassakaan esimerkissä lämpötilaeron vaikutuksesta muodostuvaa luonnonkiertoa ei käytetä samaan tarkoitukseen kuin ydinreaktorin passiivisessa jäähdytysjärjestelmässä. Fysikaalinen periaate on silti sama. Siirrettävä lämpömäärä on reaktorissa suurempi, mutta niin on jäähdytykseen käytettävä järjestelmäkin. VTT:n LDR-50 -reaktorimoduuli on ulkomitoiltaan pystyyn nostetun bussin kokoinen. Suurin osa tilavuudesta liittyy tavalla tai toisella passiivisen vesikierron toimintaan.

3. Siirtyykö valvonta viranomaiselta pienreaktoreita rakentaville yrityksille?

Yksi erikoisimmista pienreaktoreihin liittyvistä väitteistä on se, että uusien laitoshankkeiden myötä myös valvonta siirtyisi niitä rakentaville yrityksille, eivätkä valtion toimijat, kuten STUK, olisi enää mukana valvomassa ydinenergian käytön turvallisuutta.

Ydinenergiantuotanto on Suomessa lakien ja asetusten määräämää toimintaa. Myös viranomaisen rooli on kirjattu ydinenergialakiin. Näiden käytäntöjen muuttaminen vaatisi siis muutoksia lainsäädännön tasolla. Tuntuu absurdilta ajatella, että jokin pienreaktoria kehittävä yhtiö vaarantaisi oman hankkeensa uskottavuuden vaatimalla eduskuntaa tekemään ydinenergialakiin sellaisen muutoksen, että riippumattoman viranomaistahon sijaan päätös turvallisuusvaatimusten täyttymisestä olisi yhtiön oman ilmoituksen varassa.

Tällaisista suunnitelmista en ole itse koskaan kuullut. Myös STUK on ottanut väitteisiin kantaa toteamalla, etteivät he ole tällaisesta kehityssuunnasta huolissaan.

4. Tuottavatko pienreaktorit enemmän ydinjätettä?

Pienreaktoreiden tuottamista ydinjätteistä on käyty keskustelua sen jälkeen, kun Stanfordin yliopisto julkaisi aiheesta tutkimuksen viime kesänä. Selvityksen mukaan pienreaktorit tuottaisivat elinkaarensa aikana perinteisiä suuria ydinvoimalaitoksia enemmän radioaktiivisia jätteitä. Selvitys on herättänyt ydinalalla paljon kritiikkiä. En kuitenkaan lähde avaamaan tutkimukseen liittyviä yksityiskohtia tässä yhteydessä, sillä aihetta on käsitelty tarkemmin aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

VTT:n kehittämä LDR-50 on polttoainekiertonsa osalta melko perinteinen painevesireaktori, minkä vuoksi myös tuotannon aikana radioaktiivista jätettä syntyy samaan tapaan kuin Suomen nykyisilläkin laitoksilla. Reaktori ei polttoaineen käyttöasteen osalta yllä aivan perinteisen suuren kevytvesilaitoksen tasolle, mutta toisaalta tuotetusta primäärienergiasta saadaan huomattavasti suurempi osuus hyötykäyttöön.ⁱⁱⁱ Jätteiden kokonaismäärään vaikuttaa ennen kaikkea reaktorin yksikkökoko. Yksi Loviisan painevesireaktori vastaa kooltaan kolmeakymmentä LDR-50 -reaktoriyksikköä. Uuteen EPR:ään verrattuna kokoero on lähes 90-kertainen.

USNC-yhtiön MMR-reaktorissa sydän muodostuu kuusikulmion muotoisista grafiittielementeistä, joihin on upotettu uraanipartikkeleja sisältäviä piikarbidipellettejä. Käytöstä poistamisen jälkeen nämä rakenteet ovat loppusijoitettavaa ydinjätettä. Tämän tyyppinen reaktori vaatii toimiakseen suuren määrän grafiittia, minkä vuoksi loppusijoitettavan ydinjätteen kokonaismäärä on tilavuus- tai massayksiköissä mitattuna verrattain suuri. Radioaktiivisten isotooppien osalta suurta eroa perinteisiin reaktorityyppeihin ei kuitenkaan ole. Kyse on pikemminkin siitä, että Loviisassa ja Olkiluodossa reaktoreiden käytön aikana syntyvät radioaktiiviset aineet pakkautuvat pienempään tilavuuteen.

Ydinjätteen määrä ei myöskään MMR-reaktorin tapauksessa ole ratkaisematon ongelma. Enemmän kysymyksiä tulee herättämään suomalaisen ydinjätteen loppusijoituskonseptin soveltuvuus jätteeseen, joka poikkeaa rakenteeltaan ja ominaisuuksiltaan nykyisten laitosten jätteistä. Jos hanke etenee suunnitelmien mukaan, HTGR-reaktoreiden jäteasiat tullaan toivottavasti ennemmin tai myöhemmin nostamaan uudeksi aiheeksi kansalliseen ydinturvallisuuden ja -jätehuollon SAFER-tutkimusohjelmaan.

5. Joudutaanko turvallisuustasosta tinkimään?

Pienreaktoreita käsittelevissä uutisissa on usein todettu, että nykyiset turvallisuusvaatimukset ja luvituskäytännöt eivät soveltuisi lainkaan pienreaktoreille. Toisinaan tätä väitettä on tulkittu myös siten, että pienreaktoreiden rakentaminen edellyttäisi jopa turvallisuustasosta tinkimistä. Oman höysteensä keskusteluun on tuonut ehkä se, että Työ- ja elinkeinoministeriö käynnisti vuoden alussa ydinenergialain kokonaisuudistukseen tähtäävän säädösvalmistelun, jossa on pitkälti kyse juuri pienreaktoriteknologian haasteista ja mahdollisuuksista.

On totta, että nykyiset, suurille laitoksille laaditut käytännöt, eivät ole ideaalinen ratkaisu pienreaktoreiden luvittamiseen. Prosessi on sarjatuotantoon perustuvan teknologian näkökulmasta kömpelö, eikä nykyisistä viranomaisohjeista löydy esimerkiksi kuvausta siitä, miten täysin passiiviseen teknologiaan perustuvien jäähdytysjärjestelmien luotettavuus pitäisi pystyä osoittamaan. Mitään absoluuttista syytä sille, etteikö Suomeen voisi jo nykyisen lainsäädännön puitteissa rakentaa kaikki vaatimukset täyttävää pienreaktoria, ei kuitenkaan ole.

Eniten keskustelua ovat herättäneet ydinvoimalaitosten ympärille kaavoituksessa osoitetut suojavyöhykkeet, jotka Loviisan ja Olkiluodon tapauksessa ulottuvat viiden kilometrin etäisyydelle voimalaitosalueesta. Tämän vyöhykkeen sisällä asutusta ja maankäyttöä on rajoitettu siten, että vakavan onnettomuuden sattuessa väestö on mahdollista siirtää nopeasti turvaan.

Vastaava käytäntö soveltuu huonosti lämmöntuotantokäyttöön tarkoitetuille reaktoreille, sillä sähköstä poiketen lämpöä ei voida siirtää kustannustehokkaasti pitkiä matkoja. Ydinkaukolämpölaitoksen on käytännössä sijaittava kaupungin kaukolämpöverkon alueella, ja teollisuudelle lämpöä tuottava reaktori olisi rakennettava prosessin yhteyteen. Tarkoittaisiko tämä siis suojavyöhykkeiden pienentämistä, ja samalla turvallisuudesta tinkimistä?

Asia ei ole ihan näin yksinkertainen. Perinteinen suojavyöhykekäytäntö liittyy nk. syvyyssuuntaisen puolustuksen periaatteeseen. Ydinenergian käytön turvallisuus nojaa pohjimmiltaan siihen, että radioaktiivisen päästön tielle on asetettu useita peräkkäisiä ja toisistaan riippumattomia esteitä. Jokainen este laskee ympäristöön ja väestöön kohdistuvaa kokonaisriskiä, ja jos kaikki sisemmät vapautumisesteet menetetään, pahimmin saastuva alue jää suojavyöhykkeen sisälle.

Kaupunki- tai teollisuusalueelle rakennettavalle reaktorille sovellettaisiin ympäristövaikutusten osalta yhtä korkeita turvallisuusvaatimuksia kuin perinteisillekin ydinvoimalaitoksille. Jos suojavyöhykkeitä joudutaan pienentämään, väestöön kohdistuva riski on saatava nykykäytäntöjä vastaavalle tasolle muilla keinoin.

Käytännössä pienempiä suojavyöhykkeitä voisi puoltaa esimerkiksi pieni yksikkökoko, joka vaikuttaa suoraan reaktorissa olevien radioaktiivisten aineiden määrään. Viiden kilometrin suojavyöhykkeen sisälle rakennettu Olkiluoto 3 on lämpöteholtaan 4300 megawattia. VTT:n LDR-50:n ja USNC:n MMR:n kokoluokkaa vastaavia tutkimusreaktoreita on puolestaan jo rakennettu yliopistojen yhteyteen tiheästi asutuille kaupunkialueille.^iv Tässä kokoluokassa kaupunkireaktori ei siis itse asiassa ole edes aivan ennenkuulumaton ajatus.

Eli summa summarum… pienreaktoriteknologia tulee väistämättä tuomaan muutoksia ydinvoimaloiden luvituskäytäntöihin. Kyse ei kuitenkaan ole siitä, että turvallisuudesta haluttaisiin alkaa tinkimään. Moni näkee asian pikemminkin päin vastoin. Moninkertaisesti varmistettuihin aktiivisiin turvallisuusjärjestelmiin verrattuna passiiviset järjestelmät ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, ja niissä on huomattavasti vähemmän mahdollisia vikapisteitä. Myös inhimillisiin tekijöihin liittyviä riskejä saadaan pienennettyä, jos käyttöhenkilökunnan ei tarvitse häiriötilanteessa puuttua reaktorin toimintaan.

---

ⁱ⁾ Nimilyhenteen D-kirjain voi viitata myös termiin ”Desalination”, joka tarkoittaa makean juoma- ja/tai kasteluveden valmistusta suolaisesta merivedestä. Reaktorin käyttölämpötila soveltuu sellaisenaan tiettyihin suolanpoistoon käytettyihin prosesseihin.

ⁱⁱ⁾ Uraani muodostuu kahdesta merkittävästä isotoopista: U238 ja U235, joista ainoastaan jälkimmäinen fissioituu suurella todennäköisyydellä absorboituaan neutronin. Polttoaineen väkevöintiasteella viitataan U235-isotoopin suhteelliseen osuuteen kaikista uraaniatomeista. Luonnonuraanissa isotooppien atomiosuudet ovat 99.3% ja 0.7%, eli uraanin luonnollinen väkevöintiaste on 0.7%.

ⁱⁱⁱ⁾ Tavanomainen ydinvoimalaitos on toimintaperiaatteeltaan lauhdevoimala, jossa reaktorin tuottama lämpö muutetaan turbiinissa mekaaniseksi pyörimisenergiaksi, ja generaattorissa edelleen sähköksi. Energian muuttaminen muodosta toiseen aiheuttaa aina häviöitä. Primäärienergiasta saadaan turbiinikierrossa talteen vain reilu kolmannes. Kaukolämpökäytössä energiaa ei tarvitse muuntaa muodosta toiseen, vaan reaktorin tuottama lämpö saadaan lähes kokonaisuudessaan hyötykäyttöön.

^iv) Esimerkiksi Grenoblen Institut Laue–Langevinissa toimii lämpöteholtaan 58 megawatin tutkimusreaktori. Tutkimuslaitos sijaitsee lähellä 160,000 asukkaan kaupungin keskustaa.

Zaporižžjan tilanteesta

Jaakko Leppänen – 22.8.2022

Eteläisessä Ukrainassa sijaitseva Zaporižžjan ydinvoimalaitos on ollut uutisissa siitä lähtien kun Venäjä aloitti laajamittaisen hyökkäyssodan helmikuun lopulla. Laitosta operoi edelleen ukrainalainen käyttöhenkilökunta, mutta vihollinen käyttää aluetta käytännössä sotilastukikohtanaan. Viime aikoina uutisia on tullut aikaisempaa tiuhempaan tahtiin. Laitosaluetta on tulitettu raskailla aseilla, ja siellä on tapahtunut räjähdyksiä ja tulipaloja. Venäjä on esittänyt suoranaisia uhkauksia vihjaillen ydinvoimalaonnettomuuden mahdollisuudella.

Kyse lienee ainakin osittain länttä kohtaan suunnatusta painostuksesta, jolla pyritään luomaan epävarmuutta ja vaikuttamaan esimerkiksi Ukrainalle toimitettavaan aseapuun. Toisaalta Venäjän intresseissä on myös Zaporižžjan eristäminen maan sähköverkosta. Laitos on Euroopan suurin, ja normaalitilanteessa Zaporižžja tuottaisi reilun viidenneksen Ukrainan sähköstä. Tuotannolle olisi käyttöä esimerkiksi Venäjän miehittämällä Krimillä.

Venäjän konkreettinen suunnitelma Zaporižžjan suhteen on kaikkea muuta kuin selvä (jos sellaista edes on). Mutta vaikka kyse olisi pelkästä uhkailusta, tilanne on silti vakava. Laitosalue on miinoitettu, ja sitä miehittää noin 500 sotilaan joukko. Henkilökunta joutuu työskentelemään jatkuvan uhan alla. Ukrainan ydinturvallisuusviranomainen, Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA sekä monet muut tahot ovat ilmaisseet huolensa tilanteeseen liittyvistä riskeistä, ja vaatineet sotilaallisen toiminnan lopettamista. Perjantaina 19.8. presidentti Vladimir Putin ilmoitti sallivansa IAEA:n tarkastajien pääsyn Zaporižžjaan, mutta Venäjä on pettänyt lupauksensa aiemminkin.

En lähde tässä kirjoituksessa arvuuttelemaan, mihin suuntaan tilanne Zaporižžjassa lähtee kehittymään. Yritän kuitenkin blogin hengen mukaisesti tarjota hieman taustatietoa aihetta käsitteleviin uutisiin, esimerkiksi siihen, minkälaisesta ydinvoimalaitoksesta Zaporižžjassa on kyse, ja minkälaisia riskejä tilanteeseen voisi liittyä.

Suomessa hyvin tunnettu laitostyyppi

Zaporižžjan ydinvoimalaitos sijaitsee eteläisessä Ukrainassa, reilu 400 kilometriä maan pääkaupungista Kiovasta etelään. Laitoksen vieressä on noin 50,000 asukkaan Enerhodarin kaupunki, joka on venäläisjoukkojen miehittämä. Rintamalinjan toisella puolella sijaitsevaan 770,000 asukkaan Zaporižžjaan on laitokselta noin 50 kilometrin matka.

Kuva 1: Zaporižžjan ydinvoimalaitoksen sijainti kartalla..

Ydinvoimalaitoksella on käytössä kuusi VVER-1000/V-320 -mallin painevesityyppistä laitosyksikköä, joista kukin tuottaa tuhat megawattia sähkötehoa. Reaktorit on otettu käyttöön vuosina 1985–1996. Laitosmalli kuuluu samaan Neuvostoliitossa kehitettyyn VVER-linjaan kuin Loviisan kooltaan pienemmät VVER-440 -laitokset. Perustekniikaltaan reaktori ei olennaisesti eroa länsimaisista painevesilaitoksista.

VVER-1000 -reaktoreista on myös useampaa laitosversiota. Ukrainassa käytössä oleva V-320 malli edustaa järjestyksessä toista tuotantosarjaa, jota alettiin rakentamaan 1980-luvulla ensimmäisten prototyyppilaitosten jälkeen. Kyse ei siis ole kaikkein uusimmasta, muttei myöskään vanhimmasta käytössä olevasta reaktoriteknologiasta. Laitosmalliin kuuluu esimerkiksi kaasutiivis paineenkestävä suojarakennus, joka vanhemmista venäläisistä reaktoreista puuttuu kokonaan.

Suomi on ollut yksi VVER-teknologian käyttäjävaltioista jo yli 40 vuoden ajan. STUK, VTT sekä Loviisan ydinvoimalaitoksen omistava Fortum ovat olleet vahvasti mukana VVER-reaktoreiden turvallisuustutkimuksessa, joten teknologia tunnetaan meillä hyvin.

Uusi Tšernobyl?

Uhkakuva Zaporižžjassa tapahtuvasta onnettomuudesta on monessa uutisessa rinnastettu vuonna 1986 tapahtuneeseen Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuteen. Toisaalta ydinenergia-alan asiantuntijat ovat sodan alusta saakka vakuuttaneet, ettei onnettomuus pahimmassakaan tapauksessa yltäisi vakavuudessaan samalle tasolle.

Ydinvoimalaonnettomuuksien välillä onkin huomattavan suuria eroja.ⁱ Nämä erot kumpuavat toisaalta siitä, minkälaisia ilmiöitä eri onnettomuustilanteisiin liittyy, ja toisaalta siitä, miten näihin ilmiöihin on varauduttu laitoksen turvallisuussuunnittelussa.

Zaporižžjassa käytössä olevat painevesityyppiset kevytvesireaktorit poikkeavat fysiikaltaan ja rakenteeltaan ratkaisevasti Tšernobylin vesijäähdytteisestä grafiittimoderoidusta kanavatyyppisistä RBMK-reaktorista. Vaikka Tšernobylistä on vuosien saatossa muodostunut eräänlainen ydinvoimalaonnettomuuden arkkityyppi, onnettomuuden syyt ja seuraukset liittyvät pitkälti juuri RBMK:n erityispiirteisiin.

Tšernobylin onnettomuus sai alkunsa voimakkaasta räjähdyksestä, joka aiheutui reaktorin tehon karkaamisesta hallitsemattomaan kasvuun. RBMK on perusluonteeltaan epävakaa reaktorityyppi, jonka suunnittelussa oli tehty turvallisuuden kannalta kohtalokkaita virheitä. En kuitenkaan lähde tässä blogikirjoituksessa käymään onnettomuuteen johtanutta tapahtumaketjua läpi, sillä aihetta on käsitelty yksityiskohtaisesti aikaisemmassa kirjoituksessa.

Tšernobylin RBMK:sta poiketen lähes kaikki muut reaktorityypit on suunniteltu toimimaan stabiilissa tilassa. Tämä tarkoittaa sitä, että energiaa tuottava ketjureaktio on itseään säätelevä prosessi, jonka ylläpitämiseen ei tarvita ulkoista ohjausta tai erityisiä säätötoimenpiteitä. Reaktorin teho ei voi lähteä kasvamaan ilman syytä. Häiriötilanteessakin ketjureaktio katkeaa itsestään, kun lämpötila nousee riittävän korkeaksi. Reaktorin stabiilisuus on seurausta negatiivisista takaisinkytkennöistä, joita on myös käsitelty blogissa aikaisemmin.

Kevytvesilaitosten ja RBMK:n välillä on myös merkittäviä rakenteellisia eroja. Tšernobylissä reaktorin sisäosia sinkoutui räjähdyksen voimasta laitosalueelle, mikä aiheutti henkilökunnalle ja pelastustöihin saapuneille palomiehille erittäin korkeita säteilyannoksia. Auki ammottavassa reaktorikuilussa syttyi räjähdyksen jälkeen tulipalo, ja radioaktiivisia aineita nousi kuumien palokaasujen mukana korkealle ilmaan. Päästöpilvi kulkeutui ilmavirtojen mukana tuhansien kilometrien päähään. Päästötilanne kesti kymmenen päivää, ja se oli käytännössä täysin hallitsematon. Radioaktiivisten aineiden vapautumisen tiellä ollut juuri minkäänlaisia esteitä.

RBMK:sta poiketen kevytvesireaktorit on ympäröity paineenkestävällä suojarakennuksella, joka on käytännössä reaktorin ympärille rakennettu betonikuori. Zaporižžjassa betonia on reaktorin ympärillä lähes kahden metrin paksuudelta. Suojarakennus on osa nk. syvyyssuuntaista puolustusta. Sen tehtävänä on toisaalta pidättää polttoaineen vaurioitumisessa vapautuvat radioaktiiviset aineet laitoksen sisälle, ja toisaalta myös suojata reaktoria ulkoisilta tekijöiltä.

Eli sen lisäksi että Tšernobylin räjähdyksen kaltainen tapahtumaketju voidaan kevytvesireaktoreissa sulkea pois, reaktorit on myös eristetty paremmin ympäristöstä. Kevytvesireaktorin sydämessä ei myöskään ole vastaavia palavia rakenteita kuin RBMK:ssa.

Suojarakennuksen toiminnasta on saatu käytännön kokemusta vuonna 1979 tapahtuneessa Three-Mile-Islandin ydinvoimalaonnettomuudessa, sekä Fukushimassa vuonna 2011 (kts. myös alaviite i). TMI:ssä suojarakennus käytännössä pysäytti radioaktiivisen päästön ympäristöön. Fukushimassa onnettomuustilanne kesti sen verran pitkään, että eristys ei toiminut täydellisesti. Suojarakennustoiminnolla oli kuitenkin merkittävä päästöä rajoittava vaikutus. Vaikka kolmella laitosyksiköllä tapahtui täysmittainen sydämensulamisonnettomuus, päästön aiheuttama radioaktiivinen laskeuma jäi murto-osaan Tšernobylistä.

Minkälaisia riskejä tilanteeseen liittyy?

Ydinreaktorit on yleisesti ottaen suojattu hyvin sekä sisäisiä että ulkoisia uhkia vastaan. Suunnittelussa on huomioitu maanjäristykset sekä muut luonnon ääri-ilmiöt. Turvallisuuden kannalta kriittisten rakenteiden on kestettävä myös lentokonetörmäysten, sekä hajonneesta turbiinista sinkoutuvien siipien ja muiden ”missiilien” aiheuttamia iskuja. Sotilaallista hyökkäystä ja tarkoituksellista tuhoamista ei mikään ihmisen rakennelma silti loputtomiin kestä.

Zaporižžjassa suurimmat riskit liittyvät todennäköisesti reaktoreiden jäähdytysjärjestelmien toimintaan. Laitos tuottaa edelleen sähköä, ja sen kuutta reaktoriyksikköä on ajettu vaihtelevalla teholla. Häiriötilanteessa yksi ensimmäisistä varotoimenpiteistä on reaktorin sammuttaminen, joten tilanteen kärjistyessä kaikki reaktoriyksiköt ajettaisiin todennäköisesti mahdollisimman nopeasti alas.

Ydinvoimalaitoksen alasajo on kuitenkin monivaiheinen ja aikaa vievä prosessi. Reaktorin sammuttamisen jälkeen ydinpolttoaine tuottaa vielä merkittävästi jälkilämpöä, joka on peräisin lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisesta hajoamisesta. Lämpöä syntyy varsinkin alasajon alkuvaiheessa niin paljon, että polttoainetta on jäähdytettävä aktiivisella vesikierrolla.

Jälkilämmöntuotto putoaa ajan myötä, mutta jos jäähdytyskierto katkeaa kokonaan, seurauksena voi olla polttoaineen ylikuumeneminen ja sulaminen. Sydämen vesikierto on turvattu useammalla rinnakkaisella järjestelmällä, joiden sähkönsyöttöön voidaan normaalikäytön aikaisten sähköjärjestelmien lisäksi käyttää moninkertaisesti varmennettuja varavoimageneraattoreita.

Ulkoisten uhkien kannalta nämä varajärjestelmät ovat tavallaan myös laitoksen heikko kohta. Yksittäisen laitteen tai järjestelmän vaurioituminen ei vielä vaaranna reaktorin jäähdytystä, mutta jos laitosta aletaan tahallisesti tuhoamaan, vaarana on kaikkien sähköjärjestelmien samanaikainen menetys.

Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus sai alkunsa juuri tällaisesta tilanteesta. Maanjäristys katkaisi yhteyden ulkoiseen sähköverkkoon, ja laitosalueelle iskenyt tsunamiaalto tuhosi kerralla kaikki sähkönsyötön varavoimageneraattorit. Jälkilämmön poistoon käytetyille järjestelmille ei tämän jälkeen saatu enää lainkaan käyttövoimaa.

Reaktoreiden lisäksi laitosalueella säilytetään käytettyä ydinpolttoainetta laitosyksiköiden yhteyteen rakennetuissa vesialtaissa, sekä keskitetyssä välivarastossa. Yli viisi vuotta jäähtynyt polttoaine on sijoitettu ilmajäähdytteisiin varastosäiliöihin, jotka on sijoitettu ulos reaktorirakennusten läheisyyteen. Tällaisessa kuivavarastossa käytetyn polttoaineen jäähdytys ei ole enää aktiivisen vesikierron varassa.

Uutisissa varastosäiliöistä on käytetty nimeä ”kontti”, joka lienee suora käännös englanninkielisestä container-termistä. Käytännössä säiliöt ovat kuitenkin teräksestä ja betonista valmistettuja lieriöitä, joiden halkaisija on reilu kolme ja korkeus vajaa kuusi metriä.

Kuva 2: Zaporižžjassa käytössä oleva käytetyn polttoaineen välivarastosäiliö. Sylinterit ovat mitoiltaan n. 3 x 6 metriä. Jokaiseen säiliöön mahtuu 24 käytettyä polttoainenippua, joita ympäröi 7.5 cm paksuinen teräsvuoraus sekä 70 cm paksuinen betonivaippa.

Pitkään jäähtynyt polttoaine tuottaa vähemmän jälkilämpöä, minkä lisäksi lyhytikäiset radionuklidit, kuten väestölle suurimman riskin aiheuttava jodi-131, ovat ehtineet jo hävitä radioaktiivisen hajoamisen myötä. Käytetty polttoaine on kuitenkin sijoitettu reaktorin ympärille rakennetun järeän betonikupolin ulkopuolelle, minkä vuoksi polttoainealtaat ja välivarasto ovat myös alttiimpia vaurioitumaan ulkopuolelta tulevassa hyökkäyksessä.

Riskit Suomessa

Zaporižžjasta on matkaa Suomeen 1500 kilometriä, joten voimalaitoksella tapahtuneen onnettomuuden seuraukset jäisivät täällä todennäköisesti joka tapauksessa pieniksi. Mahdollisia vaikutuksia voidaan arvioida Tšernobylin onnettomuudesta saatujen kokemusten pohjalta. Päästölähde sijaitsi tällöin 500 kilometriä lähempänä, minkä lisäksi tuulen suunta oli onnettomuuden alkuvaiheessa Suomen kannalta mahdollisimman huono. Päästöpilvi kulkeutui ilmanvirtausten mukana pohjoiseen, ja Suomi ja Ruotsi saivat verrattain suuren osuuden kaukokulkeuman aiheuttamasta radioaktiivisesta laskeumasta. Säteilytilanne ei silti edellyttänyt varsinaisia väestönsuojelutoimia.

Jos Zaporižžjassa tapahtuisi vakava ydinvoimalaonnettomuus, päästön suuruus riippuisi monesta tekijästä. Jos vauriot rajoittuisivat reaktoreiden jäähdytysjärjestelmiin, seurauksena voisi pahimmillaan olla sydämensulamisonnettomuus yhdellä tai useammalla laitosyksiköllä. Alkuvaiheessa päästö rajoittuisi todennäköisesti suojarakennuksen sisälle, mutta tilanteen pitkittyessä radioaktiivisia aineita voisi vuotaa myös ympäristöön. Fukushimassa ilmaan vapautunut päästöpilvi kulkeutui tuulen mukana, ja pahin laskeuma-alue ulottui noin 40 kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta.

Myös säätila ja väestönsuojelutoimenpiteet voisivat vaikuttaa merkittävästi onnettomuuden seurauksiin. Fukushimassa väestön säteilyaltistusta saatiin rajoitettua ripeillä evakuointitoimilla. Zaporižžjassa vastaava tilanne olisi siinä mielessä vaikeampi, että lähialueen asukkaiden siirtäminen pois päästöpilven alta ei sotatilan vuoksi välttämättä olisi mahdollista.

Vaikka Zaporižžjassa ei ole välitöntä ydinonnettomuuden uhkaa, tilanne on siitä huolestuttava, että toiminnassa oleviin ydinvoimaloihin ei yhdessäkään aikaisemmassa sodassa tai kriisitilanteessa ole kohdistettu aseellista hyökkäystä. Vaikka laitosta ei lähdettäisi tarkoituksellisesti tuhoamaan, raskaiden aseiden käyttämiseen ydinvoimalaitosalueella liittyy ymmärrettävästi vakavia riskejä.

Tilannetta seuratessa on kuitenkin hyvä pitää mielessä, että onnettomuuden sattuessa suurimmassa vaarassa eivät olisi ainoastaan laitoksen työntekijät, vaan myös sitä vastaan hyökkäävät sotilaat. Ydinvoimalaonnettomuudella uhkailun retoriikka muistuttaa monella tavalla ydinasepelotetta. Siinä vaiheessa kun uhkauksia lähdetään toteuttamaan, myös pelotevaikutus menettää merkityksensä, ja teot alkavat kääntyä uhkaajaa vastaan.

Päivitys (26.8.2022): Voimalaitos irtosi eilen väliaikaisesti kokonaan sähköverkosta, kun viimeinen ehjä voimalinja vaurioitui tulipalossa. Vauriot on sittemmin korjattu. Monessa uutisessa tapahtumasta on kerrottu ikäänkuin kyse olisi ollut täpärästi vältetystä Fukushiman onnettomuuden toisinnosta.

Fukushimassa tilanteen vakavuus liittyi kuitenkin siihen, että ulkoisen sähköverkkoyhteyden menetyksen lisäksi laitosalueelle iskenyt tsunami tuhosi kaikki varavoimageneraattorit neljällä laitosyksiköllä. Eli suunnitteluperusteisesta alkutapahtumasta (ulkoisen sähköverkon menetys) mentiin kertaheitolla vakavaan onnettomuustilanteeseen (täydellinen sähköjärjestelmien menetys).

Zaporižžjassa reaktoreiden jäähdytysjärjestelmät toimivat suunnitellusti varavoimageneraattoreiden varassa, eikä välitöntä onnettomuuden uhkaa samalla tavalla ollut. Varajärjestelmät on mitoitettu vikasietoisiksi siten, että turvallisuus ei vaarannu vaikka vain osa generaattoreista toimisi suunnitellulla tavalla.

---

ⁱ⁾ Tšernobylin lisäksi siviilipuolen laitoksille on ydinenergian käyttöhistorian aikana tapahtunut kaksi muuta vakavaa onnettomuutta: Three-Mile-Islandin onnettomuus USA:ssa vuonna 1979, sekä Fukushiman onnettomuus Japanissa vuonna 2011. Vaikka kaikissa tapauksissa oli kyse vakavasta reaktorionnettomuudesta, niiden seuraukset poikkesivat huomattavasti toisistaan. Esimerkiksi jodipäästöissä (väestölle eniten välitöntä säteilyhaittaa aiheuttava radionuklidi) mitattuna Three-Mile-Islandin onnettomuus jäi alle miljoonasosaan Tšernobylistä. Eron hahmottaa parhaiten ajattelemalla, että TMI:n onnettomuuksia pitäisi tapahtua tunnin välein yli sadan vuoden ajan, jotta kokonaispäästö vastaisi yhtä Tšernobyliä. Fukushimassa päästö oli monta kertaluokkaa suurempi, mutta silti murto-osa Tšernobylistä.

Pienreaktoreiden jäteongelma

Jaakko Leppänen – 11.6.2022

Tekniikka ja Talous -lehti uutisoi Stanfordin yliopistossa julkaistusta tutkimuksesta, jonka mukaan pienreaktorit saattavat tuottaa enemmän loppusijoitettavaa radioaktiivista jätettä kuin perinteiset suurikokoiset ydinvoimalat. Aihe on monestakin syystä ajankohtainen. Pienreaktoriteknologiasta haetaan ratkaisua suurten ydinvoimalaitosten rahoitus- ja toimitusongelmiin, ja erilaisia konsepteja kehitetään aktiivisesti ympäri maailmaa. Myös VTT:llä on meneillään kaukolämmöntuotantoon tähtäävä pienreaktoriprojekti. Suomi on ensimmäinen maa maailmassa, jossa käytettyä polttoainetta aletaan loppusijoittamaan pysyvästi peruskallioon. Ydinjätetutkimusta on tehty yli neljän vuosikymmenen ajan, ja se kulkee käsi kädessä reaktoriteknologian kehityksen kanssa.

Uutisessa esitetyt väitteet antavat siis ymmärtää, että pienreaktorit toisivat mukanaan myös mittavan ydinjäteongelman. Onko tällaisissa väitteissä perää, ja onko kyse niin vakavista asioista, että pienreaktori-innostuksessa olisi syytä ottaa muutama askel taaksepäin?

Tiedejulkaisujen pohjalta kirjoitetut uutiset ovat poikkeuksetta lyhennelmiä, joissa huomattava osa alkuperäisestä sisällöstä hukkuu erilaisiin yksinkertaistuksiin. Yritän tässä kirjoituksessa avata hieman uutisen taustalla olevaa tutkimusta. Stanfordin vertailuun oli valittu kolme toimintaperiaatteeltaan hyvin erilaista pienreaktoria, joista NuScale-yhtiön kehittämä kevytvesityyppinen konsepti on teknisiltä ominaisuuksiltaan lähimpänä nykylaitoksia. Esittämäni huomiot pätevät tähän ja muihin vastaaviin paine- ja kiehutusvesityyppisiin pienreaktoreihin. Edistyneempiä teknologioita sivutaan vielä kirjoituksen lopussa.

Pienempi sydän, suuremmat häviöt

Yksi Stanfordissa tehdyn tutkimuksen pääargumenteista oli, että pienreaktorin tavanomaista suuremmat neutronihäviöt kasvattavat reaktorin käytön aikana syntyvän jätteen määrää. Tekniikka- ja Talous -lehden artikkelissa sama asia oli kerrottu toteamalla, että pienet modulaariset ydinreaktorit ovat tehottomampia kuin tavanomaiset reaktorit, mikä johtaa moninkertaisiin jätemääriin. Vaikka hyvä neutronitalous on reaktorin suunnittelun kannalta tavoiteltava asia, kyse ei ole suoraan reaktorin suorituskykyä kuvaavasta tehokkuuden mittarista.

Ydinreaktorin energiantuotanto perustuu neutronien kuljettamaan ketjureaktioon. Uraaniytimeen osunut neutroni saa ytimen halkeamaan, ja jokaisessa halkeamis- eli fissioreaktiossa vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita jatkamaan reaktioketjua eteenpäin. Yksi reaktorin suunnittelun tavoitteista on saada neutronit mahdollisimman tehokkaasti hyötykäyttöön. Neutroneita hukkuu matkan varrella erilaisiin kaappausreaktioihin, joita tapahtuu polttoaineessa, jäähdytteessä, rakennemateriaaleissa ja säätösauvoissa.

Osa neutroneista myös karkaa reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen ulkopuolelle. Näiden ulos vuotavien neutronien osuus riippuu sydämen koosta. Pienessä sydämessä vuoto on väistämättä suurempaa, sillä sydämen ulkopinta-alan suhde tilavuuteen kasvaa mittasuhteiden pienentyessä. Pienreaktorin neutronitalous on siis lähtökohtaisesti huonommalla pohjalla kuin kooltaan suuremmissa reaktoreissa, missä huomattava osa neutroneista viettää koko elinkaarensa sydämen sisäosissa kaukana reunoista. Pienreaktorin ja perinteisen painevesireaktorin sydämen kokoeroa on hahmoteltu kuvassa 1.

Kuva 1: Suorakaiteen muotoisista polttoainenipuista rakentuva suuren painevesireaktorin (EPR) ja pienreaktorin (NuScale) sydän. Kuvaan on lisätty jakkara helpottamaan mittakaavan hahmottamista.

Jotta reaktori kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua, ydinpolttoaineesta on löydyttävä riittävä määrä helposti fissioituvaa uraania. Tarvittava minimimäärä on sitä pienempi, mitä suurempi osuus neutroneista saadaan absorboitumaan polttoainesauvoihin. Jos ajatellaan, että perinteinen painevesireaktori ja ominaisuuksiltaan vastaava pienreaktori ladattaisiin jakson alussa samanlaisella polttoaineella, kooltaan suurempi reaktori kykenisi toimimaan pidempään. Pienreaktorin sammuessa polttoaineessa jäljellä oleva uraani riittäisi vielä ylläpitämään ketjureaktion kulkua suuremmassa sydämessä, joka vuotaisi vähemmän neutroneita ulos.

Perinteinen suurikokoinen ydinreaktori kykenee siis saamaan uraanista enemmän lämpöenergiaa irti. Vastaavan energiamäärän tuottamiseksi pienreaktori joutuu käyttämään enemmän polttoainetta, jolloin myös jätettä syntyy enemmän.ⁱ

Toinen tutkimuksessa esille nostettu tekijä on neutronivuodon aiheuttama aktivoituminen. Polttoaineesta karkaavat neutronit absorboituvat sydämen tukirakenteisiin, neutroniheijastimeen sekä reaktoripaineastian seinämiin. Näissä absorptioreaktioissa voi syntyä radioaktiivisia isotooppeja, eli aktivoitumistuotteita. Artikkelin mukaan suurikokoisessa painevesireaktorissa vajaa kolme prosenttia neutroneista karkaa sydämen ulkopuolelle. Pienreaktorin vastaavaksi vuoto-osuudeksi oli arvioitu reilu 7%. Ero vaikuttaa myös aktivoitumistuotteiden määrään.

Radioaktiivisissa aineissa on eroja

Ydinreaktorin käytön aikana ydinpolttoaineeseen ja neutronisäteilylle altistuviin rakenteisiin syntyy paljon erilaisia radioaktiivisia aineita. Luontevin tapa mitata tällaisten aineiden määrää on aktiivisuus, joka kertoo hajoamisreaktioiden lukumäärän aikayksikössä. Mitä suurempi aktiivisuus, sitä enemmän radioaktiivinen aine myös säteilee. Aktiivisuuden yksikkönä käytetään becquereliä (Bq), joka tarkoittaa yhtä radioaktiivista hajoamisreaktiota sekunnissa. Radioaktiivisista aineista puhuttaessa yksikköä käytetään tavallisesti tuhatta, miljoonaa ja miljardia tarkoittavien kilo-, mega- ja giga-etuliitteiden kanssa.

Ylivoimaisesti suurin osa ydinreaktorin tuottamasta aktiivisuusinventaarista muodostuu fissiotuotteista, eli tytärytimistä, joita syntyy suoraan uraaniytimien halkeamisreaktioissa. Tämän lisäksi polttoaineeseen kerääntyy uraania raskaampien alkuaineiden isotooppeja, kuten plutoniumia, neptuniumia ja amerikiumia. Nämä aktinidit syntyvät uraanista peräkkäisissä neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioissa. Kolmannen ryhmän muodostavat edellisessä kappaleessa mainitut aktivoitumistuotteet.

Edellä mainitut aineet poikkeavat toisistaan aktiivisuuden kokonaismäärän osalta, ja ne myös näyttelevät erilaisia rooleja eri käyttötilanteissa ja polttoainekierron vaiheissa. Suuren kokonaisinventaarinsa vuoksi ongelmallisimmaksi ryhmäksi nousevat lähes kaikissa tilanteissa radioaktiiviset fissiotuotteet. Jos vakava reaktorionnettomuus johtaa ympäristöpäästöön, radioaktiivinen laskeuma muodostuu pääasiassa fissiossa syntyvistä jodin ja cesiumin isotoopeista. Fissiotuotteiden joukossa on myös pitkäikäisiä helposti veteen liukenevia radionuklideja, joiden rooli korostuu ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuudessa.

Uraania raskaammat alkuaineet poikkeavat fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan fissiotuotteista. Onnettomuustilanteessa plutonium, neptunium ja amerikium eivät korkean kaasuuntumislämpötilansa vuoksi vapaudu helposti vaurioituneesta polttoaineesta. Ne eivät myöskään muodosta veteen liukenevia yhdisteitä. Plutoniumin pitkäikäiset isotoopit pitävät käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuustason korkealla kymmenien tuhansien vuosien ajan, mutta ydinjätteen loppusijoituksen kannalta ne eivät vastoin yleistä mielikuvaa muodosta erityistä turvallisuushaastetta.ⁱⁱ

Aktivoitumistuotteita syntyy sekä kiinteisiin rakenteisiin että jäähdytysveden mukana kulkeviin epäpuhtauksiin. Aktiivisuusmääränsä puolesta nämä aineet eivät vertaudu fissiotuotteisiin tai aktinideihin. Joukossa on kuitenkin tiettyjä helposti kulkeutuvia pitkäikäisiä isotooppeja, jotka täytyy huomioida jätteiden loppusijoituksessa.

Radioaktiivisen jätteen luokitus

Ydinvoimalaitoksilla syntyvät radioaktiiviset jätteet luokitellaan aktiivisuuspitoisuuden mukaan kolmeen kategoriaan. Matala-aktiiviseksi luokiteltavan jätteen ominaisaktiivisuus on alle 1 kBq/g. Tähän luokkaan kuuluvat esimerkiksi reaktorin vuosihuoltotöiden yhteydessä likaantuneet työvaatteet. Radioaktiivinen lika on peräisin reaktorista. Primäärijäähdytteessä kiertää aina aktivoitumistuotteita, sekä pieniä määriä fissiotuotteita, jotka ovat vapautuneet polttoainesauvoissa olevista vuodoista. Kun reaktori avataan, kontaminaatiota pääsee kulkeutumaan myös muihin tiloihin.

Seuraavan kategorian muodostavat keskiaktiiviset jätteet, ominaisaktiivisuudeltaan alle 10 Mbq/g. Keskiaktiivista jätettä ovat esimerkiksi primäärijäähdytteen puhdistukseen käytetyt suodattimet ja ioninvaihtohartsit. Suomessa matala- ja keskiaktiivinen jäte loppusijoitetaan ydinvoimalaitospaikoille louhittuihin voimalaitosjätteen luoliin. Samoihin tiloihin loppusijoitetaan aikanaan reaktoreiden paineastiat ja muut aktivoituneet primääripiirin komponentit laitosten purkamisen jälkeen.

Kolmanteen kategoriaan, eli korkea-aktiiviseksi jätteeksi lasketaan reaktorista poistettu polttoaine. Suomessa käytetty polttoaine haudataan syvälle peruskallioon. Periaate on sama kuin matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoituksessa, mutta luolasto on louhittu syvemmälle, ja radioaktiivisten aineiden tielle on asetettu useampia sisäkkäisiä vapautumisesteitä. Loppusijoituksen alkaessa gramma käytettyä ydinpolttoainetta voi sisältää aktiivisuutta kymmeniä gigabecquerelejä. Vaikka kaikki radioaktiivinen jäte niputetaan monissa asiayhteyksissä yhden ja saman käsitteen alle, ero jätelajien välillä on huomattava. Korkea-aktiivinen ydinjäte sisältää aktiivisuutta yli 10,000,000-kertaisesti matala-aktiiviseen jätteeseen verrattuna.

Tuottaako pienreaktori enemmän jätettä?

Kirjoituksen alussa mainitussa Tekniikka- ja Talous -lehden jutussa siis todettiin, että pienet reaktorit tuottavat [perinteisiin suuriin ydinvoimalaitoksiin verrattuna] enemmän ja vaikeampaa jätettä. Mihin tämä väite lopulta perustuu, ja mitä sillä oikeastaan tarkoitetaan?

Jutun alkuperäislähdettä selatessa selviää, että taustalla oleva tutkimus ei itse asiassa keskitykään korkea-aktiiviseen ydinjätteeseen, vaikka tämä onkin se jätelaji, joka aiheuttaa eniten vasta-argumentteja keskusteltaessa ydinvoiman tulevaisuudesta. Tutkimuksen painopiste on sen sijaan asetettu kokonaisuuden kannalta vähemmän huolta aiheuttaviin jätelajeihin, kuten aktivoituneisiin paineastioihin ja muihin neutronisäteilylle altistuviin komponentteihin. Kun laitos käytöstä poiston jälkeen puretaan, nämä osat muuttuvat matala- ja keskiaktiiviseksi jätteeksi. Pienreaktoreiden suurempi neutronivuoto aiheuttaa kyllä enemmän aktivoitumista sydämen ympärillä olevissa rakenteissa, mutta eroavatko reaktorityypit toisistaan myös sen varsinaisen ydinjätteen osalta?

Kuten edellä todettiin, valtaosa käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuusinventaarista muodostuu radioaktiivisista fissiotuotteista. Nämä radionuklidit ovat peräisin uraaniytimien halkeamisreaktioista, eli samasta prosessista, johon myös reaktorin energiantuotanto perustuu. Yksittäisessä fissiossa vapautuu aina likimain sama määrä energiaa. Jos tuotettu energiamäärä on kokonaisuudessaan sama, myös uraanin halkeamisesta jäljelle jääviä tytärytimiä syntyy prosessin sivutuotteena sama määrä.

Suuri kevytvesireaktori ja useammasta pienestä reaktoriyksiköstä muodostuva vastaavan kokoinen pienreaktorilaitos tuottavat siis käytön aikana yhtä suuren määrän fissiotuotteita. Tämä ajatus löytyy myös T&T-lehtijutun alkuperäislähteestä, joskaan sen merkitystä ei tekstissä ole juurikaan avattu. Tarkkasilmäiseltäkin lukijalta voi helposti jäädä huomaamatta, että reaktorin tyypillä, neutronitaloudella tai polttoaineen käyttöasteella ei ole vaikutusta siihen aktiivisuusinventaarin komponenttiin, joka muodostaa kaikkein suurimman osan kokonaisuudesta.

Tutkimuksessa korostetaan sen sijaan sitä, että matalamman käyttöasteen vuoksi pienreaktorin käytettyyn polttoaineeseen syntyy enemmän plutoniumia.ⁱⁱⁱ Erot kokonaisaktiivisuudessa tulevat näkyviin kymmenien tuhansien vuosien aikaskaalassa. Plutoniumin määrä ei kuitenkaan mittaa loppusijoituksen turvallisuutta, johon vaikuttaa lähdetermin lisäksi myös radionuklidien liukoisuus ja kulkeutuminen loppusijoitustilasta pintavesistöihin. Näiltä ominaisuuksiltaan plutonium kuuluukin kaikkein hitaimmin vapautuvien aineiden ryhmään.

Aktinidien heikko liukoisuus on mainittu tekstissä, mutta tämäkin ajatusketju on tavallaan jätetty puolitiehen. Pitkäikäinen plutonium ei lähde kulkeutumaan veden mukana elävään luontoon edes siinä vaiheessa, kun käytettyä polttoainetta suojaava kuparikapseli on syöpynyt puhki. Vaikka plutoniumin määrä loppusijoitettavassa jätteessä moninkertaistuisi, vaikutus ei näkyisi samalla tavalla maan pinnalta mitatuissa säteilyannoksissa (katso alaviite ii).

Paljonko on paljon?

Suuret erot perinteisten ja pienreaktoreiden välillä selittyvät osittain myös sillä, että vertailuissa tarkasteltiin käytön aikana syntyvien jätemäärien tilavuuksia. Valittu mittatikku on siitä ongelmallinen, että se ei anna yksiselitteistä kuvaa aktiivisuuden kokonaisinventaarista. Edellä todettiin, että reaktorin tyypillä ei ole vaikutusta esimerkiksi käytön aikana syntyvien fissiotuotteiden määrään. Perinteisen painevesireaktorin käytetyssä polttoaineessa nämä aineet ovat vain tiiviimmässä paketissa kuin pienreaktorin vastaavassa jätteessä.

Esitettyjä tilavuuksia ei tekstissä myöskään laiteta helposti hahmotettavaan mittakaavaan. Edellisessä blogikirjotuksessa todettiin, että jos kaikki Olkiluoto-3 -reaktorin 60 vuoden aikana käyttämät polttoaineniput asetettaisiin vieri viereen seisomaan, ne mahtuisivat suunnilleen tenniskentän kokoiselle alueelle. Kaatuuko unelma pienreaktoreista siihen, että vastaavan energiamäärän tuottavan pienreaktorilaitoksen polttoainenipuille jouduttaisiin vastaavassa vertailussa varaamaan toinenkin tenniskenttä?

Purkujätteen osalta tutkimuksessa esitetyt luvut osoittivat, että pienreaktorilaitoksen käytöstä poisto vaatii keskiaktiivisen jätteen luolasta vähintään kaksinkertaisen tilavuuden perinteiseen ydinvoimalaitokseen verrattuna. Referenssinä käytettiin ruotsalaista tuhannen megawatin painevesilaitosta, jonka purkamisessa syntyy aktivoitunutta terästä ja betonia noin 600 kuutiota. Määrän tuplaaminen tarkoittaisi sitä, että tarvittava tila olisi mitoiltaan esimerkiksi 11⨯11⨯11 metriä. Purkujätettä ei tietenkään pystytä pakkaamaan täydellisen tiiviisti, mutta dimensiot antavat tilavuutta paremman mielikuvan tarvittavan tilan koosta. Tätä paljon suurempia maanalaisia tiloja taitaa löytyä esimerkiksi jokaiselta metroasemalta.

Tutkimuksessa ei otettu kantaa siihen, että pienreaktoriteknologia voi myös helpottaa laitoksen käytöstä poistoa, sillä purettavat ja käsiteltävät osat ovat fyysiseltä kooltaan pienempiä. Moni pienreaktorikonsepti perustuu modulaarisiin sarjavalmisteisiin komponentteihin, jotka tuodaan tehtaalta laitokselle ja asennetaan paikalleen. Purkaminen tapahtuu päinvastaisessa järjestyksessä.

Entä edistyneet reaktorityypit?

Stanfordin tutkimusta on helppo kritisoida siitä, että tulokset on esitetty sekavasti ja valikoiden. Vertailuissa käytetyt mittarit eivät oikeastaan vastaa sitä, mistä ydinjätekeskustelussa yleensä puhutaan. Tutkimuksessa käsiteltiin kolmea reaktorikonseptia, jotka poikkeavat toimintaperiaatteeltaan niin paljon toisistaan, ettei tulosten pohjalta pitäisi yrittää vetää kaikkia pienreaktoreita koskevia yleisiä johtopäätöksiä.^iv Pienreaktori ei terminä viittaa mihinkään yksittäiseen reaktorityyppiin, vaan kyse on yläkäsitteestä, joka pitää sisällään lähestulkoon kaikki mahdolliset ydinteknologiat.

Tutkimuksessa arvosteltiin myös ydinalan haluttomuutta käsitellä uusiin reaktorityyppeihin liittyviä haasteita. Itse en tätä väitettä allekirjoita. Pienreaktoreiden jätehuoltokysymyksiä ei suinkaan olla lakaistu maton alle. Asiaa on hiljattain selvitetty esimerkiksi kansallisessa ydinjätehuollon KYT-tutkimusohjelmassa. Ydinvoimalaitosten käytöstä poisto on puolestaan teemana Business Finlandin rahoittamassa deCOmm-ekosysteemihankkeessa.

Suomessa mielenkiinto pienreaktoriteknologiaa kohtaan on keskittynyt vahvasti kevytvesityyppisiin konsepteihin juurikin siksi, että ne muistuttavat toimintaperiaatteeltaan hyvin tunnettuja perinteisiä paine- ja kiehutusvesireaktoreita. Esimerkiksi NuScalen reaktorissa käytetään polttoaineena samaa oksidimuodossa olevaa matalasti väkevöityä uraania kuin Suomen nykyisissä reaktoreissa. Polttoaineniput ovat käytännössä lyhennettyjä versioita Olkiluoto-3:n EPR:ään ladatusta polttoaineesta (kts. kuva 1). Tällaisille reaktoreille voidaan soveltaa nykylaitoksille valmisteltuja jätehuoltoratkaisuja sellaisenaan.

Edistyneisiin reaktorityyppeihin saattaa sen sijaan liittyä myös uusia haasteita. Esimerkiksi sulasuolareaktoreissa käytettävä polttoaine poikkeaa koostumukseltaan niin paljon perinteisistä kevytvesireaktoripolttoaineista, että myös jätehuoltoratkaisut on mietittävä uusiksi. Tämä ongelma nostettiin myös Stanfordin tutkimuksessa esille. Teollisen mittakaavan vedynvalmistuksen kannalta lupaavimpana teknologiana pidetään korkean lämpötilan kaasujäähdytteisiä reaktoreita, joissa polttoaine koostuu grafiittimatriisiin leivotuista mikroskooppisista uraanipartikkeleista. Tätä teknologiaa tutkitaan myös VTT:llä. Reaktorin tuottaman grafiittijätteen loppusijoitus on yksi tunnistetuista tutkimuskysymyksistä.

---

ⁱ⁾ Polttoaineen käyttöastetta mittaa suure nimeltä palama, joka kertoo polttoaineesta tuotetun lämpöenergian kokonaismäärän alkuperäistä uraanimassaa kohden. T&T-lehden jutun lähteenä käytetyssä tutkimuksessa tyypillisen modernin kevytvesireaktorin poistopalamaksi annettiin 55 MWd/kgU. NuScale-pienreaktorille vastaava arvo oli 34 MWd/kgU (valmistajan teknisissä tiedoissa ilmoitettu arvo 45 MWd/kgU). Luku ei kerro koko totuutta esimerkiksi uraanin käytön tehokkuudesta, sillä palamaa voidaan kasvattaa polttoaineen väkevöintiastetta nostamalla. Reaktoriin ladatut polttoaineniput tuottavat tällöin enemmän energiaa, mutta niiden valmistukseen kuluu myös enemmän luonnonuraania. Myös isotooppien erotus vaatii suuremman työn. Käytännössä polttoaineen käytön suunnittelussa on kyse optimointitehtävästä, jossa käyttöjakson pituutta rajoittaa mm. polttoaineen termomekaaninen kestävyys. Palaman noustessa esimerkiksi pienten polttoainevuotojen todennäköisyys kasvaa. NuScale-reaktorin 45 MWd/kgU poistopalama ei ole lukuna erityisen matala. Vastaavaa rajaa käytettiin Loviisassa vielä 2000-luvun ensimmäisellä vuosikymmenellä, ennen siirtymistä korkeamman palaman mahdollistavaan toisen sukupolven polttoaineeseen.

ⁱⁱ⁾ Ydinjätteen loppusijoitusta on käsitelty tarkemmin toisessa blogikirjoituksessa. Yksi ydinjätekeskustelun haasteista on, että eri osapuolet mieltävät turvallisuuden eri tavoin. Julkisessa keskustelussa ongelmaksi nostetaan tavallisesti plutonium, jonka Pu239-isotooppi hajoaa 24,000 vuoden puoliintumisajalla. Koska plutoniumia syntyy käytettyyn polttoaineeseen suhteellisen paljon, se pitää aktiivisuuden korkealla kymmenien tuhansien vuosien ajan. Turvallisuusanalyyseissä mittarina ei kuitenkaan käytetä loppusijoitetun jätemäärän jäljellä olevaa aktiivisuutta, vaan säteilyannosta, jonka käytetystä polttoaineesta vuotaneet radionuklidit aiheuttavat maan pinnalla asuville ihmisille. Näissä analyyseissä plutonium ja muut pitkäikäiset aktinidit eivät juurikaan näy, sillä ne eivät muodosta veteen helposti liukenevia yhdisteitä. Samasta syystä näiden aineiden määrän kasvattaminen ei myöskään kasvata säteilyannoksia maan pinnalla. Sama periaate toimii myös päinvastaiseen suuntaan. Vähemmän plutoniumia tuottavilla toriumreaktoreilla tai plutoniumin jatkuvaan kierrättämiseen perustuvalla suljetulla polttoainekierrolla ei ole geologisen loppusijoituksen kannalta aivan niin suurta merkitystä kuin aihetta käsittelevissä uutisissa usein annetaan ymmärtää.

ⁱⁱⁱ⁾ Käytetyssä polttoaineessa olevan plutoniumin määrän riippuvuus polttoaineen käyttöasteesta ei ole aivan suoraviivainen asia. Plutoniumia syntyy uraanista reaktorin käytön aikana, ja uraanin tapaan se voi myös fissioitua ja osallistua siten ketjureaktion ylläpitämiseen. Mitä pidempään polttoainetta pidetään reaktorissa, sitä enemmän energiaa se ehtii tuottaa. Myös suurempi osuus käytön aikana muodostuneesta plutoniumista ehtii tällöin palaa pois. Polttoaineen käyttöasteen nostaminen pienentää tuotettua energiaa kohden muodostuneen plutoniumin määrää. Korkeampaan käyttöasteeseen yltävä perinteinen ydinreaktori tuottaa siis pienreaktoriin verrattuna suhteessa vähemmän plutoniumia.

^iv) Tekniikka ja Talous -lehden uutisen otsikossa mainittu 35-kertainen jätemäärä on todennäköisesti poimittu tästä alkuperäislähteen lauseesta: ”This analysis of three distinct SMR designs shows that, relativeto a gigawatt-scale PWR, these reactors will increase the energy-equivalent volumes of SNF, long-lived LILW, and short-lived LILW by factors of up to 5.5, 30, and 35, respectively.” Lyhenteet SNF ja LILW viittaavat käytettyyn polttoaineeseen (spent nuclear fuel) ja matala- ja keskiaktiiviseen jätteeseen (low- and intermediate-level waste). Uutisen otsikosta voi helposi saada sellaisen kuvan, että pienreaktorit tuottaisivat johdonmukaisesti 35 kertaa perinteisiä ydinvoimalaitoksia enemmän korkea-aktiivista ydinjätettä. Todellisuudessa kyse on kuitenkin enemmän siitä, että tietyissä eksoottisissa reaktorityypeissä syntyy suuri määrä lyhytikäistä matala- ja keskiaktiivista jätettä, jonka varastointi ja loppusijoitus vaatii nykylaitoksiin verrattuna huomattavasti suuremman tilavuuden.

Ketjureaktio käynnistyi Olkiluoto kolmosella

Jaakko Leppänen – 21.12.2021

Suomen viidennen ydinvoimalaitoksen käyttöönotossa saavutettiin maaliskuussa merkittävä virstanpylväs, kun Olkiluodon kolmosreaktoriin ladattiin ensimmäistä kertaa ydinpolttoainetta. Laitoksesta tuli samalla virallisen luokituksen mukainen käytössä oleva ydinvoimalaitos. Reaktori käynnistettiin ensimmäistä kertaa tiistaina 21.12.2021. Ketjureaktio saavutti itseään ylläpitävän tilan kello 3:22. Aikataulun mukaan voimalaitos on määrä kytkeä sähköverkkoon tammikuun lopulla. Jos käyttöönotto-ohjelma etenee suunnitelmien mukaan, säännöllinen sähköntuotanto voisi alkaa ensi kesänä.

Olen itse seurannut OL3 -hankkeen etenemistä käytännössä koko tähänastisen työurani ajan. Valmistuin diplomi-insinööriksi keväällä 2002, jolloin myös uusi ydinvoimalaitos sai eduskunnan periaatepäätösäänestyksessä vihreää valoa. Projektista käytettiin tuolloin lyhennettä FIN5, sillä laitoksen sijoituspaikaksi oli vielä kaksi vaihtoehtoa. Olkiluodon sijaan uusi reaktori oltaisiin voitu rakentaa myös Loviisan ydinvoimalaitosalueelle. Paikkavalinta lyötiin lukkoon seuraavana vuonna. Laitostoimittajaksi valittiin ranskalaisen Framatomen ja saksalaisen Siemensin muodostama konsortio, joka kehitti 1600 megawatin European Pressurized Water Reactor (EPR) -painevesireaktoria. Rakennustyöt pääsivät alkamaan heinäkuussa 2005.

Alkuvaiheen jälkeen hanke ei tunnetusti ole edennyt suunnitelmien mukaan. Alun perin laitoksen piti tuottaa sähköä verkkoon jo vuonna 2009, eli tavoitteesta ollaan reilusti yli kymmenen vuotta jäljessä. Projekti on kestänyt niin kauan, että moni on varmasti ehtinyt epäillä: valmistuuko suomen viides ydinvoimalaitos koskaan? Myös median huomio on keskittynyt lähinnä projektin ongelmiin. Hanke eteni rakentamisesta käyttöönottovaiheeseen vailla suurempaa huomiota. Otsikoita saatiin aikaiseksi lähinnä testeissä havaituista poikkeamista. Olkiluoto kolmosta on myös väitetty maailman kalleimmaksi rakennukseksi. Hintaan kuitenkin sisältyy paljon muutakin kuin viiden eduskuntatalon verran betonia. Minkälaisen ydinvoimalaitoksen Suomi on sitten pitkän odotuksen jälkeen lopulta saamassa?

Perinteistä kevytvesiteknologiaa

Olkiluoto-3 oli ensimmäinen EPR-mallin reaktori, jota alettiin rakentamaan. Ranskalaisten oma EPR-hanke Flamanvillessä käynnistyi kaksi vuotta myöhemmin, ja kahden vastaavan laitosyksikön rakentaminen aloitettiin Taishanin ydinvoimalaitoksella Kiinassa vuosina 2009–2010. Myös Iso-Britannian Hinkley Pointiin ollaan parhaillaan rakentamassa kahta EPR-laitosyksikköä. Olkiluodon tapaan myös ranskalaisten projekti on viivästynyt vuosilla alkuperäisestä aikataulustaan. Taishanin laitokset tuottavat kuitenkin jo sähköä verkkoon, eli aivan ainutlaatuisesta hankkeesta ei Olkiluodossakaan enää ole kyse.

Ydinteknologian historia jaetaan tavallisesti neljään sukupolveen. Kehityksen kaari ulottuu varhaisista prototyypeistä sellaisiin tulevaisuuden reaktoriteknologioihin, jotka eivät vielä ole laajamittaisessa käytössä. Loviisan ja Olkiluodon vanhat laitosyksiköt edustavat ydintekniikan toista sukupolvea. Tähän luokitukseen kuuluvat perinteiset paine- ja kiehutusvesireaktorit, jotka valloittivat markkinat 1970-luvulle tultaessa.

Olkiluodon EPR sekä Fennovoiman tilaama venäläinen AES-2006ⁱ sen sijaan kuuluvat jo seuraavaan teknologiasukupolveen. Kolmannen sukupolven reaktorit muistuttavat perusratkaisuiltaan perinteisiä toisen sukupolven laitoksia, mutta niiden suunnittelussa on lähtökohtaisesti otettu huomioon vuosien varrella kertyneitä käyttökokemuksia. Varsinaisen teknologiaharppauksen sijaan kyse on kuitenkin enemmän evolutiivisesta muutoksesta, minkä vuoksi myös sukupolvien välinen jako on jossain määrin häilyvä.

Perusratkaisuiltaan EPR on siis varsin tyypillinen painevesilaitos. Reaktorin ydintekninen puoli on kehitetty ranskalaisen Framatomen 1980-luvulla suunnitteleman N4-reaktorin pohjalta, joka on puolestaan pitkän, edellisille vuosikymmenille ulottuvan kehityslinjan tulos. Laitoksen turbiiniteknologia on lainattu konsortion toisen osapuolen, saksalaisen Siemensin kehittämistä Konvoi-laitoksista. Molemmat reaktorityypit ovat toimineet menestyksekkäästi, ja niitä on edelleen käytössä. EPR:ssä laitoskokoa on kasvatettu muutamalla sadalla megawatilla. Reaktori tuottaa 4300 MW fissiotehoa ja 1600 MW sähköä.

Ydinreaktorin polttoaineena käytettävä uraanioksidi on reaktorissa sormenpään kokoisina pelletteinä, jotka on suljettu pitkien kaasutiiviiden metallikuoristen polttoainesauvojen sisälle. Sauvat on edelleen kasattu suurempiin nippuihin, jotka muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Yksittäisessä EPR-polttoainenipussa on 265 metallikuorista uraanisauvaa. Nipun halkaisija on vajaa 22 senttimetriä ja korkeus reilu neljä metriä. Sydämessä on yhteensä 241 nippua, ja uraanin kokonaismäärä on vajaa 128 tonnia.

Reaktorin käynnistämiseen, sammuttamiseen ja tehon säätöön käytetään neutroniabsorbaattoria sisältäviä säätösauvoja, jotka työntyvät polttoainenipuissa oleviin ohjausputkiin. Painevesireaktoreissa säätöön käytetään myös veteen liuotettua boorihappoa, jonka pitoisuutta muuttamalla voidaan vaikuttaa reaktorin neutronitasapainoon. Booripitoisuutta laimentamalla kompensoidaan erityisesti polttoaineen kulumista.

Kuva 1: Länsimaisen painevesireaktrorin polttoainenippu. Uraanioksidia sisältävät polttoainesauvat on tyypillisesti asetettu 17×17 sauvan neliöhilaan. 24 sauvapaikkaa on korvattu ontoilla ohjausputkilla, joihin reaktorin säätösauvat (oikealla) työntyvät. Tässä mallissa nipun keskimmäinen sauvapaikka on varattu instrumentoinnille. Lähde: www.world-nuclear.org.

Reaktorin sydän on suljettu paksuseinämäisen paineastian sisälle. EPR:ssä paineastialla on leveyttä noin viisi ja korkeutta 15 metriä. Koska kyse on painevesireaktorista, vesikierto on jaettu kahteen sisäkkäiseen piiriin. Sydämen läpi virtaava jäähdyte pidetään nestemäisessä olomuodossa korkean paineen avulla. EPR:ssä primääripiirin paine on nostettu 155 baariin (n. 155 ilmakehään). Veden kiehumispiste nousee tällöin 345 celsiusasteen tienoille. Vesi virtaa paineastiaan sisään 296ºC lämpötilassa, ja lämpenee polttoainesauvojen välissä kulkiessaan noin 30 asteella. Reaktorin käydessä sydämen läpi virtaa noin 30 kuutiota vettä sekunnissa. Määrä ylittää reippaasti esimerkiksi Vantaanjoen keskimääräisen virtaaman.

Primäärikierto muodostuu neljästä putkihaarasta. Jokaiseen haaraan on kytketty virtausta ylläpitävä pääkiertopumppu, sekä primääri- ja sekundäärikierron välisenä lämmönvaihtimena toimiva höyrystin. Sekundääripuolen vesi virtaa matalammassa, n. 75 baarin paineessa, ja kiehuu kulkiessaan höyrystimien läpi. Höyry johdetaan ensin yhdelle korkeapaine-, ja tämän jälkeen kolmelle matalapaineturbiinille. Turbiinit pyörittävät samalle akselille kytkettyä generaattoria, joka tuottaa sähköä valtakunnanverkkoon. Primääripiirin paineen säätöön käytetään paineistinta, joka on käytännössä yhteen putkihaaraan kytkeytyvä suuri paisuntasäiliö. Paineen nostaminen tapahtuu kiehuttamalla säiliössä olevaa vettä sähkövastuksilla, ja laskeminen ruiskuttamalla viileämpää vettä höyryn täyttämään ylätilaan.

Kuva 2: Painevesilaitoksen toimintaperiaate. Lähde: TVO.

Olkiluodon ydinvoimalaitosten toimintaperiaatetta on kuvattu TVO:n sivulta löytyvällä videolla. EPR-laitoksen tekniikasta löytyy paljon lisätietoa pdf-muotoisesta esitteestä. Sivustolta on ladattavissa myös voimalaitoksen yksityiskohtainen halkileikkaus.

Kolmannen sukupolven turvallisuussuunnittelua

Koska EPR edustaa varsin perinteistä kevytvesiteknologiaa, myös reaktorin turvallisuussuunnittelun haasteet ovat pohjimmiltaan samat kuin vanhoissa toisen sukupolven ydinvoimalaitoksissa.ⁱⁱ Polttoainesauvojen metalliset suojakuoriputket eivät kestä korkeita lämpötiloja, ja ylikuumenemisen välttämiseksi sydämessä on kyettävä kaikissa käyttötilanteissa ylläpitämään riittävää vesikiertoa. Haasteellisimpia tilanteita ovat erilaiset jäähdytteenmenetysonnettomuudet, jotka voivat saada alkunsa esimerkiksi primääripiirin putkivuodosta. Vuodon sattuessa korkeassa paineessa oleva reaktori pyrkii tyhjenemään avatun kuohuviinipullon tavoin nopeasti vedestä. Jos polttoainesauvat pääsevät kuivumaan pinnastaan, niiden lämpötila alkaa nousta.

Kaikkien ydinreaktoreiden turvallisuussuunnittelu nojaa muutamaan yleismaailmalliseen periaatteeseen. Tärkein näistä on nk. syvyyssuuntainen puolustus. Reaktorissa syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset aineet on eristettävä ympäristöstä useammalla sisäkkäisellä ja toisistaan riippumattomalla vapautumisesteellä. Polttoaineena käytettävä uraani on kiinteässä keraamisessa olomuodossa metallisten suojakuoriputkien sisällä. Polttoainesauvojen kanssa kosketuksissa oleva vesi virtaa suljetussa primäärikierrossa. Reaktori ja primääripiirin komponentit on edelleen suljettu kaasutiiviin paineenkestävän suojarakennuksen sisälle. Radioaktiivinen päästö ympäristöön on mahdollinen vasta kun kaikki sisäkkäiset vapautumisesteet on menetetty. Eli vaikka reaktorin polttoaine pääsisi vaurioitumaan, uloimpana vapautumisesteenä toimiva suojarakennus rajoittaisi päästön laitoksen sisätiloihin.

Syvyyssuuntaista puolustusta tuetaan erilaisilla aktiivisilla ja passiivisilla turvallisuusjärjestelmillä. Jäähdytteenmenetysonnettomuudessa reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmät alkavat syöttää sydämeen lisää vettä. Tarkoituksena on estää polttoainevauriot, eli ensimmäisen vapautumisesteen pettäminen. Putkivuototilanteessa reaktorista purkautuva höyry alkaa nostaa suojarakennuksen sisäistä painetta. Ilmatilaa voidaan jäähdyttää esimerkiksi vesiruiskutuksella, mikä pienentää seinämiin kohdistuva painekuormaa.

Turvallisuuden kannalta kriittisten järjestelmien toteutuksessa sovelletaan moninkertaisia varmistuksia, jotka perustuvat erilaisiin vikasietoisuuskriteereihin. Redundanssi- eli rinnakkaisuusperiaatteen mukaan reaktorin hätäjäähdytys on toteutettava siten, että polttoaine ei saa putkivuototilanteessa päästä ylikuumenemaan, vaikka vain osa veden syöttöön varatuista pumpuista toimisi tarkoitetulla tavalla. Diversiteetti- eli erilaisuusperiaatteella puolestaan pyritään pienentämään yhteisvikojen mahdollisuutta. Sähkötoimisten pumppujen käyttövoima voidaan ottaa tarkoitukseen varattujen dieselgeneraattoreiden lisäksi esimerkiksi liikuteltavilta aggregaateilta tai viereiseltä laitosyksiköltä. Olkiluodossa sähkönsyöttöä varmistaa myös kantaverkon varavoimayksikkönä toimiva kaasuturbiinilaitos, sekä erilliset sähköyhteydet Paneliankosken voiman verkkoon ja Harjavallan vesivoimalaitokselle.

Reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmien osalta kolmannen sukupolven EPR ei eroa ratkaisevasti vanhemmista toisen sukupolven laitoksista Loviisassa ja Olkiluodossa.ⁱⁱⁱ Turvallisen toiminnan perusperiaatteet on kirjattu ydinenergialakiin ja viranomaisohjeisiin, ja ne koskevat sekä uusia että vanhoja laitoksia. Suurimmat erot löytyvät sen sijaan varautumisesta ulkoisiin uhkiin sekä vakaviin onnettomuustilanteisiin. EPR:n suojarakennus on esimerkiksi mitoitettu kestämään suuren matkustajalentokoneen törmäys.

Näkyvin osa kolmannen sukupolven turvallisuussuunnittelua on kuitenkin reaktorikuilun alapuolelle sijoitettu sydänsulan leviämisalue. Vakavassa reaktorionnettomuudessa polttoaine voi sulaa paineastian pohjan läpi. Sula sydänmassa valuu tällöin laakeaan teräskaukaloon, jolloin jäähdytykseen käytettävissä oleva lämmönsiirtopinta-ala kasvaa mahdollisimman suureksi. Onnettomuustilanne saadaan hallintaan jäähdyttämällä sydänsula takaisin kiinteään olomuotoon.

Kuva 3: EPR-painevesireaktorin vakavien onnettomuuksien hallintaan tarkoitettu sydänsulan leviämisalue reaktorin alapuolella. Lähde: Areva.

Eli vaikka polttoaineen vaurioituminen pyritään kaikin keinoin estämään, reaktorin turvallisuussuunnittelussa on varauduttu myös pahimpiin mahdollisiin onnettomuustilanteisiin. Edes täysmittaisesta sydämensulamisonnettomuudesta ei saa seurata suurta radioaktiivista päästöä ympäristöön. Myös vanhempiin ydinvoimalaitoksiin on jälkiasennuksina kehitetty erilaisia tapoja hoitaa vakavia onnettomuustilanteita, mutta vielä 1970-luvulla turvallisuussuunnittelun lähtökohta oli, että täysmitaisen sydämensulamisonnettomuuden mahdollisuus voidaan sulkea pois, jos vain reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmien toiminta on varmistettu riittävän huolellisesti.^iv

Käyttöönotto etenee vaiheittain

Olkiluoto 3 siirtyi käyttöönottovaiheeseen vuonna 2016, kun viimeiset rakennus- ja asennustyöt oli saatu päätökseen, ja uudelle ydinvoimalalle haettiin käyttölupaa. Laitoksella oli tosin tehty jo kaksi vuotta aikaisemmin esimerkiksi suojarakennuksen tiiveyskoe, jossa testattiin rakenteiden kestävyyttä korkean paineen alla. Käyttöönotto-ohjelman alkuvaiheessa reaktorin järjestelmille tehtiin erilaisia kylmä- ja kuumakokeita, joissa testattiin mm. primääripiirin pumppujen ja venttiilien toimintaa. Hallitus myönsi reaktorille käyttöluvan maaliskuussa 2019.

Käyttöönottovaiheen viimeinen osuus alkoi tämän vuoden maaliskuussa, kun reaktoriin ladattiin ensimmäisen kerran polttoainetta. Ennen reaktorin käynnistämistä laitoksella tehtiin vielä lisää kuumakokeita, sekä sydämen instrumentoinnin ja säätösauvakoneistojen testausta. Seuraava vaihe oli ketjureaktion käynnistäminen, jonka oli määrä tapahtua elokuussa. Käyttöönottokokeiden yhteydessä laitoksen matalapaineturbiinilla havaittiin kuitenkin vaurioita, joiden korjaaminen ja tarkastus lykkäsi aikataulua vielä neljällä kuukaudella eteenpäin.

Painevesireaktorit käynnistetään kuumasta tilasta, eli ennen fissiotehon nostamista reaktorin primäärijäähdyte lämmitettiin vajaan kolmensadan asteen käyttölämpötilaan. Lämmitykseen käytetään reaktorin pääkiertopumppuja, jotka nostavat virtausnopeuden niin korkeaksi, että putkistoissa kulkeva vesi alkaa lämmetä kitkan vaikutuksesta. Pumppujen yhteenlaskettu tehonkulutus voi EPR:ssä nousta 36 megawattiin. Huomattava osa pumppaukseen käytetystä energiasta muuttuu lopulta lämmöksi.

Kun riittävän korkea lämpötila oli saavutettu, reaktorin säätösauvoja alettiin vetämään ulos sydämestä. Sauvat on jaettu useampaan ryhmään, jotka yhtä ryhmää lukuun ottamatta nostettiin ensin yläasentoon. Jäähdytteen booripitoisuus laimennettiin tämän jälkeen lähelle kriittistä konsentraatiota. Käynnistäminen tapahtui vetämällä viimeistä säätösauvaryhmää ulos sydämestä kunnes ketjureaktio saavutti itseään ylläpitävän tilan.

Ensimmäisissä kriittisyyskokeissa reaktori tuottaa vielä hyvin vähän lämpöä. Tehon nosto tapahtuu vaiheittain käyttöönotto-ohjelman edetessä. Varsinaisen koekäytön aikana reaktoria tullaan ajamaan vaihtelevalla teholla. Laitos on määrä kytkeä sähköverkkoon ensimmäisen kerran tammikuun lopulla. Jos käyttöönotto etenee tämän jälkeen aikataulun mukaan, säännölliseen tuotantoon päästään ensi kesänä.

Suomessa ydinreaktorit on suunniteltu toimimaan 12 kuukauden käyttöjaksolla. Olkiluodon uudessa reaktorissa jakso voi olla myös pidempi, esimerkiksi 24 kuukautta. Vuosihuollot ja polttoaineen vaihto on mielekästä ajoittaa kesäkuukausille, jolloin sähkön tarve on minimissään. Reaktori toimii koko käyttöjaksonsa ajan yhtämittaisesti samalla polttoainelatauksella. Lataustavasta riippuen noin neljännes tai viidennes reaktoriin ladatuista polttoainenipuista vaihdetaan jakson päätteeksi uusiin. Käytöstä poistetut niput ovat korkea-aktiivista ydinjätettä, jonka kohtalona on Suomessa geologinen loppusijoitus. Olkiluotoon louhittu loppusijoitusluolasto on mitoitettu vastaanottamaan myös OL3:n käytetyn polttoaineen. Reaktorin suunniteltu käyttöikä on 60 vuotta.

Kuva 4: OL3-reaktori kuluttaa 60 vuoden käyttöikänsä aikana noin 3800 polttoainenippua. Vierekkäin aseteltuna nämä mahtuisivat seisomaan tenniskentän kokoiselle alueelle. Havainnekuvaan piirretty jakkara helpottaa mittakaavan hahmottamista. Kaikki käytöstä poistetut niput tullaan aikanaan loppusijoittamaan syvälle kallioperään Olkiluodon saarelle.

Suomen suurin ympäristöteko?

Vuonna 2010 ympäristöjärjestö Greenpeace julkaisi Itsekkyyden muistomerkiksi nimetyn kivipaaden, johon kaiverrettiin kaikkien lisäydinvoiman puolesta äänestäneiden kansanedustajien nimet. Kyse oli tällöin eduskunnan periaatepäätöksestä, jolla ratkaistiin Olkiluodon neljännen sekä Fennovoiman uuden ydinvoimalaitoksen kohtalot.^v Olkiluodon kolmosyksikön rakentaminen oli tässä vaiheessa ollut käynnissä viitisen vuotta. Greenpeacen lisäksi tilaisuutta oli näkyvästi masinoimassa myös joukko ydinvoimaa vastustavia poliitikkoja, erityisesti vihreiden riveistä.

Itsekkyyden muistomerkki seisoo edelleen Töölönlahden rannassa, mutta ydinvoimakeskustelun sävy on selvästi muuttunut. Vihreiden periaateohjelmasta ydinvoiman kategorinen vastustaminen on jo pudotettu pois. Puolueen sisällä toimiva Tieteen ja teknologian vihreät -jäsenyhdistys on mennyt kannanotoissaan vieläkin pidemmälle toteamalla, että ydinvoima pitäisi nähdä yhtenä keinona taistelussa ilmastonmuutosta vastaan. Mielipidemittausten mukaan ydinvoiman suosio on noussut jo uuteen ennätykseen. Kymmenessä vuodessa tapahtunut asennemuutos voi vaikuttaa yllättävältä. Samalle ajanjaksolle mahtuu historian toiseksi vakavin ydinvoimalaonnettomuus, ja Olkiluodon kolmosreaktori on myöhästynyt alkuperäisestä aikataulustaan 13 vuodella.

Mitä energia-alalla sitten on kuluneen vuosikymmenen aikana tapahtunut? Ensimmäiset kansainväliset sopimukset kasvihuonekaasupäästöjen leikkaamisesta tehtiin jo 1990-luvulla, mutta sekä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus että päästölukemat ovat edelleen vain kasvussa. Muutamaa poikkeusvuotta lukuun ottamatta ilmaan on joka vuosi päässyt edellisvuotta enemmän lämpenemistä edistäviä kasvihuonekaasuja. Uusiutuvaan energiantuotantoon on panostettu voimakkaasti jo 2000-luvun alusta lähtien, mutta yrityksistä huolimatta tuuli- ja aurinkoenergialla ei olla saatu aikaiseksi luvattuja päästövähennyksiä.^vi

Kertooko asennemuutos kenties siitä, että ideologinen energiapolitiikka on ainakin Suomessa tulossa tiensä päähän? Asiantuntija-arvioiden mukaan ilmastomuutoksen vaikutusten rajoittaminen luonnon monimuotoisuuden ja ihmisten hyvinvoinnin kannalta siedettävälle tasolle edellyttää kasvihuonekaasupäästöjen pudottamista nollaan vuosisadan puoliväliin mennessä. Aika on käymässä vähiin, ja lupausten ja kunnianhimoisten tulevaisuusskenaarioiden sijaan tarvitaan jo konkreettista näyttöä siitä, että suunta on todella kääntymässä.

Kuva 5: Kasvihuonekaasupäästöjen kehittyminen aikavälillä 1960–2018, sekä Kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n asettama päästövähennystavoite. 2000-luvulla päästöt ovat kasvaneet eniten Kiinassa, mihin on siirtynyt länsimaista paljon energiaa kuluttavaa teollisuustuotantoa. COVID-19 -pandemia on jonkin verran hidastanut päästöjen kasvua, mutta merkkejä suunnan kääntymisestä ei vieläkään ole. Ennuste vuoden 2021 kokonaispäästöille on 36.4 miljardia tonnia. Lähde: reddit.

Globaalissa mittakaavassa Suomen kasvihuonekaasupäästöt ovat vain pisara meressä. Pienikin maa voi silti toimia suunnannäyttäjänä. Teollisuuden voima kutsuu Olkiluoto kolmosta Suomen suurimmaksi ilmastoteoksi. Onko kyse pelkästä mainoslauseesta, vai saavutetaanko uuden ydinvoimalan käyttöönotolla todella niin merkittävää hyötyä kuin mitä väite antaa ymmärtää? Ydinvoima on yksi vähäpäästöisistä sähköntuotantomuodoista,^vii mutta miten suuren lisäyksen puhtaaseen tuotantoon yksittäinen reaktori voi lopulta tuoda?

Vuonna 2020 Suomessa tuotettiin sähköä yhteensä 66 terawattituntia. Tuotanto-osuudet jakautuivat ydinvoiman (22.4 TWh), vesivoiman (15.6 TWh), biomassan (10.1 TWh), tuulivoiman (7.8 TWh) sekä fossiilisten polttoaineiden (9.1 TWh) ja muiden energialähteiden kesken. OL3:n arvioitu vuosituotanto tulee olemaan 12–13 TWh, mikä tarkoittaa ydinenergiantuotannon kasvattamista yli puolella, tai lähes 20% lisäystä sähkön kokonaistuotantoon. Ydinvoima on jo pitkään ollut Suomen merkittävin yksittäinen sähköntuotantomuoto, ja uuden laitoksen käynnistyminen nostaa ydinsähkön tuotanto-osuuden yli 40%:iin.

Kuva 6: Kotimaisen sähköntuotannon jakautuminen vuonna 2020. Kuvaan on piirretty myös Olkiluoto 3 -voimalaitoksen arvioitu vuosituotanto. Sähkön kokonaistuotanto ja -kulutus olivat 66 ja 81 TWh, eli sähköä tuotiin lisäksi ulkomailta 15 terawattitunnin verran. Vuonna 2020 noin 85% kotimaisesta tuotannosta saatiin vähäpäästöisistä energiamuodoista. Data: Energiateollisuus ry.

Ydinenergiaa kritisoidaan monessa yhteydessä liian hitaaksi keinoksi vaikuttaa maailman kasvihuonekaasupäästöihin. Tällaiset väitteet pohjaavat kuitenkin enemmän erilaisiin tulevaisuusskenaarioihin kuin toteutuneeseen tuotantoon. Huoli ydinvoimarakentamisen hitaudesta kuvaakin paremmin sitä, ettei mikään vähähiilinen energiantuotantomuoto korvaa globaalissa mittakaavassa fossiilisia polttoaineita riittävän nopeasti. Kuvan 6 luvuista nähdään, että OL3:n tuotanto ylittää selvästi esimerkiksi Suomen kaikkien tuulivoimaloiden vuoden 2020 yhteenlasketun vuosituotannon. Se, että 13 vuotta aikataulusta myöhässä valmistuva ydinvoimala menee ohi tuulivoimasta, ei anna kovin mairittelevaa kuvaa myöskään uusiutuvien energiantuotantomuotojen rakentamisen nopeudesta.

Vaikka Olkiluodon EPR-laitosta käytetään monissa yhteyksissä osoituksena ydinvoimarakentamisen ongelmista, tilastojen perusteella kyse on enemmän poikkeuksesta kuin säännöstä. Projektin aikana maailmalla on viety onnistuneesti maaliin yli 50 ydinvoimalahanketta huomattavasti lyhyemmässä ajassa. Suurin osa laitoksista on rakennettu Kiinaan, missä keskimääräinen rakentamisaika on pudonnut kuuteen vuoteen. Uusimpien suunnitelmien mukaan Kiinaan on määrä valmistua 150 uutta reaktoria seuravien 15 vuoden kuluessa.

Aikataulujen venyminen lännessä kertoo todennäköisesti enemmän ydinvoimarakentamisen perinteen hiipumisesta kuin teknisistä rajoitteista. Edellinen ydinvoimabuumi koettiin yli 40 vuotta sitten, jolloin uusia laitoksia valmistui huomattavasti nykytahtia nopeammin. Esimerkiksi Ruotsin kaikki 12 kaupallista ydinvoimalaitosyksikköä otettiin käyttöön huomattavan lyhyessä ajassa vuosina 1971–1985. Uusien laitosten rakentamisesta vastaa nykyisin jo uusi sukupolvi, jolle ei vastaavaa rutiinia ja käytännön kokemusta ole vielä ehtinyt kertyä.

Onko suurten ydinvoimalaitosten aika jo ohi?

Ydinenergia-alalla on tapahtunut Olkiluoto-3 -projektin kuluessa kehitystä, eikä laitos edusta enää markkinoiden uusinta teknologiaa. Kun reaktori tilattiin vuosituhannen alussa, laitosvalmistajat keskittyivät vielä kolmannen sukupolven kevytvesiteknologiaan. Ydinvoiman suosio oli romahtanut jo 1980-luvulle tultaessa, samoin uusien laitosten tilaukset. Markkinoilla pärjätäkseen laitosvalmistajien oli parannettava kilpailukykyään, mikä tehtiin pitkälti yksikkökokoa kasvattamalla.

Alan kehitys on sittemmin kääntynyt kohti ketterämmin valmistettavia ja rakenteeltaan yksinkertaisempia modulaarisia pienreaktoreita. Myös suurille laitosyksiköille on silti ainakin vielä toistaiseksi ollut kysyntää. Kun tarve puhtaalle sähkölle on suuri, myös suurten tuotantolaitosten rakentaminen voi edelleen olla houkutteleva vaihtoehto. Esimerkiksi Puolassa valtiollisen energiaohjelman tavoitteeksi on otettu rakentaa seuraavien vuosikymmenien aikana kuusi suurta kevytvesireaktoria, kapasiteetiltaan yhteensä 6000–9000 megawattia. Kyse on suurista investoinneista, joilla edesautetaan siirtymistä kivihiilestä puhtaampiin energiamuotoihin. Koska käyttötapa on ydinvoimalaitokselle varsin perinteinen, myös ratkaisuksi soveltuu perinteinen, hyvin tunnettu teknologia.^viii

Monessa maassa uusilla laitoksilla korvataan käytöstä poistuvaa ydinvoimakapasiteettia, jota on tyypillisesti rakennettu samalle laitospaikalle tuhansien megawattien edestä. Ympäristöluvat sekä sähköverkon siirtoyhteydet ja muu infra tukevat tällöin valmiiksi suuria laitosyksiköitä. Venäjällä Suomenlahden rannalla sijaitsevan Leningradin ydinvoimalaitoksen Tšernobyl-tyyppisiä RBMK-reaktoreita ollaan korvaamassa moderneilla kevytvesireaktoreilla. Ensimmäiset AES-2006 -sarjan laitokset otettiin käyttöön vuosina 2018–2020. Reaktorityyppi on sama kuin Fennovoiman tilaamassa laitoksessa. Myös Iso-Britanniassa tarvitaan paljon uutta kapasiteettia korvaamaan käyttöikänsä päähän tulevia kaasujäähdytteisiä AGR-laitoksia, sekä vähentämään riippuvuutta fossiilisesta maakaasusta. Uusimmassa energiastrategiassa ydinvoiman lisärakentaminen on nostettu jälleen merkittävään rooliin. Samaan tapaan maakaasusta riippuvaisessa Hollannissa tehtiin hiljattain vastaava poliittinen päätös ydinvoiman lisärakentamisesta.

Vaikka pienreaktoreihin kohdistuu suuria odotuksia, kyse ei ole vielä siinä mielessä kaupallisesti kypsästä teknologiasta, että komponenttien sarjavalmistus ja tyyppihyväksyntään perustuvat luvituskäytännöt odottavat edelleen käytännön demonstraatiota. Tilanne voi kuitenkin muuttua jo parissa vuodessa. Aika näyttää, ajaako uusi teknologia lopulta kolmannen sukupolven suuret ydinvoimalaitokset kokonaan pois markkinoilta.

Miten tästä eteenpäin?

Suomen vanhoilla ydinvoimalaitoksilla on vielä käyttöikää jäljellä. Olkiluodon ykkös- ja kakkosyksikön käyttöluvat uusittiin kolme vuotta sitten. Laitosten käyttöä voidaan jatkaa ainakin vuoden 2038 loppuun saakka. Loviisan nykyiset käyttöluvat umpeutuvat vuosina 2027 ja 2030, mutta on hyvin mahdollista, että laitoksille haetaan vielä käyttöiän pidennystä. Fennovoiman Hanhikiven voimalaitoksen on määrä valmistua tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Laitos kasvattaa Suomen ydinvoimakapasiteettia vielä 1200 megawatilla.

Suomessa sähkön tuotantorakenne on jo sen verran puhdas, ettei suuria päästövähennyksiä ole mahdollista saavuttaa yksinomaan vähähiilistä lisäkapasiteettia rakentamalla. Kysymys ydinvoiman lisärakentamisesta noussee silti ennemmin tai myöhemmin uudelleen pöydälle. Syy tähän on energia-alan rakennemuutos. Autokannan sähköistyminen tulee siirtämään fossiilisten polttoaineiden muodossa kulutetun energian osuutta yhä enemmän sähköntuotannon ongelmaksi. Vielä suurempia lisäyksiä on odotettavissa teollisuuden puolelta. Viime vuonna julkaistussa tiekartassa pelkästään kemianteollisuuden syötevirtojen puhdistamisen ennustetaan kasvattavan sähkön kulutusta lähes 60 terawattitunnin verran. Lukema lähentelee jo nykyistä kotimaista kokonaistuotantoa (66 TWh).

Energiateollisuuden päästöleikkaukset eivät siis tarkoita että sähkön kokonaiskulutus olisi laskemassa, pikemminkin päin vastoin. Ydinenergialle ollaan myös etsimässä uusia käyttökohteita perinteisen sähköntuotannon ulkopuolelta. Suomen tapauksessa mielenkiintoisia mahdollisuuksia tarjoaa kaukolämpö, jonka tuotannossa käytetään edelleen runsaasti fossiilisia polttoaineita. VTT:llä kehitetään parhaillaan tarkoitukseen soveltuvaa matalan lämpötilan pienreaktoria.

Globaalissa mittakaavassa varteenotettavan vaihtoehdon erityisesti teollisuuden ja liikenteen päästövähennyksiin tarjoaa vetytalous, joka tarkoittaa käytännössä öljyn ja muiden fossiilisten energiaraaka-aineiden korvaamista puhtaasti tuotetulla vedyllä. Laajamittaiseen vetytalouteen siirtyminen edellyttää kuitenkin vähähiilisen vedyntuotantokapasiteetin tuhatkertaistamista, eli aivan pienestä haasteesta ei ole kyse. Tulevaisuuden energiatarpeet vaikuttavat väistämättä myös ydinteknologian kehitykseen. Kuluvan vuosisadan jälkipuoliskolla suurin osa maailman reaktorikannasta voi jo muodostua keskitettyyn sähköntuotantokäyttöön valjastettujen kevytvesilaitosten sijaan korkean lämpötilan reaktoreista, joita on rakennettu suurten teollisuuskompleksien yhteyteen tuottamaan puhdasta vetyä. Kiinassa ensimmäinen korkean lämpötilan HTR-PM -demonstraatiolaitos käynnistettiin tänä syksynä.

---

ⁱ⁾ AES-2006 kuuluu samaan VVER-kehityslinjaan kuin Loviisan VVER-440 -reaktorit. Laitos muistuttaa perusratkaisuiltaan ja turvallisuusominaisuuksiltaan länsimaisia kolmannen sukupolven painevesireaktoreita. Itäreaktoreille ominaisia piirteitä ovat lähinnä polttoainesauvojen ja -nippujen sijoittaminen mehiläiskennon muotoiseen kuusikulmiohilaan. Länsimaiset reaktorivalmistajat kasaavat polttoaineen neliöhilaan. Lännessä höyrystimet sijoitetaan pystyasentoon ja venäläisissä laitoksissa vaakatasoon. Vaakahöyrystimien kerrotaan olevan perua sukellusveneteknologiasta. Pitkänomainen lämmönvaihdin onkin helppo kuvitella makaamaan kyljelleen sukellusveneen kapean rungon sisälle.

ⁱⁱ⁾ Ydinreaktorin toiminta perustuu ketjureaktioon, jossa uraaniytimen fissiossa syntyneet neutronit jatkavat reaktioketjua eteenpäin aiheuttamalla jatkuvasti uusia fissioita. Vastoin yleistä mielikuvaa ketjureaktio on luonteeltaan stabiili prosessi. Sisäsyntyisten negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta stabiili reaktori hakeutuu luonnostaan sellaiselle tehotasolle, jossa polttoaineen lämmöntuotto vastaa jäähdytystä. Ketjureaktion hallintaan ei tällöin tarvita aktiivista säätöä, eikä reaktorin teho voi lähteä itsestään kasvamaan. Ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelussa fissiotehon hillintää suuremman haasteen muodostaa polttoaineeseen kertyneiden lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva jälkilämpö. Kun reaktori sammutetaan, jälkilämmön osuus putoaa nopeasti muutamaan prosenttiin reaktorin alkuperäisestä fissiotehosta. Suuressa kevytvesireaktorissa kyse on kuitenkin kymmenistä megawateista, mikä riittää aiheuttamaan vakavia polttoainevaurioita jos jäähdytyskierto sydämeen katkeaa pitkäksi aikaa. Koska polttoaineen lämmöntuottoa ei saada millään keinolla pudotettua välittömästi nollaan, turvallisuussuunnittelu on tehtävä jälkilämmön ehdoilla.

ⁱⁱⁱ⁾ EPR:ssä polttoaineen hätäjäähdytys ja jälkilämmönpoisto nojaavat toisen sukupolven reaktoreiden tapaan pääasiassa sähkötoimisiin järjestelmiin. Korkea turvallisuustaso edellyttää tällöin vikasietoisuutta ja moninkertaisia redundanssi- ja diversiteettiperiaatteen mukaisia varmistuksia. Aktiivisten sähkötoimisten järjestelmien rinnalle on alettu kehittää myös passiivisia järjestelmiä, jotka perustuvat veden luonnolliseen kiertoon lämpötilaeron vaikutuksesta. Jos jäähdytysjärjestelmä suunnitellaan toimimaan ilman sähkötoimisia pumppuja, myös sähkönsyötön varmistukset jäävät tarpeettomina pois. Korkea turvallisuustaso on tällöin saavutettavissa yksinkertaisemmalla ja halvemmalla teknologialla. Passiivisia järjestelmiä on alettu suosia erityisesti pienreaktoreissa, joiden suunnittelu pääsi toden teolla vauhtiin 2010-luvun jälkipuoliskolla.

^iv) Vielä 1970-luvulla ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelu nojasi ennalta määrättyihin alkutapahtumiin, joista reaktorin oli selvittävä ilman suuria polttoainevaurioita. Ajattelutapa oli, että jos hätäjäähdytysjärjestelmät mitoitetaan suurimpien putkivuotojen mukaan, laitos selviää myös kaikista pienemmistä ongelmatilanteista. Polttoaineen sulamiseen johtava onnettomuustilanne voitaisiin tällöin sulkea kokonaan pois. Yhdysvalloissa vuonna 1979 tapahtunut Three-Mile-Islandin ydinvoimalaonnettomuus osoitti kuitenkin tämän turvallisuusajattelun vähintäänkin puutteelliseksi. Onnettomuustilanne sai alkunsa suhteellisen vähäpätöisestä venttiiliviasta, joka kehittyi monimutkaisen tapahtumaketjun kautta lopulta vakavaksi sydämensulamisonnettomuudeksi. TMI:tä voidaan pitää ydinturvallisuuden kehityksessä käännekohtana, jonka jälkeen suunnittelussa alettiin tarkastelemaan enemmän laitoksen kokonaiskäyttäytymistä, huomioiden myös vakavat onnettomuustilanteet.

^v) Suomessa ydinvoimalaitosten luvitus kulkee monivaiheisen prosessin läpi. Uusien hankkeiden kannalta ratkaisevin vaihe on valtioneuvoston tekemä periaatepäätös siitä, palveleeko hanke yhteiskunnan kokonaisetua. Päätös viedään edelleen eduskunnalle, joka joko vahvistaa tai hylkää sen. Eduskunta vahvisti vuoden 2010 äänestyksessä Fennovoiman ja TVO:n uusien ydinvoimalaitosten periaatepäätökset. Myös Fortum haki samassa yhteydessä lupaa Loviisan kolmannelle laitosyksikölle. Tämän osalta hallituksen päätös oli kuitenkin kielteinen, eli hakemusta ei viety eduskunnan käsiteltäväksi. Myös TVO:n Olkiluoto-4 -projekti jouduttiin laittamaan jäihin viisi vuotta myöhemmin, kun päätöksentekoprosessin seuraavan vaiheen, eli laitoksen rakentamisluvan jättämisen takaraja tuli täyteen. TVO oli hakenut lisäaikaa vedoten kolmosyksikön aikataulun venymiseen, mutta hallitus ei suostunut tinkimään takarajasta.

^vi) Esimerkiksi Saksassa tuuli- ja aurinkoenergiakapasiteettia on rakennettu jo 120 gigawattia, joka on lähes tuplasti maan keskimääräisen sähkönkulutuksen verran. Muuttuvaa tuotantoa joudutaan kuitenkin jatkuvasti paikkaamaan fossiilisilla polttoaineilla. Vuonna 2020 reilu kolmannes saksalaisesta sähköstä tuotettiin kivihiilellä ja maakaasulla. Ero päästöissä on huomattava verrattaessa esimerkiksi naapurimaahan Ranskaan. Yksi kilowattitunti saksalaista verkkosähköä tuottaa hiilidioksidipäästöjä noin kahdeksankertaisesti ranskalaiseen sähköön verrattuna. Ranskassa 70% sähköstä tuotetaan ydinvoimalla, ja fossiilisen tuotannon osuus jää alle kymmeneen prosenttiin. Esimerkki osoittaa hyvin sen, että vaikka uusiutuvan energiantuotannon korkeaa osuutta käytetään monissa yhteyksissä eräänlaisena menestyksen mittarina, päästöjen kannalta ratkaisevampaa on se, miten suuri osuus jää fossiiliselle tuotannolle. Eri maiden sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä voi vertailla reaaliaikaisesti electricitymap.org -sivustolla.

^vii) Kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n käyttämät ominaispäästöluvut ovat tuulivoimalle 11, ydinvoimalle 12, vesivoimalle 24, aurinkoenergialle 45 ja biomassalle 230 hiilidioksidiekvivalenttigrammaa kilowattituntia kohden. Fossiilisista polttoaineista maakaasun vastaava lukema on 490 ja hiilivoiman 820 g/kWh. Fossiilisten polttoaineiden ja biomassan tapauksessa suurin päästövaikutus tulee polttamisen yhteydessä vapautuvasta hiilidioksidista. Muissa tuotantomuodoissa päästöjä aiheutuu välillisesti esimerkiksi tuotantolaitosten rakentamisesta. Ydinvoiman tapauksessa päästötaseeseen on laskettu mukaan myös ydinpolttoaineen koko elinkaari uraanin louhinnasta geologiseen loppusijoitukseen. IPCC:n käyttämät luvut ovat mediaaneja vuosien varrella tehdyistä elinkaarianalyyseistä. Tuoreemmissa selvityksissä ydinvoima on osoittautunut kaikkein vähäpäästöisimmäksi sähköntuotantomuodoksi. Myös vaikutukset maankäyttöön sekä raaka-aineiden kulutukseen jäävät pienemmiksi kuin uusiutuvilla.

^viii) Valtiollisen energiaohjelman rinnalla Puolassa on vireillä myös muita ydinenergiahankkeita. Kemianteollisuuden suuryhtiö Synthos on selvittänyt erilaisten pienreaktoriteknologioiden soveltuvuutta omiin tarpeisiinsa. Kiinnostus on kohdistunut erityisesti korkean lämpötilan reaktorityyppeihin, joita voitaisiin käyttää kustannustehokkaasti teollisen mittakaavan vedynvalmistukseen. Vety on yksi kemianteollisuuden eniten käytetyistä raaka-aineista, jonka valmistus nykyisillä menetelmillä tuottaa runsaasti kasvihuonekaasupäästöjä.

Suomen ensimmäinen ydinreaktori

Jaakko Leppänen – 2.11.2021

Espoon Otaniemessä toteutettiin vuodenvaihteessa 2020–2021 poikkeuksellinen operaatio, kun käytöstä poistetun FiR 1 -tutkimusreaktorin polttoaine siirrettiin Aalto-yliopistosta kuorma-autoilla Vuosaaren satamaan, ja sieltä laivakuljetuksena Yhdysvaltoihin.ⁱ Tiukkojen turvajärjestelyjen vuoksi kuljetuksesta kerrottiin julkisesti vasta kun toimitus oli jo perillä. Tarkkasilmäiset MarineTraffic -palvelun seuraajat tosin huomasivat ydinpolttoaineen kuljetukseen rekisteröidyn aluksen saapuneen Suomeen jo jouluaattona.

Polttoainesauvat toimitettiin Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen Denverin yksikköön, missä toimii vastaava TRIGA Mark II -sarjan reaktori. Vaikka tarpeettomaksi jäänyt polttoaine luokiteltiin Suomessa korkea-aktiiviseksi ydinjätteeksi, siinä oli vielä runsaasti käyttökelpoista uraania jäljellä. Denverin TRIGA-reaktorissa sen käyttö tulee näillä näkymin jatkumaan vuoteen 2035 saakka. Polttoaineen palautus Yhdysvaltoihin käänsi Otaniemen reaktorin historiassa viimeisen lehden. Reaktorilaboratorion muiden tilojen purkaminen viedään päätökseen tulevien vuosien aikana.

Vuoteen 2015 saakka toiminnassa ollut FiR 1 ei kuitenkaan ollut Suomen ensimmäinen ydinreaktori. Ennen sen käyttöönottoa Otaniemen kampuksella oli nimittäin toiminut jo neljän vuoden ajan alikriittinen koereaktori, jota kutsuttiin myös eksponentiaalimiiluksi. FiR 1:een verrattuna miilun tarina on selvästi vähemmän tunnettu. Kyse oli kuitenkin merkittävästä koelaitteesta Suomen ydinenergia-alan historiassa. Miilun tarina juontaa juurensa 1950-luvulle, jolloin ydintekniikka alkoi kylmän sodan keskellä vapautua siviilipuolen käyttöön.

Reaktoriteknologian varhainen kehitys

Ensimmäiset ydinreaktorit rakennettiin toisen maailmansodan jälkipuoliskolla Manhattan-projektin, eli liittoutuneiden ydinaseohjelman tarpeisiin. Reaktoreissa valmistettiin uutta keinotekoista alkuainetta, plutoniumia, jota käytettiin ydinpommien raaka-aineena. Kehitys tapahtui salassa, ja vei kaikkiaan vain muutaman vuoden. Itseään ylläpitävä ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran joulukuussa 1942. Nobel-palkitun fyysikon Enrico Fermin vetämän tutkimusryhmän suunnittelema reaktori oli kasattu Chicagon yliopiston urheilukentän alla sijaitsevalle vanhalle squash-kentälle. Uraaniytimen halkaiseva fissioreaktio oli löydetty Saksassa vasta neljä vuotta aikaisemmin.

Kun ketjureaktion toimintaperiaate oli saatu demonstroitua, reaktoriteknologian kokeellinen tutkimus alkoi keskittyä Tennesseen osavaltioon perustettuun Oak Ridgen laboratorioon. Lyhyen pilottivaiheen jälkeen ydinmateriaalin tuotannossa siirryttiin teolliseen mittakaavaan, kun Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordissa otettiin käyttöön kolme plutoniumintuotantoreaktoria vuosina 1944–1945. Hanfordin reaktorit olivat nykymittapuulla arvioituna varsin alkeellisia, mutta ne tuottivat energiaa jo satojen megawattien teholla.

Tieto ydinaseiden olemassa olosta pidettiin visusti salassa aina Hiroshiman ja Nagasakin atomipommituksiin saakka. Toinen maailmansota päättyi Japanin antautumiseen syyskuussa 1945. Vaikka reaktoriteknologia oli alun perin kehitetty ydinasemateriaalin tuotantoon, reaktoreille alkoi heti sodan jälkeen löytyä käyttökohteita myös siviilipuolelta. Ketjureaktiossa syntyneitä neutroneita hyödynnettiin fysiikan perustutkimuksessa. Ydinreaktoreilla voitiin myös valmistaa uusia radioaktiivisia isotooppeja lääketieteen ja teollisuuden tarpeisiin.

Uuden teknologian houkuttelevin käyttökohde oli kuitenkin energiantuotanto. Sodan jälkeinen jälleenrakennuskausi johti monessa maassa nopeaan teollistumiseen, joka vaati jatkuvasti lisää energiaa. Yhdysvalloissa mielenkiinto suuntautui jo vuosikymmenen vaihteessa väkevöidyllä uraanilla toimiviin kevytvesireaktoreihin. Ensimmäiset painevesityyppiset reaktorit kehitettiin sukellusveneiden voimanlähteiksi. Pidemmälle tulevaisuuteen tähtäävissä suunnitelmissa häämöttivät plutoniumilla toimivat nopeat hyötöreaktorit, jotka kykenivät jatkuvasti uudistamaan oman polttoaineinventaarinsa.

Ydintekniikan kehitys oli nopeaa myös USA:n liittolaismaissa. Kanadan Ontarioon perustetussa Chalk Riverin tutkimuslaboratoriossa kehitettiin raskasvesiteknologiaa jo Manhattan-projektin aikana. Kanadan ensimmäinen ydinreaktori ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) aloitti toimintansa vain muutama päivä toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. Manhattan-projektin riveissä työskennelleet eurooppalaiset tutkijat toivat reaktoriteknologian mukanaan palattuaan sodan jälkeen kotiin, ja kehitys lähti etenemään nopeasti myös Iso-Britanniassa ja Ranskassa. Neuvostoliitto pidettiin ulkona länsiliittouman ydinaseohjelmasta, mutta Manhattan-projektissa toimineet vakoojat saivat toimitettua niin paljon teknistä materiaalia Moskovaan, että maa oli sodan jälkeen kehityksessä vähintään samalla viivalla Iso-Britannian ja Ranskan kanssa.

Atomit rauhan asialla

Toisen maailmansodan päättyessä Yhdysvallat oli maailman ainoa ydinasevaltio. Monopoliasema jäi kuitenkin lyhytaikaiseksi. Neuvostoliitto teki ensimmäisen ydinkokeensa vuonna 1949, ja seuraavilla vuosikymmenillä myös Iso-Britannia, Ranska ja Kiina liittyivät ydinasevaltioiden joukkoon. Myös ydinaseiden tuhovoima kasvoi nopeasti. 1950-luvulla kehitetyt vetypommit vastasivat voimakkuudeltaan satoja tai jopa tuhansia Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettuja fissiopommeja. Jännite suurvaltojen välillä kasvoi, ja ydinaseiden leviäminen maailman jokaiseen kolkkaan alkoi näyttää hyvinkin konkreettiselta uhkakuvalta.

Globaalin ydinsodan uhan liennyttämiseksi Yhdysvaltain presidentti Dwight D. Eisenhower piti joulukuussa 1953 järjestetyssä YK:n yleiskokouksessa puheen, jossa ehdotettiin teknologiayhteistyön avaamista kaikille jäsenvaltioille. Ajatus oli, että pidättäytymällä aseteknologian kehittämisestä ydinaseettomat maat pääsisivät osallisiksi rauhanomaisen ydinenergiantuotannon hyödyistä. Ydinasevaltiot puolestaan lupautuisivat olemaan toimittamatta aseteknologiaa ydinaseettomille maille. Samojen ajatusten pohjalta perustettiin myös Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA neljä vuotta myöhemmin.

Eisenhowerin Atoms for Peace -puheen taustamotiivit eivät olleet täysin vilpittömät. Yhdysvalloissa ymmärrettiin, että ydinenergiasta kiinnostuneet maat saataisiin parhaiten pidettyä ulkona Neuvostoliiton vaikutuspiiristä sitouttamalla ne länsimaiseen teknologiaan. Avoimuuden lisääminen antaisi myös paremmat mahdollisuudet seurata kehitystä rautaesiripun toisella puolen. Suurvaltojen välistä asevarustelukierrettä ei saatu katkaistua, mutta ydinaseettomille maille teknologiayhteistyön avautuminen tarjosi paljon uusia mahdollisuuksia. Ydinteknologia alkoi levitä nopeasti myös sellaisiin maihin, jotka olivat aikaisemmin olleet kehityksestä sivussa.

Suomessa ensimmäiset konkreettiset selvitykset ydinenergian hyödyntämisestä aloitettiin 1950-luvun puolivälissä Teknillisen korkeakoulun professorin Erkki Laurilan johdollla. Yhteiskunta oli nopeasti teollistumassa, energian kulutus kasvoi jatkuvasti, ja Suomen suurten jokien kosket oli pian valjastettu vesivoiman tuotantoon. Uuden energiamuodon hyödyntäminen vaikutti luontevalta askeleelta tulevaisuuteen. TKK:lla alettiin valmistelemaan ydinenergiatekniikan opetusta, minkä lisäksi lainsäädäntöä ja viranomaistoimintaa päivitettiin ajan tasalle. Tukea saatiin myös teollisuuden suunnalta. Sellu- ja paperiteollisuusyritysten perustama Voimayhdistys Ydin alkoi jakaa stipendejä ydintekniikan opintoihin Yhdysvalloissa. Suomalaisia asiantuntijoita koulutettiin esimerkiksi Argonnessa ja Oak Ridgessä.

Kokeellinen tutkimus käynnistyy

Vuonna 1957 Voimayhdistys Ydin päätti lahjoittaa TKK:lle alikriittisen ydinreaktorin, jota kutsuttiin myös eksponentiaalimiiluksi, tai lyhyemmin vain miiluksi.ⁱⁱ Vastaavia koelaitteita käytettiin 1950-luvulla yleisesti reaktoritutkimuksen perustyökaluina. Alikriittisessä reaktorissa ketjureaktio ei toimi itseään ylläpitävässä tilassa, vaan reaktori tavallaan monistaa ulkoisen lähteen tuottamaa neutronisuihkua. Vaikka toimintaperiaate poikkesi energiantuotantoon käytetyistä reaktoreista, miilulla voitiin tarkastella monia vastaavia neutronien kulkeutumiseen liittyviä ilmiöitä.

Miilu valmistui pitkälti kotimaisella osaamisella, joskin sen ydintekniset komponentit jouduttiin tilaamaan ulkomailta. Polttoaineena käytettiin Iso-Britanniasta hankittua luonnonuraania. Uraani toimitettiin Ahlströmin Varkauden konepajalle tuuman paksuisina tankoina, jotka kapseloitiin 140 senttimetriä pitkien alumiiniputkien sisälle. Puhdas uraani ei ole niin radioaktiivista, että sen käsittely edellyttäisi erityisiä säteilysuojelutoimenpiteitä. Polttoainesauvojen valmistusta vaikeutti kuitenkin se, että uraani toimitettiin metallisessa olomuodossa. Metallinen uraani on pyroforinen aine, joka voi syttyä itsestään palamaan päästessään kosketuksiin ilman kanssa.

Reaktori muodostui 150 cm leveästä ja 170 cm korkeasta sylinterimäisestä vesitankista, jonka sisälle voitiin asettaa 112 polttoainesauvaa erilaisiin geometrioihin. Neutronilähde oli sijoitettu reaktoritankin alle, ja ympäröity grafiitilla. Miilun käyttöehdoissa neutronien monistusta mittaavan kasvutekijän maksimiarvoksi oli määritetty 0.97. Vesitankkiin upotetut polttoainesauvat olisivat tällöin vahvistaneet lähteen tuottaman neutronisuihkun noin 30-kertaiseksi. Käytännössä kasvutekijä ja monistuskerroin jäivät vielä tässä vaiheessa paljon maksimiarvojen alapuolelle.ⁱⁱⁱ

Miilu kasattiin Otaniemen uudelle kampusaluelle Teknillisen fysiikan osastoa vastapäätä rakennettuun puuparakkiin alkuvuonna 1958. Yliopisto toimi vielä pääosin Vanhalla Polilla Hietalahden torin laidalla Helsingissä. Presidentti Kekkonen vihki miilun käyttöön saman vuoden toukokuussa. Otaniemeen on kampusalueen perustamisen jälkeen noussut niin paljon uusia rakennuksia, että miiluparakin sijainti ei vanhoja valokuvia tai alueen nykyistä karttaa silmäillessä ole aivan ilmeinen. Rakennus purettiin vuonna 1976 Teknillisen fysiikan osaston laajennusosan tieltä. Suunnilleen samoissa koordinaateissa sijaitsi omana opiskeluaikanani fyysikkokillan kiltahuone, sekä luentosali F1. Nykyisin paikalla oleva rakennus tunnetaan Terveysteknologian talona.

Miilua käytettiin 1950–1960 -lukujen vaihteessa aktiivisesti ydintekniikan kursseilla opetus- ja havainnointivälineenä. Oppilastöiden aiheissa vilahtelee tuttuja, joskin jo hieman vanhahtavia termejä, kuten reaktorin kupevuuden, termisen käyttösuhteen sekä migraatioalan mittaukset. Reaktorilla tehtiin myös useita opinnäytetöitä. Osa töiden otsikoista voisi hyvinkin olla myös tältä vuosikymmeneltä. Esimerkiksi diplomi-insinööri Koskisen lisensiaatintyössä selvitettiin heterogeenisten reaktoreiden anisotrooppisia polttoainejakaumia. Vastaavia analyysejä tehdään nykyisin laskennallisen mallinnuksen keinoin.

Kuva 1: Kuvia miilun alkutaipaleelta. a) Uraanitankojen kapselointi Ahlströmin konepajalla Varkaudessa; b) Puinen miiluparakki Otaniemessä; c) Polttoainesauvoista muodostuva reaktorin sydän vesitankissa; d) Presidentti Kekkonen seuraamassa miilun vihkiäisiä 22.5.1958.

Kuva 2: Miilun sijainti Aalto-yliopiston kampusalueella Otaniemessä. Vasemmanpuoleiseen kaaviokuvaan on piirretty FiR 1 -reaktorin ja alikriittisen miilun (sub-critical assembly) sijainti entisen Teknillisen fysiikan osaston vanhan siiven vieressä. Vihreäkattoinen reaktorirakennus erottuu selvästi myös oikeanpuolimmaisesta ilmakuvasta. Miilun paikalla on nykyisin rakennuksen laajennusosa.

Kuva 3: Havainnekuva miilurakennuksen sisältä. Kuvasta on jätetty selvyyden vuoksi pois reaktoritankin yläpuolelle sijoitetut tukirakenteet, joita käytettiin polttoainesauvojen ripustukseen. Värimaailman ja pintamateriaalien osalta visualisoinnissa on käytetty mielikuvitusta. Miilurakennuksen sisältä on vain muutama mustavalkoinen valokuva.

Uusi sydän

Miilu toimi alkuperäisellä sydämellä vuoteen 1964 saakka, jolloin Neuvostoliitosta saatiin uutta polttoainetta, jossa uraanin väkevöintiaste oli nostettu kymmeneen prosenttiin. Väkevöidyt “EK-10” -polttoainesauvat poikkesivat ulkomitoiltaan niin paljon vanhoista, että koko reaktorin perusrakenne päätettiin suunnitella uusiksi. Muodoltaan lyhyet ja ohuet polttoainesauvat liitettiin pareittain yhteen Ahlströmin Varkauden konepajalla. Vanhat luonnonuraanisauvat lähetettiin Ruotsiin ASEA:lle. Vastineeksi saatiin sama määrä uraania uusia polttoainesauvoja vastaavissa mitoissa. Luonnonuraani- ja väkevöidyistä polttoainesauvoista koottiin 25 sauvan elementtejä, jotka muodostivat reaktorin uuden sydämen.

Helposti fissioituvan U235-isotoopin pitoisuus on luonnonuraanissa niin matala, ettei ketjureaktio olisi edes teoriassa voinut käynnistyä vanhassa sydämessä. Uusi väkevöity polttoaine mahdollisti reaktorin kasvutekijän nostamisen lähemmäs kriittisyysrajaa, mikä kasvatti reaktorin neutronimonistuskerrointa, mutta toi mukanaan myös uusia haasteita. Reaktorilla tehdyt muutokset eivät siis olleet ainoastaan rakenteellisia, vaan myös toimintatapoja ja turvallisuusperiaatteita jouduttiin tarkentamaan. Reaktorille hankittiin myös uusi instrumentteja, mukaan lukien voimakkaampi neutronilähde. Reaktoritankki vaihdettiin kooltaan pienempään astiaan, ja sen ympärille rakennettiin korotettu lava työskentelyä helpottamaan. Reaktoritankkiin asennettiin myös lämmitysvastukset, mikä mahdollisti esimerkiksi erilaisten reaktiivisuuskertoimien määrittämisen.^iv

Kirjoituksen alussa mainittu amerikkalaisvalmisteinen FiR 1 -reaktori valmistui viereiseen rakennukseen vuonna 1962. Uudistuksista huolimatta miilu kävikin lopulta tutkimuslaitteena tarpeettomaksi. Käyttö loppui vuoteen 1973 mennessä, ja kolme vuotta myöhemmin puinen miiluparakki sai tehdä tilaa Teknillisen fysiikan osaston uudelle siivelle.

Kuva 4: Havainnekuva miilun polttoaineesta. Vasemmalla vanhantyyppinen polttoainesauva, joka koostui alumiiniputken sisälle kapseloiduista tuuman paksuisista uraanitangoista. Oikealla uuden sydämen polttoaine-elementti, joka oli kasattu 25 ohuemmasta polttoainesauvasta.

Myöhemmät vaiheet

Miilun mekaaniset osat lahjoitettiin käyttökelpoisia mittalaitteita ja ydinteknisiä komponentteja lukuun ottamatta Tekniikan museolle. Väkevöityä uraania sisältävät polttoainesauvat siirrettiin reaktorilaboratorion holviin, ja luonnonuraanisauvat TKK:n laserlaboratoriossa olevaan kassakaappiin (samoissa tiloissa toimi myöhemmin VTT:n jodilaboratorio). Polttoaine ei reaktorin mitättömän pienen tehon vuoksi sisältänyt merkittäviä määriä korkea-aktiivisia fissiotuotteita. Uraaniin, ja erityisesti väkevöityyn polttoaineeseen liittyi kuitenkin ydinmateriaalivalvonnasta seuraavia velvoitteita.

Uraanipolttoaineelle löytyi neljä vuosikymmentä myöhemmin lopulta uutta käyttöä. Vuonna 2018 miilun polttoainesauvat lahjoitettiin Prahan Teknilliselle yliopistolle, missä ne tullaan aikanaan lataamaan alikriittiseen VR-2 -reaktoriin. Reaktori toimii miilun alkuperäisen käyttötarkoituksen tapaan tutkimus -ja opetusvälineenä.

Miilusta jäi yli myös neljä tonnia grafiittia, joka ympäröi reaktoriastian alapuolelle sijoitettua neutronilähdettä. Myöskään grafiittielementit eivät olleet aktivoituneet reaktorin käytön aikana, mutta uraanin tapaan myös reaktorilaatuinen erittäin puhdas grafiitti kuuluu ydinmateriaalivalvonnan piiriin. Materiaalin koostumuksesta ei hankintavaiheessa saatu tarkkaa tietoa, minkä vuoksi elementtejä säilytettiin monta vuosikymmentä lukitussa varastossa, joka sijaitsi Otaniemen yhteisväestönsuojan tiloissa Dipolin alapuolella.

Vuonna 2013 tehdyissä tarkemmissa selvityksissä grafiitin epäpuhtauspitoisuuksien todettiin ylittävän reippaasti reaktoriluokan grafiitille määrätyn valvottavuusrajan. Materiaali vapautettiin valvonnasta, ja väestönsuojan peruskorjauksen yhteydessä elementit siirrettiin lukittuun varastokonttiin Konalaan, ja sieltä myöhemmin kierrätykseen. Vuonna 2015 osa grafiittielementeistä päätyi osaksi kuvanveistäjä Crystal Bennesin modernin taiteen installaatiota ”One Hundred Thousand Cities of the Sun”.

Alikriittinen miilu ja FiR 1 -reaktori olivat aikanaan tärkeitä tutkimuslaitteita, joilla koulutettiin ensimmäinen suomalainen ydinenergiatekniikan asiantuntijasukupolvi. Tälle osaamiselle tuli käyttöä 1970-luvulla, kun Loviisaan ja Olkiluotoon alettiin rakentamaan ensimmäisiä kaupallisia ydinvoimalaitoksia. Erityisesti Neuvostoliitosta tilatun Loviisan laitoksen tarina pitää sisällään niin eriskummallisia juonenkäänteitä, että ilman vahvaa kotimaista osaamista lopputulos olisi voinut näyttää hyvinkin erilaiselta.

---

ⁱ⁾ Edellisen kerran ydinjätettä on toimitettu ulkomaille 1990-luvun puolivälissä, kun Loviisasta palautettiin viimeinen käytetyn polttoaineen erä Venäjälle. Nykyisin ydinenergialaki edellyttää, että kaikki Suomessa syntynyt ydinjäte on loppusijoitettava pysyväksi tarkoitetulla tavalla maan rajojen sisäpuolelle. Otaniemen tutkimusreaktorin osalta laissa oli kuitenkin poikkeus, sillä reaktorin alkuperäiseen 1960-luvulla solmittuun toimitussopimukseen kuului optio palauttaa käytetty polttoaine aikanaan Yhdysvaltoihin. Sopimusneuvottelut ehtivät vuosien saatossa mutkistua, ja palautusvaihtoehdon rinnalla valmisteltiin pitkään myös geologista loppusijoitusta Posivan ydinjäteluolaan.

ⁱⁱ⁾ Eksponentiaalimiilun nimi viittasi siihen, että alikriittisen reaktorin neutronitiheys laskee likimain eksponentiaalisesti kuljettaessa kauemmas neutronilähteestä.

ⁱⁱⁱ⁾ Reaktorin kasvutekijä on suhdeluku, joka kertoo kuinka monta uutta neutronia yksi reaktoriin syntynyt neutroni keskimäärin tuottaa seuraavassa sukupolvessa. Jos neutronisukupolven koko on 1000 neutronia ja kasvutekijä 0.97, niin seuraavaan sukupolveen syntyy neutroneita keskimäärin 0.97*1000 = 970 kappaletta. Nämä 970 neutronia synnyttävät kolmanteen sukupolveen edelleen 0.97*970 = 941 neutrona, neljänteen sukupolveen 912 neutronia, sitten 885, 859, ja niin edelleen. Matematiikassa lukujonoa, jonka peräkkäisten termien suhdeluku on vakio, kutsutaan geometriseksi sarjaksi. Sarja suppenee kun suhdeluku on alle ykkösen. Termien summaksi saadaan tällöin äärellinen luku. Kasvutekijän arvolla 0.97 tuhannesta neutronista alkunsa saaneen sarjan summaksi saadaan 33333, eli lähdetermi monistuu noin kertoimella 33.3.

^iv) Reaktiivisuuskerroin kertoo miten reaktori vastaa toimintatilan muutoksen. Lämpötilan muutos vaikuttaa neutronien kulkeutumiseen ja sitä myöten ketjureaktion tilaan. Näillä reaktiivisuuden takaisinkytkennöillä on tärkeä rooli myös turvallisuuden kannalta. Negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta ketjureaktio toimii stabiilissa tilassa.

Taishanin polttoainevuoto

Jaakko Leppänen – 24.7.2021

Kiinalaisen Taishanin ydinvoimalan ykkösyksiköllä tapahtui kesäkuussa polttoainevuoto, josta kerrottiin myös Suomen mediassa. Uutisten perusteella tapauksesta on kuitenkin ollut melko vaikea muodostaa selkeää kuvaa. Esimerkiksi Helsingin Sanomat kertoi 16.6. julkaistussa jutussa, että televisiokanava CNN:n mukaan laitoksesta on saattanut vuotaa ympäristöön yli sallitun määrän radioaktiivista säteilyä. Toisaalta samassa jutussa todetaan myös, että Kiinan ydinturvallisuusviranomaisen mukaan säteily on sallittujen toimintarajojen sisällä, eikä sitä ole päässyt ympäristöön.

Taishan on nyt noussut uudelleen otsikoihin, joten ajattelin blogin hengen mukaisesti yrittää vähän valottaa uutisten taustoja. Joukkomediaa yksityiskohtaisemmin tapausta on puitu esimerkiksi ydinenergia-alan World Nuclear News -uutissivustolla, mihin myös omat käsitykseni pitkälti pohjaavat. Myös Helsingin Sanomat julkaisi eilen kirjoituksen, joka ulkomaisten uutislähteiden sijaan perustuu Säteilyturvakeskuksen asiantuntijan haastatteluun. Polttoainevuotoihin liittyvistä ilmiöistä löytyy lisää tietoa parin vuoden takaisesta blogikirjoituksesta.

Vakava tilanne, joka ei vaaranna turvallisuutta?

Ydinpolttoaine muodostuu noin sormenpään kokoisista uraanioksidipelleteistä, jotka on suljettu zirkonium-metalliseoksesta valmistetun kaasutiiviin suojakuoriputken sisälle. Taishanin EPR-tyyppisessä reaktorissa näillä polttoainesauvoilla on pituutta reilu neljä metriä. Sauvat on edelleen kasattu suuremmiksi polttoainenipuiksi, jotka muodostavat reaktorin aktiivisen alueen, eli sydämen. Yhteensä reaktorin sydämessä on 241 polttoainenippua ja 63,624 sauvaa.

Polttoainevuodolla tarkoitetaan sitä, että yhteen tai muutamaan polttoainesauvaan on tullut reikä. Syynä voi olla esimerkiksi valmistusvirhe tai sauvan hankautuminen polttoainenipun välitukihilaa vasten. Suojakuoriputkeen voi syntyä vaurioita myös kuljetuksen ja käsittelyn yhteydessä. Polttoainevuotoja tapahtuu suhteellisen usein kaikilla ydinvoimalaitoksilla. Suomessa tapauksia on ollut muutaman vuoden välein. Pienet vuodot eivät välttämättä edellytä minkäänlaisia toimenpiteitä. Polttoainenippu, johon vuotava sauva on paikallistettu, voidaan tarvittaessa vaihtaa uuteen seuraavan määräaikaishuollon yhteydessä. Vakavammissa tapauksissa nippu voidaan joutua korvaamaan saman tien, mikä edellyttää reaktorin ajamista alas kesken käyttöjakson.

Taishanissa polttoainevuodon on arvioitu koskevan noin viittä sauvaa. Oma veikkaukseni on, että epäselvyyttä tilanteeseen aiheuttaa nyt se, että laitoksesta kolmanneksen omistavalla ranskalaisella Électricité de Francella ja käytöstä vastaavalla China General Nuclear -yhtiöllä on erilainen käsitys tarvittavista jatkotoimenpiteistä. EDF:stä on todettu, että vastaavassa tilanteessa ranskalainen ydinvoimala olisi jo ajettu alas, ja vuotava nippu vaihdettu uuteen. Viimeisimmissä kommenteissa kuitenkin myönnetään, että päätöksen mahdollisesta alasajosta tekee laitoksen käyttöorganisaatio. Reaktori on edelleen toiminnassa, eli vaihtoa ollaan ehkä tekemässä vasta meneillään olevan käyttöjakson päätyttyä.

Taishania koskevassa uutisoinnissa on puhuttu vakavasta tilanteesta, joka ei kuitenkaan vaaranna turvallisuutta. Selitys voi kuulostaa ristiriitaiselta, mutta turvallisuusmielessä asia on melko suoraviivainen. Suureenkaan polttoainevuotoon ei itsessään liity riskiä siitä, että tilanne kehittyisi ydinonnettomuudeksi. Reaktorin jäähdytys ja muut turvallisuuden kannalta kriittiset järjestelmät toimivat normaalisti, eikä reikä polttoainesauvan suojakuoriputkessa vaikuta niiden toimintaan millään tavalla.

Päästörajoja nostettu?

Ydinpolttoaineeseen syntyy reaktorin käydessä paljon radioaktiivisia aineita, jotka ehjässä polttoaineessa jäävät metallisten suojakuoriputkien sisälle. Vuotavista sauvoista näitä aineita pääsee vapautumaan sydämen läpi virtaavaan jäähdytysveteen. Reaktorin jäähdyte virtaa suljetussa kierrossa, eli polttoainevuoto ei aiheuta suoraa päästöä ympäristöön. Jäähdytyskierrosta radioaktiiviset aineet päätyvät edelleen vettä puhdistaviin suodattimiin.

Kesäkuussa Taishaniin liittyvissä uutisissa kerrottiin, että reaktorin käytön jatkamiseksi “sallittuja säteilymääriä” on jouduttu nostamaan. Tämä ilmaisu ei kuitenkaan ole aivan yksiselitteinen. Monissa uutisissa korotettujen raja-arvojen on tulkittu viittaavaan laitoksen lähialueelta mitattuun säteilytasoon. Tulkinta on kuitenkin mitä ilmeisimmin virheellinen, sillä asiantuntijalähteiden mukaan vuotoa ympäristöön ei ole tapahtunut. Uutisissa mainitut päästörajat liittyvät sen sijaa primääripiirin vedessä kiertävien radioaktiivisten aineiden pitoisuuksiin. Minulle ei ole aivan selvinnyt, onko jotain raja-arvoja todella nostettu. Kiinan ydinturvallisuusviranomaisen mukaan lukemat ovat sallituissa rajoissa, eli kyse voi tässäkin yhteydessä olla eroista ranskalaisten ja kiinalaisten soveltamissa käytännöissä.

Onko kiinalaisten selityksiin uskominen? Vaikka vuotavista polttoainesauvoista vapautuvat radioaktiiviset aineet eivät pääse suoraan ympäristöön, vedenpuhdistusjärjestelmien kautta ilmaan voi päätyä erityisesti radioaktiivisia jalokaasuja, jotka eivät pysähdy kemiallisiin suodattimiin. Sydämen aktiivisuusinventaarista tällaisen vuodon osuus on kuitenkin hyvin pieni. Jos viisi polttoainesauvaa puhkeaa, yli 99.99% sauvoista jää vielä ehjiksi. Vaarallisen suuri radioaktiivinen vuoto edellyttää muutenkin polttoaineen ylikuumenemista. Puhjenneissakin sauvoissa valtaosa radioaktiivisista aineista jää kiinteiden uraanioksidipellettien sisälle.

Tavallisesti polttoainevuodoista ei seuraa sellaisia päästöjä, jotka aiheuttaisivat merkittävää säteilyhaittaa ympäristölle. Eli jos Taishanissa ei ole kyse polttoainevuotoa vakavammasta tilanteesta, ei ole myöskään syytä epäillä kiinalaisviranomaisten ilmoituksia siitä, että säteilyarvot laitoksella ja sen lähialueilla ovat normaalilla tasolla.

Vaikutukset Olkiluoto-3:n käyttöönottoon

Suomessa uutiset Taishanista ovat herättäneen mielenkiintoa myös siksi, että reaktori on sama ranskalaisvalmisteinen EPR kuin Olkiluodon kolmannella ydinvoimalaitosyksiköllä. Aiheuttaako tapaus siis vielä lisää viivästyksiä reaktorin käyttöönottoon?

Kuten kirjoituksen alussa todettiin, polttoainevuodot ovat lähes arkipäivää kaikilla ydinvoimalaitoksilla. Kyse ei siis ole millään tavalla EPR-reaktorityypille ominaisesta ongelmasta. On toki mahdollista, että vuodon taustalta löytyy esimerkiksi suunnitteluvirhe polttoainenipun rakenteessa, tai jokin suojakuoriputkien valmistusprosessiin liittyvä tekijä, joka koskettaa myös Olkiluotoon ladattuja nippuja.

Sydämen polttoainelataus kuitenkin uusiutuu joka tapauksessa neljän tai viiden vuoden syklillä. Eli vaikka kyse olisikin jostain muusta kuin sattumalta ilmenneestä viasta, ongelma tuskin tulee vaikuttamaan laitoksen pitkäaikaiseen käyttöön. Taishanin ykkösyksikkö aloitti toimintansa kesäkuussa 2018, ja samaa laitostyyppiä edustava kakkosyksikkö vuotta myöhemmin. Käyttökokemusten perusteella kyse ei siis myöskään ole ongelmasta, jonka voisi odottaa ilmenevän heti reaktorin käyttöönoton yhteydessä.

Päivitys (30.7.2021): Reaktori on nyt päätetty ajaa huoltoseisokkiin vuotavien nippujen tarkistusta ja vaihtoa vasten.

Vielä kerran Tšernobyl

Jaakko Leppänen – 27.4.2021

Ukrainassa vuonna 1986 tapahtuneesta tuhoisasta Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta tulee tällä viikolla kuluneeksi 35 vuotta. Onnettomuus sai alkunsa lauantaina aamuyöllä 26.4. laitoksen nelosyksikön alasajon yhteydessä tehdystä turvallisuuskokeesta, jonka päätteeksi reaktori tuhoutui voimakkaassa räjähdyksessä. Vaurioituneessa reaktorikuilussa syttyi tulipalo, joka ylläpiti päästötilannetta kymmenen päivän ajan.

Tšernobylin onnettomuuden syitä ja seurauksia on käsitelty tässä blogissa jo melko yksityiskohtaisella tasolla. Myös parin vuoden takaisen HBO-kanavalla esitetyn Chernobyl-minisarjan tapahtumia on puitu aikaisemmissa kirjoituksissa. Aiheesta on enää vaikea löytää uutta kerrottavaa. Päätin kuitenkin yrittää tuoda ilmi muutamia näkökulmia, joita ei tässä blogissa välttämättä ole aikaisemmin nostettu esille. Monessa asiayhteydessä on silti kyse vanhan kertauksesta, ja viittauksista aikaisempiin kirjoituksiin.

Kenen syy?

Teknisesti reaktorin räjähdys aiheutui hallitsemattomaan kasvuun karanneesta fissiotehosta. Tämä on tilanne, jollaista ei ydinreaktorissa pitäisi koskaan päästä syntymään. Reaktorit suunnitellaan vastustamaan kaikenlaisia toimintatilan muutoksia, jolloin fissiosta toiseen etenevä ketjureaktio on fysikaaliselta perusluonteeltaan stabiili prosessi. Tavanomaisissa paine- ja kiehutusvesireaktoreissa stabiilisuuteen vaikuttavat ratkaisevasti jäähdytteen kiehumisesta seuraavat negatiiviset takaisinkytkennät, joiden ansiosta reaktori pyrkii itsestään asettumaan sellaiseen toimintatilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto vastaa jäähdytystä.

Tšernobylin onnettomuus tapahtui kuitenkin kanavatyyppisessä vesijäähdytteisessä grafiittimoderoidussa RBMK-reaktorissa, jossa vastaavaa negatiivista takaisinkytkentää ei ole. Ketjureaktion hallintaan tarvittiin paljon aktiivista säätöä, ja tietyissä tilanteissa reaktorin teho saattoi lähteä itseään ruokkivaan kasvuun. Tällaisten reaktoreiden epästabiilisuusongelmat olivat olleet fyysikoiden tiedossa jo 1940-luvulta lähtien, minkä vuoksi vastaavaa reaktorityyppiä ei lännessä koskaan otettu energiantuotantokäyttöön.

RBMK-reaktorin ongelmallinen perusluonne ei kuitenkaan ollut ainoa syy onnettomuuteen. Reaktori oli turvallisuuskoetta edeltäneen vuorokauden aikana ajettu erityisen epästabiiliin toimintatilaan, joka oli jopa RBMK:lle poikkeuksellinen. Tämä ei liittynyt niinkään reaktorilla tehtyyn kokeeseen, vaan enemmän siihen, että suunnitelman mukainen alasajo oli lykkääntynyt useammalla tunnilla kun koetta oltiin vasta valmistelemassa. Reaktori oli päässyt jäähtymään ja myrkyttymään, minkä vuoksi se käyttäytyi erittäin arvaamattomasti. Myös reaktorin säätösauvarakenteen suunnitteluvirheellä oli ratkaiseva rooli turvallisuuskokeen päätteeksi tapahtuneessa räjähdyksessä. Näitä taustatekijöitä on käyty aikaisemmassa blogikirjoituksessa sen verran yksityiskohtaisesti läpi, että jätän niiden kertauksen tällä kertaa väliin.

Onnettomuutta käsittelevissä kirjoituksissa myös reaktorin käyttöhenkilökunnan rooli nostetaan tavallisesti esille. Ilta-Sanomat julkaisee onnettomuuden vuosipäivän tienoilla joka vuosi artikkelin, jossa kerrotaan kuinka Aleksandr ja Leonid tekivät emämunauksen, ja saivat reaktorin lopulta räjähtämään painamalla pahamaineista AZ-5 -pikasulkupainiketta. Kyseiset henkilöt olivat työvuoron päällikkönä toiminut Alexandr Akimov ja reaktorin käyttöpäällikkö Leonid Toptunov, jotka on käsikirjoitettu mukaan myös HBO:n Chernobyl-sarjaan.

Ilta-Sanomien vakiojuttu on kirjoitettu siitä ikävään sävyyn, että se ylläpitää 1980-luvun neuvostopropagandasta alkunsa saaneita käsityksiä onnettomuuden taustatekijöistä. Neuvostoliittolaiset yrittivät onnettomuuden jälkeen vyöryttää syyn reaktorin räjähdyksestä käyttöhenkilökunnan niskoille, ja nämä näkemykset elävät vahvana edelleen. Todellisuudessa kirjoituksessa mainittu AZ-5 ei ollut mikään reaktorin itsetuhonappi, vaan painike, jota painamalla ketjureaktio katkaistiin. Se oli ensisijaisesti varattu hätätilanteisiin, mutta pikasulkua käytettiin yleisesti myös matalalla teholla toimivan reaktorin sammuttamiseen.

Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA julkaisi oman riippumattoman selvityksensä onnettomuuden syistä jo vuonna 1992. Raportissa tuodaan hyvin selkeästi ilmi se, ettei laitoksen käyttöhenkilökunnalla todellisuudessa ollut tietoa reaktorityypin turvallisuusongelmista, tai koejärjestelyyn liittyneistä riskeistä. Esimerkiksi kokeen suorittamista valvonut varapääinsinööri Anatoli Djatlov oli hankkinut kokemuksensa kevytvesireaktoripuolelta, missä ei RBMK-reaktorille tyypillisiä ongelmia ollut. Koetta pidettiin käyttöorganisaatiossa rutiininomaisena sähköjärjestelmien testauksena.

IAEA:n raportissa todetaan, että käyttöhenkilökunta toimi väärin jatkamalla kokeen valmistelua alasajon keskeytymisen jälkeen. Kaikki ne ratkaisevat virheet ja laiminlyönnit joista neuvostoliittolaiset syyttivät reaktorin ohjaajia, olivat kuitenkin osa reaktorivalmistajan laatimaa koeohjelmaa, tai kuuluivat muuten laitoksen tavallisiin käyttötapoihin. Raportissa todetaan myös, että näillä toimenpiteillä (esim. hätäjäähdytysjärjestelmän ja automaattisen pikasulun kytkeminen pois päältä) ei edes ollut vaikutusta lopputulokseen.

HBO:n sarjassa ohjauspaneelien ääressä istuneet Akimov ja Toptunov esitetään enemmän uhreina kuin syypäinä onnettomuuteen. Tarinan pahisten rooliin on sen sijaan käsikirjoitettu varapääinsinööri Djatlov sekä laitoksen johtaja Victor Brjuhanov. Itse en usko, että tämäkään kuvaus vastaa todellisuutta. IAEA:n selvityksessä ei tuoda ilmi, että laitoksen johto olisi ollut yhtään sen enempää tietoinen turvallisuuskokeeseen liittyneistä riskeistä. Raportissa päinvastoin todetaan, että reaktorityypin ongelmat oli pimitetty kautta linjan RBMK-reaktoreiden käytöstä vastaavilta organisaatiolta. Epästabiilisuuteen liittyviä ilmiöitä ei juurikaan käsitelty esimerkiksi käyttöhenkilökunnan koulutuksessa. Djatlov ehti ennen kuolemaansa vuonna 1995 kertoa oman versionsa onnettomuusyön tapahtumista. Hän on vielä IAEA:ta vahvemmin syyttänyt onnettomuudesta reaktorin suunnittelijoita.

IAEA:n INSAG-7 -raportista selviää myös hyytävä yksityiskohta RBMK-reaktoreiden käyttöhistoriasta. Suomenlahden rannalla sijaitsevalla Leningradin ydinvoimalaitoksella tapahtui vuonna 1975 polttoainevaurioita aiheuttanut onnettomuus, kun reaktorin teho lähti odottamattomaan kasvuun laitoksen ylösajon yhteydessä. Tieto onnettomuudesta ei kuitenkaan koskaan päätynyt reaktorityypin turvallisuutta käsittelevään ohjeistukseen. Vaikka kyse oli todennäköisesti samasta tapahtumaketjusta joka 11 vuotta myöhemmin aiheutti Tšernobylissä koko reaktorin tuhoutumisen, onnettomuuden viralliseksi syyksi kirjattiin valmistusvirhe polttoainekanavassa.

Akateemikko Legasovin nauhoitukset

HBO:n minisarja alkaa kohtauksella, jossa Tšernobylin pelastustöiden suunnitteluun osallistunut akateemikko Valeri Legasov sanelee nauhalle paljastuksia onnettomuuden taustoista. Tämän jälkeen Legasov tappaa itsensä. Tämä osa sarjan tapahtumista pitää historiallisestikin paikkansa. Sarjan saaman suosion innoittamana nauhoitusten transskriptit on sittemmin käännetty myös englanniksi. Aivan sarjan käsikirjoituksen mukaisia dramaattisia juonikuvioita ei nauhoilta löydy, mutta onnettomuudesta kiinnostuneelle teksti on ihan mielenkiintoista luettavaa.

Eräs yksityiskohta, johon itse kiinnitin huomiota, liittyy HBO:n sarjassakin esitettyyn juonikuvioon. Reaktoria uhkaa uusi massiivinen höyryräjähdys, kun sulanut polttoaine on päätymässä reaktorikuilun alla sijaitsevaan vedellä täytettyyn lauhdutusaltaaseen. Tämä lienee yksi sarjan puhutuimmista käänteistä. Käsikirjoitus toistaa tunnettua Tšernobyl-myyttiä, jonka mukaan kuuman sydänsulan ja viileän veden välinen kohtaaminen olisi aiheuttanut jopa megatonniluokan vetypommiin verrattavissa olevan räjähdyksen.

Myytin todenperäisyyttä on puitu sarjan tapahtumia käsittelevässä blogikirjoituksessa, eikä todellisuus ole aivan näin dramaattinen. Höyryräjähdyksessä ei läheskään tällaista energiamäärää voi vapautua. Eniten minua onkin askarruttanut se, miten vakavana riskinä neuvostoliittolaiset asiantuntijat itse pitivät höyryräjähdyksen mahdollisuutta tilanteen ollessa päällä? Lauhdutusaltaiden tyhjentäminen kuitenkin katsottiin operaatioon liittyvistä riskeistä huolimatta tarpeelliseksi varotoimenpiteeksi. Legasov kertoo tapahtumista seuraavaa (nauha 1, puoli B):

”Eugeny Pavlovich Velihov who as it seemed was watching too much TV about the “China syndrome”, arrived with concerns which I reported to Rizhkov and Ligachev. We were worried about the uncertainty of geometric shape of the remains of the reactor. It was clear that heat was being generated inside this fuel mass. The heating up could continue and some vertical movement of this fuel mass may occur. In particular, we were worried about two things: can that movement cause critical mass buildup in some region which would produce short-living isotopes. This was our first thing to worry about, however we were hoping that the large amounts of Boron (40 tons) that was dropped into the reactor would be more or less evenly mixed with the fuel and help prevent critical mass buildup. However we could not fully eliminate the possibility that such local “reactors” would appear. That was the first problem. And the second one was that the temperatures can be too high within these masses. Some construction elements of the lower part of reactor may not withstand that. Concrete may fail due to high temperatures. Part of fuel can get into the barboteurs, be it lower or upper one and we did not know at that time whether there was water or not. We feared that if a considerable amount of fuel gets there, then extensive vaporization would carry out additional radioactive aerosols and contaminate more territory.

These problems were what we were worried about. That’s why with Ivan Stepanovich Silaev, who by this time had replaced Scherbina, we decided to: first, get some information about the levels of water in the lower barboteur. This was a difficult task which was fulfilled heroically by the station personnel. And it was found that the water was indeed there. So the necessary measures were taken to remove that water from there. I want to stress that out once more: we removed the water just to avoid massive evaporation. It was absolutely clear to us that no explosion was possible, only evaporation that would carry out radioactive particles – that’s all.”

Nykykäsityksen mukaan pienenkään höyryräjähdyksen mahdollisuutta ei tuollaisessa tilanteessa pidetä erityisen todennäköisenä. Sydänsulan lämpötila oli ehtinyt laskea jo niin alas, että räjähdysmäisen paineen nousun sijaan veden höyrystyminen olisi tapahtunut hitaammin kiehumalla. Sama käsitys on selvästi ollut vallalla jo onnettomuuden aikaan. Lainauksen kaksi viimeistä virkettä kuulostavat siltä, kuin Legasov yrittäisi oikoa vääriä mielikuvia. Käsitys massiivisesta höyryräjähdyksestä lieneekin syntynyt jo pian onnettomuuden jälkeen (Legasov kuoli vuonna 1988). Myytin alullepanijaksi on monissa yhteyksissä esitetty neuvostoliittolaista fyysikkoa Vasili Nesterenkoa, mutta tarkemmin en asiaa tunne.

Esimerkki osoittaa joka tapauksessa hyvin sen, että myös historiallisia tapahtumia ja todellisia henkilöitä käsittelevässä fiktiossa voidaan käsikirjoituksen suhteen ottaa suuriakin vapauksia. HBO:n sarjassa on kohtaus, jossa Legasov kuvailee koko Ukrainan tuhoavan höyryräjähdyksen uhkaa Neuvostoliiton kommunistisen puolueen puheenjohtajalle Mihail Gorbatšoville. Djatlov oli käsikirjoitettu tarinan roistoksi, ja vastapainoksi tarvittiin myös auktoriteetteja uhmaava sankari.

Päästöpilvi saapui Suomeen

Räjähdyksen tuhoamassa reaktorikuilussa syttyi lauantai-iltapäivänä 26.4. tulipalo, joka alkoi nostaa radioaktiivisia aineita korkealle ilmaan. Päästöpilvi kulkeutui tuulen mukana länteen ja pohjoiseen. Ilmavirrat kuljettivat radioaktiiviset aineet nopeasti Itämeren yli Fennoskandiaan. Ensimmäiset havainnot poikkeuksellisesta säteilytasosta tehtiin Suomessa ja Ruotsissa sunnuntai-iltana 27.4. Reaktorin räjähdyksestä oli tässä vaiheessa kulunut aikaa vajaa kaksi vuorokautta. Suomessa ei onnettomuuden aikaan ollut nykyisen kaltaista automaattista säteilyvalvontaverkkoa, mutta koska suurvaltojen välisen ydinsodan uhka oli jatkuvasti ilmassa, radioaktiivisten aineiden pitoisuuksia seurattiin tarkasti. Havaintoja laskeumasta tehtiin Ilmatieteen laitoksen mittausasemalla Nurmijärvellä sekä puolustusvoimien asemalla Kajaanissa.

Säteilyturvakeskus sai tiedon poikkeuksellisista lukemista maanantaiaamuna 28.4., ja alkoi selvittää tilannetta. Tiedon välitykseen ei ollut nykyisen kaltaista teknologiaa, minkä lisäksi tilannetta vaikeutti meneillään oleva virkamieslakko. Ennen kuin radioaktiivisten aineiden tarkempi koostumus saatiin selvitettyä gammaspektrianalyyseillä, niiden alkuperäksi arvailtiin esimerkiksi Tšekkoslovakialaisessa uraanikaivoksessa tapahtunutta päästöä.

Maanantaiaamun kuluessa havainnoista pystyttiin kuitenkin keskustelemaan ruotsalaisten kanssa. Sata kilometriä Tukholmasta pohjoiseen sijaitsevalla Forsmarkin ydinvoimalaitoksella oli myös havaittu merkkejä radioaktiivisesta laskeumasta. Studsvikin ydintutkimuskeskuksessa tehtyjen analyysien perusteella päästö oli peräisin reaktorionnettomuudesta, ja vallitseva säätila viittasi lähteen olevan Neuvostoliiton puolella. Asiasta ilmoitettiin iltapäivällä sisäministeriön pelastusosastolle, ja ensimmäinen julkinen tiedotus kohonneista säteilytasoista luettiin kello 16 radiouutisissa. Ylen arkistosta löytyy ote saman päivän TV-uutislähetyksestä.

Länsinaapurissa tilanteen selvittäminen eteni pitkälti saman kaavan mukaan. Ensimmäiset uutiset mahdollisesta ydinvoimalaonnettomuudesta levisivät maailmalle maanantaina 28.4. juuri ruotsalaismedian kautta. Myös Suomessa moni onnettomuuden aikaisia tapahtumia muisteleva kertoo kuulleensa Tšernobylistä nimenomaan Ruotsista, sillä itään kumartavat suomalaisviranomaiset ja media pysyttelivät vaiti. Miten tällainen käsitys on alkujaan päässyt syntymään, vaikka ruotsalaisten ja suomalaisten julkaisemien tiedotteiden välillä ehti kulua aikaa korkeintaan muutama tunti?

Olin itse onnettomuuden aikaan peruskoulun ala-asteella. Ihan niin yksityiskohtaisia muistoja minulla ei tapahtuneesta ole, että osaisin tähän kysymykseen omien kokemusten pohjalta vastata. Veikkaisin kuitenkin että mielikuva suomalaisviranomaisten salailusta on syntynyt pitkälti siitä, että Ruotsin energiaministeri Birgitta Dahl todella esitti tällaisia väitteitä. Dahl paheksui sitä, että suomalaiset eivät olleet varoittaneet ruotsalaisia etukäteen kohonneista säteilyarvoista. Väite perustui ajatukseen, että koska Suomi oli maantieteellisesti lähempänä Tšernobyliä, myös päästö olisi saapunut tänne jo aikaisemmin. Radioaktiiviset aineet eivät kuitenkaan kulkeneet suorinta mahdollista reittiä, vaan ilmanvirtausten mukana. Ruotsalaisten esittämät syytökset vedettiin pian takaisin, mutta mielikuvat salailusta jäivät elämään.

Ruotsalaisviranomaisten omakaan toiminta ei edennyt ihan niin kuin Strömsössä. Kun annosnopeudet Forsmarkissa alkoivat maanantaiaamuna nousta, ydinvoimaloiden turvallisuutta valvova viranomainen määräsi laitoksen evakuoitavaksi siltä varalta, että päästö olisikin peräisin omasta reaktorista. Laitosalueelta pois johtavan tien ruuhkautuminen herätti median mielenkiinnon, minkä jälkeen poikkeuksellisista säteilyhavainnoista oli pakko kertoa. Tässä vaiheessa päästön lähde oli tosin saatu jo paikannettua Neuvostoliiton puolelle.

Kuulin pari vuotta sitten Loviisassa vieraillessani mielenkiintoisen Tšernobylin onnettomuuden aikaisiin tapahtumiin liittyvän anekdootin. Laitoksen käyttöhenkilökunta sai sunnuntain ja maanantain vastaisena yönä puhelun Forsmarkista. Langan toisesta päästä tiedusteltiin, oliko myös Suomessa tehty havaintoja radioaktiivisista aineista? Päästöpilvi kulki korkealla ilmassa, joten pitoisuudet maan pinnalla olivat vielä tässä vaiheessa normaalilla tasolla. Aamuyöllä alkanut vesisade toi laskeuman maahan, ja aamuvuoron työntekijöiden kulkiessa laitokselle sisään herkät säteilymonitorit alkoivat hälyttää kohonneista arvoista.

Kuulisin mielelläni lisääkin vastaavia kokemuksia noiden ensimmäisten onnettomuuspäivien ajalta, sillä Tšernobylistä on kirjoitettu niin paljon, että tällaisten yksityiskohtien löytäminen Internetin syövereistä on todella vaikeaa.

Miksi RBMK?

Tšernobylin onnettomuus herättää luonnollisesti kysymyksen siitä, miksi RBMK-reaktoreita ylipäänsä rakennettiin? Reaktorityyppi tiedettiin lännessä vaaralliseksi, ja vaikka turvallisuusongelmat eivät olleet laitosten käyttöorganisaatioiden tiedossa, reaktorin suunnittelijat ymmärsivät kyllä riskit.

Vastaukseksi tarjotaan usein ydinasemateriaalin valmistusta. Tämä ei kuitenkaan ole uskottava selitys. Neuvostoliitolla oli niin pitkälle viety ydinaseohjelma, että plutoniumin saatavuus ei enää Tšernobylin laitosten rakentamisen aikaan ollut minkäänlainen ongelma. Aseohjelman tarpeisiin oli jo 1950-luvulla perustettu kokonaisia suljettuja ja tarkkaan vartioituja kaupunkeja. Ydinvoimaloita operoivat Neuvostoliitossa siviilipuolen organisaatiot.

RBMK:n yhteys plutoniumintuotantoreaktoreihin onkin lähinnä historiallinen. Vastaavalla periaatteella toimivia reaktoreita rakennettiin liittoutuneiden ydinaseohjelman tarpeisiin Yhdysvalloissa toisen maailmansodan aikana. Manhattan-projektissa toimineet vakoojat saivat reaktoreiden piirrustukset haltuunsa, ja ensimmäiset kanavatyyppiset grafiittireaktorit rakennettiin Neuvostoliittoon 1950-luvun alussa. Energiantuotantokäyttöön tarkoitetut suuret RBMK:t kehitettiin näistä prototyypeistä kuitenkin vasta muutamaa vuosikymmentä myöhemmin, jolloin kehityksen painopiste oli jo siirtynyt kevytvesiteknologiaan.

HBO:n sarjassa Legasov käsittelee aihetta kohtauksessa, jossa Djatlovia ja laitoksen johtajia syytetään oikeudessa onnettomuuden aiheuttamisesta. Selitykseksi todetaan, että RBMK:n käyttöön päädyttiin Neuvostoliitossa siksi, että se oli halpa valmistaa. Todellisuudessa RBMK ei kuitenkaan ilmeisesti edes ollut Loviisan kaltaisia kevytvesityyppisiä VVER-reaktoreita halvempi tai taloudellisempi vaihtoehto. Syy oli pikemminkin se, että reaktoriin ei kuulunut massiivista paineastiaa. Reaktoripaineastian valmistus muodostaa ydinvoimalaitoksen rakentamisen kannalta ikävän pullonkaulan. Prosessi on hidas, ja vaatii teknologiaa, jota ei aivan jokaisesta konepajasta löydy. Kanavatyyppinen RBMK sen sijaan soveltui hyvin sarjatuotantoon. Reaktorin sydän rakentui paineen kantavista putkista, joiden valmistaminen ei ylikuormittanut koko toimitusketjua.

Nauhoitetuissa muistelmissaan (nauha 4, A-puoli) Legasov toteaa, että jo kertaalleen hylätty RBMK otettiin uudelleen suunnittelupöydälle kun Neuvostoliitto alkoi 1960-luvulla jäämään teollisuustuotannossa jälkeen länsimaista. Ydinvoimasta oli toivottu talouden veturia, mutta VVER-laitosten rakentaminen veikin odotettua enemmän aikaa. Sarjavalmisteinen RBMK tarjosi rinnakkaisen vaihtoehdon, jolla energiantuotantoon saatiin kaivattua lisävauhtia. 1970-luvulle tultaessa RBMK:t olivatkin jo aikansa suurimpia ydinvoimalaitoksia.

Onnettomuuden aikajana

Tämä blogikirjoitus julkaistiin 27. huhtikuuta 2021. Ensimmäinen päästöpilvi saapui Suomeen samoihin aikoihin 35 vuotta sitten. Paikan päällä reaktorikuilussa syttyneen tulipalon sammutustyöt olivat päässeet vauhtiin, ja laitoksen lähellä sijaitsevan Pripjatin kaupungin evakuointitoimet oltiin saamassa päätökseen. Onnettomuustilanne oli tässä vaiheessa kuitenkin vasta aluillaan. Alla olevaan taulukkoon on koottu poimintoja seuraavien päivien ja viikkojen tapahtumista. Tilanteen seuraaminen ikään kuin reaaliajassa 35 vuotta myöhemmin on aavistuksen makaaberia. Tšernobyl on kuitenkin aihe, joka tuntuu kiinnostavan vuodesta toiseen. Tämänkin blogin kävijästatistiikassa onnettomuutta käsittelevät kirjoitukset erottuvat selvästi muista aiheista.

Päivämäärä	Tapahtumia
26.4.1986	Tšernobylin ydinvoimalaitoksen nelosyksikön reaktori tuhoutuu voimakkaassa räjähdyksessä kello 01:23:45
	Räjähdyksen aiheuttamia tulipaloja aletaan sammuttaa, ja laitoksen käyttöhenkilökunta yrittää saada reaktorin jäähdytysjärjestelmiä toimimaan. Työntekijät ja palomiehet altistuvat voimakkaalle säteilylle. Aamuun mennessä pahimmin sairastuneita on jo toimitettu sairaalahoitoon. Akuuttiin säteilysairauteen kuolee lopulta 28 ihmistä, joista suurin osa on laitoksen käyttöhenkilökuntaa, sekä vuosihuoltoon osallistuneita aliurakoitsijoita. Joukossa on myös 7 palomiestä ja 2 vartijaa. Kaikki kuolemaan johtaneet säteilyannokset saatiin ensimmäisen yön pelastustöissä.
	Paikalliset palopesäkkeet laitoksen sisällä ja katoilla saadaan sammutettua aamuun mennessä. Päivän kuluessa reaktorikuilussa syttyy kuitenkin uusi tulipalo, joka alkaa nostaa radioaktiivisia aineita uudelleen ilmaan. Silminnäkijäkuvausten mukaan tulipalo näkyy illan hämärtyessä kilometrien päähän, kun taivas reaktorirakennuksen yläpuolella värjäytyy karmiininpunaiseksi.
	Puolen päivän aikoihin Moskovassa aletaan kokoamaan hallituksen nimittämää komissiota hoitamaan hätätilannetta Tšernobylissä. Komission johtoon nimetään Neuvostoliiton varapääministeri Boris Sherbina. Ensimmäiset asiantuntijat saapuvat paikalle lauantai-iltana.
27.4.1986	Annosnopeudet kolmen kilometrin päässä laitoksesta sijaitsevassa 50,000 asukkaan Pripjatin kaupungissa alkavat kohota sen jälkeen, kun reaktorikuilussa syttyy tulipalo. Viranomaiset tekevät yön aikana päätöksen kaupungin evakuoimisesta. Pripjatiin lähetetään tuhansia linja-autoja, sekä armeijan kuljetuskomppanian käytössä olevaa kalustoa. Evakuointitoimet aloitetaan puoli kahdelta iltapäivällä, ja iltaan mennessä kaupunki on tyhjennetty kokonaan asukkaista.
	Reaktorissa riehuvaa tulipaloa aletaan sammuttaa pudottamalla reaktorikuiluun hiekkaa ja muita sammutusaineita helikopterista käsin.
	Tulipalon ilmaan nostama radioaktiivinen päästöpilvi saapuu Fennoskandiaan. Ensimmäiset havainnot poikkeuksellisesta säteilytilanteesta tehdään Suomessa ja Ruotsissa.
28.4.1986	Suomessa säteilyturvakeskus alkaa selvittää kohonneiden säteilylukemien alkuperää. Tilanteesta keskustellaan aamupäivän mittaan ruotsalaisten kanssa. Ensimmäinen julkinen tiedotus luetaan kello 16 radiouutisissa. Illalla Neuvostoliitto vahvistaa, että Ukrainassa on tapahtunut vakava ydinvoimalaonnettomuus. Korkeimmillaan ulkoisen säteilyn annosnopeus nousee Suomessa noin viiteen mikrosievertiin tunnissa, mikä vertautuu kosmisen säteilyn voimakkuuteen lentokoneessa. Maanantain jälkeen säteilytaso alkaa laskea.
29.4.1986	Helsingin sanomat kertoo onnettomuudesta otsikolla ”Ydinvoimalaonnettomuus NL:ssä, Tass kertoi loukkaantuneista – saastepilvi levisi Pohjolaan”.
	Ensimmäisenä onnettomuusyönä korkean säteilyannoksen saanut reaktorin käyttöpäällikkö Leonid Toptunov lähettää säteilyvammoihin erikoistuneesta moskovalaisesta sairaalasta Tallinnassa asuvalle äidilleen sähkeen, jossa hän kertoo voivansa hyvin. 25-vuotias Toptunov kuolee säteilysairauteen kaksi viikkoa myöhemmin saamatta koskaan tietää, oliko hän itse aiheuttanut virheillään reaktorin räjähdyksen. Äidille lähetetystä viestistä päätyy kopio myös KGB:n arkistoon.
30.4.1986	Reaktorin ilmapäästöissä sammutuslentojen aloittamiseen jälkeen havaittu lasku pysähtyy, ja ilmasta mitatut radioaktiivisten aineiden pitoisuudet kääntyvät uudelleen nousuun. Vaihtoehtoisena keinona aletaan valmistelemaan tulipalon sammuttamista typpikaasulla.
2.5.1986	Sammutuslennot lopetetaan tuloksettomina, kun reaktorirakennuksen pelätään romahtavan päälle kasaantuneen painon alla. Myöhemmin on arvioitu, että suurin osa sammutusaineista ei edes päätynyt palavaan reaktorikuiluun saakka.
3.5.1986	Kolme suojavarusteisiin sonnustautunutta työntekijää käy avaamassa reaktorirakennuksen maanalaisessa huoltokäytävässä sijaitsevat venttiilit, jotta reaktorin alapuolella olevat lauhdutusaltaat saadaan tyhjennettyä vedestä. Kyse on varotoimenpiteestä, jolla halutaan välttää radioaktiivisen höyrypilven leviäminen laitosalueelle kuuman sydänsulan päästessä kosketuksiin veden kanssa.
5.5.1986	Reaktorikuilussa edelleen riehuvan tulipalon sammutusta varten asennettu typpiruiskutuslinja saadaan valmiiksi. Yhteys on vedetty vieressä sijaitsevan kolmosyksikön sisätilojen läpi ja betoniseiniin porattujen reikien kautta reaktorin alapuoliseen tilaan.
	Sydänsula puhkaisee reaktorikuilun pohjan. Alapuolella sijaitsevat tilat kuuluvat reaktorin paineenhallintajärjestelmään. Sydänsula valuu höyryputkien ja suuttimien kautta kahteen kerrokseen sijoitettuihin lauhdutusaltaisiin. Levittäytyessään laajemmalle pinta-alalle massa jäähtyy ja jähmettyy. Ilmapäästöissä havaintaan ensin lyhyt nousu, kun sydänsula alkaa kiehuttaa altaissa jäljellä olevaa vettä, ja tämän jälkeen jyrkkä pudotus, kun lämpötilat laskevat ja tulipalo reaktorikuilussa sammuu.
6.5.1986	Reaktorin typpisammutus päästään aloittamaan. Tulipalo on tässä vaiheessa kuitenkin todennäköisesti sammunut jo omia aikojaan. Onnettomuuden aktiivinen vaihe katsotaan päättyneeksi. Laitosalueella ja lähiympäristössä aloitetaan tämän jälkeen mittava puhdistus- ja raivausoperaatio, joka jatkuu aina 1990-luvun puolelle saakka. Töihin osallistuu lopulta yhteensä noin 500,000 sotilasta ja siviilityöntekijää.
Syyskuu 1986	Neuvostoliitto esittää onnettomuuden syitä selvittäneen asiantuntijakomission raportin kansainväliselle atomienergiajärjestölle IAEA:lle. Tämä INSAG-1 -nimellä julkaistu raportti vierittää syyn onnettomuudesta laitoksen käyttöhenkilökunnan niskoille.
Lokakuu 1986	Räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen päälle rakennettu väliaikaiseksi suojaksi tarkoitettu sarkofagi valmistuu.
1991	Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kakkosyksikkö ajetaan lopullisesti alas.
	Neuvostoliitto hajoaa. Ukrainan itsenäistyttyä paljon onnettomuutta käsittelevää salaiseksi luokiteltua materiaalia vapautetaan julkisuuteen.
1992	Kansainvälisen riippumattoman asiantuntijaryhmän valmistelema INSAG-7 -raportti kumoaa neuvostoliittolaisten aiemmin esittämät väitteet onnettomuuden syistä. Reaktorin käyttöhenkilökunnan tekemien virheiden ja laiminlyöntien sijaan onnettomuuden tekniseksi syyksi todetaan reaktorityypille ominainen epästabiilisuus, sekä suunnitteluvirhe säätösauvarakenteessa. Raportissa kiinnitetään paljon huomiota myös inhimillisiin tekijöihin, sekä yleisesti ottaen Neuvostoliiton ydinenergia-alalla vallinneeseen huonoon turvallisuuskulttuuriin.
1996	Tšernobylin ydinvoimalaitoksen ykkösyksikkö ajetaan lopullisesti alas.
2000	Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kolmosyksikkö ajetaan lopullisesti alas. Sähköntuotanto laitospaikalla loppuu.
2016	Reaktorirakennuksen ympärille rakennettu uusi suoja valmistuu. Onnettomuudesta on tullut kuluneeksi 30 vuotta.
	Ilta-Sanomat juhlistaa Tšernobylin 30-vuotispäivää julkaisemalla artikkelin, jossa toistetaan neuvostoliittolaisten vuonna 1986 IAEA:lle esittämästä selvityksestä peräisin olevia käsityksiä onnettomuuden syistä ja käyttöhenkilökunnan tekemistä virheistä. Sama lehtijuttu julkaistaan tästä eteenpäin joka vuosi onnettomuuden vuosipäivän tienoilla.