Spoiler alert (HBO:n Tšernobyl-minisarja)

Jaakko Leppänen – 19.5.2019

HBO Nordicilla käynnistyi hiljattain Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta kertova minisarja, joka on jo ehtinyt kerätä paljon ylistäviä arvioita. Katsoin sarjan ensimmäiset osat, ja koska olen kirjoittanut tässä blogissa aikaisemmin onnettomuuden syistä ja seurauksista, ajattelin että aihetta olisi mielenkiintoista käsitellä myös TV-sarjan tapahtumien kautta. Tarkoitus ei ole pilata kenenkään katselukokemusta naureskelemalla juonesta löytyville virheille, mutta koska Tšernobyliin liittyy paljon myyttejä ja vääriä tulkintoja, näitäkin asioita tulee varmasti nostettua esille. Ymmärrän toki ettei kyse ole dokumentista, vaan tositapahtumiin pohjautuvasta fiktiosta. Yritän siis parhaani mukaan olla nipottamatta turhasta, ja nostaa esille kohtauksia ja havaintoja, jotka itse koin mielenkiintoisiksi. Lähteenä olen käyttänyt pääasiassa samoja dokumentteja kuin aikaisemmissa kirjoituksissa.

Aloitellessani tätä kirjoitusta sarjasta oli esitetty kaksi ensimmäistä jaksoa. Täydennän tekstiä viikoittain sitä mukaa kun sarja etenee. Sanomattakin lienee selvää, että kirjoitus sisältää juonipaljastuksia. Yritän kuitenkin olla spoilaamatta vielä esittämättömiä jaksoja menemällä turhaan tapahtumien edelle.

Jakso 1 – 1:23:45

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus tapahtui Ukrainassa lauantaina 26.4.1986, kun laitoksen nelosyksikön reaktori räjähti alasajon yhteydessä tehdyn rutiininomaisen turbiinikokeen jälkeen. Onnettomuusreaktori oli grafiittimoderoitu kanavatyyppinen kiehutusvesireaktori, joka poikkeaa tietyiltä osin tavanomaisista paine- ja kiehutusvesityyppisistä kevytvesireaktoreista. Reaktorin tyyppilyhenne RBMK mainitaan jakson kuluessa useampaan kertaan. Reaktorifyysikkona minua olisi erityisesti kiinnostanut nähdä miten onnettomuuteen johtanut tapahtumaketju sarjassa esitetään. Varsinaiset tapahtumat alkavat kuitenkin reaktorin räjähdyksestä, joka tapahtui aamuyöllä kello 01:23:45. Jätän onnettomuuden syiden kommentoinnin tältä erää väliin, sillä aiheeseen todennäköisesti palataan vielä myöhemmissä jaksoissa.

Sen verran täytyy kuitenkin heti alkuun todeta, että useimmissa dramatisoiduissa Tšernobyl-kuvauksissa onnettomuuden syy langetetaan reaktorin ohjaajien niskaan, vaikka käsitys henkilökunnan syyllisyydestä kumottiin jo ensimmäisessä kansainvälisen asiantuntijaryhmän laatimassa INSAG-7 -selvityksessä 1990-luvun alussa. Erityisesti laitosyksikön varapääinsinöörinä toiminut Anatoly Dyatlov on ollut tapana esittää tarinan roistona, joka omalla välinpitämättömällä toiminnallaan aiheutti reaktorin räjähtämisen. Dyatlov esitetään myös sarjan avausjaksossa varsin vastenmielisenä hahmona. Siltä osin kuvaus kuitenkin vaikuttaa realistiselta, että käyttöhenkilökunta ei tunnu aluksi lainkaan ymmärtävän mistä on kyse. Räjähdys tapahtui myös todellisuudessa täysin yllättäen, ja vastoin kaikkea mitä reaktorin toiminnasta valvomossa tiedettiin. Dyatlov on itse kirjoittanut onnettomuusyön tapahtumista Nuclear Engineering International -lehteen vuonna 1991.

Onnettomuutta yritetään aluksi selittää turbiinihallissa tapahtuneella vetyräjähdyksellä. Monilla voimalaitoksilla vetykaasua käytetään generaattorin jäähdytykseen, joten painesäiliöihin varastoidun vedyn räjähtäminen saattoi helposti olla ensimmäinen mieleen juolahtanut selitys. Vuorosanoissa vaihtoehtoisina selityksinä vilahtavat myös sabotaasi ja sotilaallinen hyökkäys, joista aikalaiskertomusten mukaan todella keskusteltiin heti räjähdyksen jälkeen.

Valvomossa ensireaktio on varmistaa veden syöttö reaktorin sydämeen. Tämä liittyy siihen, että ydinpolttoaine tuottaa vielä fissiotehon sammuttamisen jälkeenkin paljon lämpöä, kun lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vapautuu energiaa. Ydintekniikassa tätä kutsutaan reaktorin jälkilämmöksi. Jos polttoainetta ei jäähdytetä riittävästi, se voi ylikuumentua ja pahimmassa tapauksessa sulaa. Reaktorin pääkiertopumput eivät kuitenkaan enää toimi, eikä myöskään säätösauvojen laskeminen sydämeen onnistu valvomosta käsin. Ydinvoimalaitoksille on tavallista, että turvallisuuden kannalta kriittisiä toimintoja voidaan ohjata eri tavoin. Työntekijöiden päättömältä vaikuttava juoksentelu paikasta toiseen ja jäähdytyskanavien venttiilien avaaminen käsin liittyy juuri siihen, että jäähdytysjärjestelmiä ja säätösauvoja yritetään vielä saada toimimaan.

Reaktorirakennuksen sisältä mitatun säteilytason havaitaan pian olevan koholla, mikä ei vielä sekään sulje pois turbiinipuolen vetysäiliössä tapahtunutta räjähdystä. Reaktorin sydämen läpi kulkenut jäähdytysvesi aktivoituu neutronien vaikutuksesta. RBMK on toimintaperiaatteeltaan kiehutusvesityyppinen reaktori, jossa turbiinia pyörittävä höyry otetaan suoraan reaktorin primäärikierrosta. Höyryputken tai syöttövesilinjan katkeaminen olisi voinut levittää radioaktiivista vettä reaktorirakennuksen tiloihin ja nostaa säteilytasoa. Dosimetrilla mitattu annoskertymä näyttää lukemaksi 3.6 röntgeniä, joka on sievert-yksiköissä n. 34 mSv. Annos ei ole vaarallisen korkea (kts. säteilyn yksiköt ja suuruusluokat toisesta blogikirjoituksesta), mutta sen nopea kertyminen kertoo varsin korkeasta säteilytasosta. Todellisuudessa tällaisessa tilanteessa mitattaisiinkin kertymän lisäksi myös annosnopeutta, joka kertoo paremmin esimerkiksi sen, miten pitkään säteilevissä tiloissa on turvallista olla.

Tilannekuvan hahmottamista vaikeuttaa kuitenkin se, että 3.6 röntgeniä on mittarin maksiminäyttämä. Myös tämä juonikuvio perustuu todellisuuteen. Mittareiden mentyä välittömästi tappiin työntekijöillä ei ollut minkäänlaista käsitystä todellisesta säteilytasosta reaktorirakennuksen sisällä. Tulipaloa sammuttamaan saapuneilla palomiehillä ei ollut käytössään lainkaan säteilymittareita. Työntekijöiden ja palomiesten saamat tappavan korkeat säteilyannokset selittyvätkin pitkälti juuri sillä, että tilanteen vaarallisuus ei ollut aluksi kenenkään tiedossa. Pahimmissa paikoissa annosnopeus saattoi ylittää luonnollisen säteilytaustan miljardikertaisesti.

Kävellessään reaktorirakennuksen ikkunan ohi Dyatlov näkee laitoksen pihalla mustia kappaleita, jotka näyttävät grafiitilta. RBMK-reaktoreissa grafiittia käytetään reaktorin sydämessä neutronimoderaattorina (tähän palataan seuraavassa jaksossa). Ensimmäisen palokuntayksikön saapuessa paikalle palomies poimii käteensä yhden maassa lojuvista kappaleista. Kohtaukseen on ehkä saatu mallia aidosta valokuvasta (kuva 1), joka on otettu onnettomuuden jälkeen laitoksen pihalta. Hetkeä myöhemmin miehen käteen alkaa muodostua säteilyn aiheuttama palovamma. Ainoa mahdollinen selitys grafiitille on se, että räjähdys on tapahtunut reaktorissa eikä turbiinihallissa. Asiasta kuitenkin kiistellään vielä jakson loppuun saakka, vaikka koko reaktorirakennuksen yläosa on selvästi tuhoutunut räjähdyksessä, ja paikan päällä katsomassa käynyt työntekijä kertoo reaktorikuilun olevan tyhjä. Myös todellisuudessa onnettomuuden mittakaavan hahmottaminen vei aikansa.

grafiitti

Kuva 1: Grafiittimoderaattorin kappale kuvattuna laitoksen pihalla räjähdyksen jälkeen. Kappaleen keskellä oleva reikä on joko polttoaine- tai säätösauvakanava. Kappaleen läpimitta on 25 cm.

Jakson loppua kohden aamu valkenee, ja yhä useammat säteilylle altistuneet työntekijät ja palomiehet alkavat kärsiä säteilysairauden oireista. Todellisuudessa pelastusoperaatio oli jo tässä vaiheessa paljon kuvattua suurempi. Ensimmäisen yön sammutustöihin osallistui noin 600 ihmistä. Räjähdystä seuranneen 12 tunnin aikana yhteensä 134 työntekijää toimitettiin säteilysairauden vuoksi hoitoon, ja sairauden aiheuttamiin välittömiin komplikaatioihin kuoli lopulta 28 ihmistä. Ohjelmasta ei käy ilmi se, miten suuren annoksen akuutin säteilysairauden kehittyminen todellisuudessa vaatii. Tšernobylin pelastustyöntekijät muodostavat suurimman osan kaikista koskaan raportoiduista tapauksista (Hiroshiman ja Nagasakin pommitusten aikaan vaikutuksia ei vielä kunnolla tunnettu). Kaikki tällaiset annokset saatiin juuri ensimmäisen vuorokauden pelastustöissä.

Lauantaiaamuna reaktorin tilanne oli siis se, että sydän oli kärsinyt räjähdyksessä vakavia vaurioita, ja rakennuksen kattoon oli puhjennut ammottava reikä. Kaikki radioaktiivisen päästön tiellä olevat vapautumisesteet oli menetetty kerralla. Kaasumaiset fissiotuotteet olivat karanneet ilmaan, ja polttoainetta, grafiittia sekä muita erittäin radioaktiivisia reaktorin sisäosia oli levinnyt laitosalueelle. Ketjureaktio oli todennäköisesti katkennut kokonaan räjähdyksen tuhottua kriittisen geometrian (sarjan ensimmäisessä jaksossa tämä jäi vielä vähän epäselväksi).

reaktorirakennus

Kuva 2: Ilmakuva räjähdyksessä tuhoutuneesta reaktorirakennuksesta.

Reaktorikuiluun jäänyt polttoaine tuotti edelleen paljon jälkilämpöä. Vesikierto sydämeen oli pysähtynyt, ja seuraava uhka oli ehjäksi jääneen polttoaineen sulaminen, joka vapauttaisi lisää radioaktiivisia aineita ympäristöön. Käytännössä sulamista oli enää tässä vaiheessa mahdoton välttää. Lämpötila kohosi lopulta niin korkeaksi, että reaktorikuilussa syttyi raju tulipalo. Vaikka räjähdys oli jo levittänyt paljon radioaktiivisia aineita laitoksen lähiympäristöön, määrällisesti suurin päästö aiheutui nimenomaan siitä, että kaasu- ja aerosolimuotoiset päästöt sekä polttoaineesta mekaanisesti irronneet kuumat hiukkaset pääsivät palokaasujen mukana ilmoille. Sarjassa tapahtumista poiketen tulipalo ei syttynyt heti räjähdyksen jälkeen, vaan lauantai-iltaan mennessä.

Sekalaisia poimintoja:

  • Termi ”reactor core” on virheellisesti käännetty reaktorin ytimeksi. Oikea suomenkielinen termi on reaktorin sydän.

  • Palavasta reaktorikuilusta nousee taivaalle sinertävä valokeila, jonka kerrotaan olevan Tšerenkovin säteilyä. Seuraavassa jaksossa loisteen sanotaan aiheutuvan ilman ionisaatiosta. Kyse on kahdesta eri ilmiöstä, jotka molemmat liittyvät gammasäteilyn vuorovaikutuksiin väliaineen kanssa.i On hyvin mahdollista, että reaktorista peräisin olevat erittäin radioaktiiviset aineet saivat ilman hohtamaan. Keilamaisen valopatsaan muodostuminen herättää enemmän epäilyksiä. Jotkut silminnäkijät ovat tällaisesta puhuneet, mutta ainakaan itse en muista nähneeni ilmiöstä ainuttakaan valokuvaa.

  • Henkilökunnan välisissä keskusteluissa nostetaan toistuvasti esille mielikuva siitä, että RBMK-reaktori ei voi räjähtää. Todellisuudessa RBMK on lähestulkoon ainut reaktorityyppi, jolla Tšernobylin onnettomuuden kaltainen räjähdys on ylipäänsä mahdollinen. Vaikka laitoksen epäedulliset turvallisuusominaisuudet eivät olleet ohjaajien tiedossa, tuntuu silti oudolta painottaa sitä, että räjähdys olisi mahdoton juuri tässä nimenomaisessa reaktorityypissä. RBMK-reaktoreihin ei liity sellaisia erityispiirteitä, minkä vuoksi henkilökunnalla olisi ollut syytä olettaa, että RBMK on myöskään esimerkiksi Loviisassa käytettävää VVER-reaktorityyppiä turvallisempi.

  • Reaktorin tulipalo muodostaa paksun tumman savupatsaan. Palamista ylläpitivät herkästi syttyvät kaasut (pääasiassa vety ja hiilimonoksidi), joita muodostui kuuman grafiitin ja zirkonium-metallisten rakennemateriaalien reagoidessa kemiallisesti veden kanssa. Tällainen tulipalo ei tuota suurta määrää savua, vaan palokaasut koostuvat lähinnä valkoisesta vesihöyrystä. Alkuvaiheessa mukana saattoi tosin olla myös kattorakenteissa käytettyä bitumia, joka kyllä tuottaa palaessaan mustaa savua.

  • Pripjatilaisessa sairaalassa synnytysosaston lääkäri ja sairaanhoitaja keskustelevat ydinvoimalaitoksen tulipalosta, joka näkyy horisontissa huoneen ikkunasta. Hoitaja kysyy onko sairaalan varastossa jodia, eikä lääkäri tunnu aluksi ymmärtävän kysymystä. Neuvostoliitto oli vuonna 1986 valmistautunut ydinsotaan jo 40 vuoden ajan, ja jokaisella terveydenhuollon ammattilaisella oli taatusti käsitys siitä, minkälaisia toimenpiteitä ydinlaskeuma aiheuttaa. Joditabletteja käytetään kyllästämään kilpirauhanen stabiililla jodilla, mikä vähentää merkittävästi laskeuman mukana tulevan radioaktiivisen I131-isotoopin imeytymistä. 60-70% Pripjatin asukkaista sai jodisuojauksen puolentoista vuorokauden kuluessa reaktorin räjähdyksestä.

Jakso 2 – Please remain calm

Sarja alkoi hyvin lupaavasti, mutta jo toinen jakso oli ainakin minulle lievä pettymys. Osasin odottaa, että sujuva tarinankerronta edellyttää toisinaan faktojen oikomista ja muita taiteellisia vapauksia. Tšernobyl on kuitenkin niin dramaattinen tarina, että sarjan olisi voinut hyvin rakentaa ihan todellistenkin tapahtumien ympärille. Muutamassa kohtauksessa asiavirheet ovat niin epäloogisia, että oikaisut pikemminkin vaikeuttavat tapahtumien ymmärtämistä. Suurin pettymys oli kuitenkin se, että käsikirjoitus sortuu toistamaan yleisesti tunnettuja onnettomuuteen liittyviä myyttejä, jotka eivät todellisuudessa pidä paikkansa.

Jakso ajoittuu reaktorin räjähdystä seuraavien vuorokausien tapahtumiin lauantainaamusta eteenpäin. Alussa Valko-Venäjällä sijaitsevassa ydinenergiainstituutissa havaitaan säteilyä, ja ydinfyysikko Ulana Khomyuk (fiktiivinen hahmo) ottaa ikkunan ulkopinnalta pyyhkäisynäytteen. Gammaspektrianalyysi osoittaa näytteen sisältävän radioaktiivista I131:stä, mikä puolestaan kertoo että jossain lähialueella on tapahtunut reaktorionnettomuus.

Vastaavia säteilyhavaintoja tehtiin oikeastikin, ja myös pohjoismaissa, mihin päästöpilvi kulkeutui nopeasti tuulen mukana. Neuvostoliiton ulkopuolella radioaktiivinen laskeuma havaittiin ensimmäiseksi Ruotsissa Forsmarkin ydinvoimalaitoksella hieman yli vuorokausi reaktorin räjähdyksen jälkeen. Suomessa vastaavia mittauksia tehtiin puolustusvoimien valvonta-asemilla sunnuntai-iltana. Korkeimmat pitoisuudet mitattiin vuorokautta myöhemmin. Säteilytaso kohosi noin viiteen mikrosievertiin tunnissa, mikä vertautuu kosmisen säteilyn aiheuttamaan annosnopeuteen matkustajakoneen matkalentokorkeudessa. Otaniemen reaktorilla työskennelleet VTT:n tutkijat ovat kertoneet, että onnettomuuden jälkeisellä viikolla herkät säteilymonitorit olivat hälyttäneet kengänpohjissa olevasta kontaminaatiosta heidän palatessaan lounastauolta takaisin sisätiloihin.

RBMK-asiantuntija Valery Legasov hälytetään Moskovassa pidettävään kokoukseen, jossa hän saa vakuutettua Gorbatšovin siitä, että tilanne on paljon vakavampi kuin mitä viralliset raportit antavat ymmärtää. Näkemys perustuu erityisesti siihen, että raportissa todetaan palomiehen saaneen käteensä säteilyvammoja reaktorirakennuksen pihalla olevasta kappaleesta, joka kuvauksen perusteella vaikuttaa reaktorin sydämestä peräisin olevalta grafiitilta. Gorbatšov lähettää Legasovin ja varapääsihteeri Shcherbinan Tšernobyliin tarkastamaan tilannetta.

Legasov selittää ydinreaktorin toimintaperiaatetta Shcherbinalle helikopterimatkalla Moskovasta Tšernobyliin, ja kertoo että energiantuotanto perustuu neutronien U235:ssä aikaansaamaan fissioreaktioon. Grafiitin roolista todetaan seuraavaa (lainaukset suoraan suomenkielisestä tekstityksestä):

– Neutronit liikkuvat niin nopeasti, että sanomme sitä vuokseksi.

– On epätodennäköistä, että uraaniatomit osuvat toisiinsa.

– RBMK-reaktoreissa me ympäröimme (polttoaine)sauvat grafiitilla, joka hillitsee tai hidastaa neutronivuota.

Tässä kuvauksessa menevät sekaisin neutronit ja atomit, tosin myöskään vuorosanojen käännös ei ole paras mahdollinen. Fissio ei tapahdu kahden uraaniatomin törmätessä toisiinsa, vaan ytimen absorboidessa neutronin.ii Neutronin todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen riippuu voimakkaasti sen liike-energiasta. Törmäystodennäköisyys on suurimmillaan silloin, kun neutronin nopeus on pieni. Polttoainetta ympäröivän neutronihidasteen eli moderaattorin tehtävä onkin hidastaa neutronit fissioreaktion kannalta optimaaliselle matalalle energia-alueelle. Tavallisissa paine- ja kiehutusvesireaktoreissa moderaattorina käytetään vettä, ja RBMK-reaktoreissa grafiittia. Neutronien hidastumista ja ketjureaktion fysiikkaa on kuvattu yksityiskohtaisemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Legasovin ja Shcherbinan saavuttua Tšernobyliin tilanteen vakavuutta aletaan selvittää lähettämällä paremmalla säteilymittarilla varustettu kuorma-auto laitosalueelle. Mittarin lukema näyttää 15,000 röntgeniä (n. 150 Sv). Legasov toteaa, että reaktori säteilee tunnissa lähes kaksi kertaa enemmän kuin Hiroshiman pommi, ja että reaktori palaa ja levittää myrkkyä kunnes koko maanosa on kuollut.

Radioaktiivisuus ja säteily ovat eri asioita. Samoin päästö suuruus, säteilyn voimakkuus ja säteilyannos. Paras suure kuvaamaan radioaktiivista päästöä on aktiivisuus, joka kertoo hajoamisreaktioiden lukumäärän aikayksikössä. Tulipalossa vapautuvan päästön kokonaisaktiivisuutta ei kuitenkaan voi päätellä suoraan mitatusta annoskertymästä, joten myöskään vertausta ydinräjähdyksen vaikutuksiin ei vielä näiden tietojen perusteella ole mahdollista tehdä.

Myös Hiroshima-vertauksen mittakaava on pielessä. Suurvallat tekivät kylmän sodan aikana ydinkokeita ilmakehässä 35,000 Hiroshiman pommin edestä, eikä niiden aiheuttama radioaktiivinen laskeuma tuhonnut elämää maapallolta. Suurin koskaan räjäytetty ydinase oli Neuvostoliiton Tsar-Bomba, joka vastasi yksin yli 3000:a Hiroshimaa. Pommi räjäytettiin Novaja Zemljan ydinkoealueella pohjoisella jäämerellä vuonna 1961. Etäisyys Pohjois-Suomesta räjähdyspaikalle vastaa suunnilleen etäisyyttä Helsingistä Tšernobyliin.

Tulipalon sammuttamisesta keskusteltaessa Legasov toteaa, että reaktori palaa niin kuumana, ettei paloa voida sammuttaa vedellä. Vuorosanoista saa sellaisen käsityksen, että reaktori olisi edelleen käynnissä. Todellisuudessa sydän kärsi kuitenkin niin pahoja vaurioita, että ketjureaktio katkesi todennäköisesti jo räjähdyksen hetkellä. Vaikka reaktori olisikin tuottanut hieman fissiotehoa, suurempi ongelma oli joka tapauksessa polttoaineen jälkilämpö, jota on mahdoton kytkeä pois. Tulipaloa alettiin sammuttaa pudottamalla reaktoriin hiekkaa helikopterista käsin. Kuuman grafiitin tuottamien kaasujen palaminen vaatii ilmaa, jonka virtausta hiekalla yritetään tukahduttaa.

Sammutusoperaatio toteutettiin myös oikeasti, ja se kesti pitkälti toista viikkoa. Lentoja palavan reaktorin ylle tehtiin 1800, ja helikoptereiden miehistöt saivat niiden aikana suuria säteilyannoksia. Yksi koptereista tuhoutui törmätessään laitosalueella olevaan nosturiin. Kyseinen onnettomuus tosin tapahtui vasta lokakuussa 1986, kun tulipalo oli jo aikaa sitten saatu sammutettua. Reaktorikuiluun pudotettiin myös neutroneita absorboivaa booria, mikä viittaa siihen, että reaktorin sammuttajilla lienee kuitenkin ollut jonkinlainen huoli polttoaineen uudelleenkriittisyydestä.iii

Jakson jälkipuoliskolla juonessa tapahtuu käänne. Khomyuk keksii, että biologisen suojan läpi sulanut polttoaine voi aiheuttaa räjähdyksen alapuolella olevassa lauhdutusaltaassa (englanniksi termi on ”bubbler pool”, joka on suomenkielisessä tekstityksessä käännetty yksinkertaisesti vesisäiliöksi).iv Selittäessään tilannetta Gorbatšoville hän arvioi räjähdyksen voimakkuudeksi 2-4 megatonnia. Lopputulosta kuvataan seuraavasti:

– Kaikki 30 kilometrin säteellä tuhoutuu täysin, mukaan lukien kolme jäljellä olevaa reaktoria.

– Kaikkien ydinten radioaktiivinen materiaali sinkoutuu rajusti, ja leviää valtavan paineaallon avulla.

– Se ulottuu noin 200 kilometrin päähän, ja tappaa luultavasti koko Kiovan asukkaat sekä osan Minskistä.

– Säteily on suurta, ja se vaikuttaa Ukrainaan, Latviaan, Liettuaan, Valko-Venäjään sekä Puolaan, Tšekkoslovakiaan, Unkariin, Romaniaan ja Itä-Saksaan.

Gorbatšovin kysyessä mitä tämä tarkoittaa käytännössä Legasov vastaa, että ruuan- ja vedentuotanto tuhoutuu pysyvästi, syövän ja epämuodostumien määrät lisääntyvät rajusti, ja Valko-Venäjä ja Ukraina muuttuvat täysin asuinkelvottomiksi vähintään sadan vuoden ajaksi. Alueella asuu 60 miljoonaa ihmistä.

Juonikuviossa on totuuden siemen, mutta seurausten mittakaava on monta kertaluokkaa pielessä. Megatonni on energian yksikkö, jolla mitataan ydinräjähdysten voimakkuutta. Esimerkiksi Hiroshimaan pudotettu fissiopommi oli voimakuudeltaan n. 15 kilotonnia. Sarjassa esitetty väite 2-4 megatonnin räjähdyksestä vastaa siis satoja Hiroshiman pommeja. Käytännössä tällaista energiamäärää ei voi vapautua edes tavanomaisessa ydinräjähdyksessä, vaan siihen tarvitaan jo vetypommia.

Todellisuudessa kyse olikin höyryräjähdyksestä. Kuuma sydänsula olisi altaaseen osuessaan voinut hajota pieniksi pisaroiksi, ja siirtää lämpöenergiansa nopeasti veteen. Veden höyrystyminen olisi tällöin nostanut paineen hetkessä räjähdysmäisen korkeaksi. Ylimääräistä energiaa ei höyryräjähdyksessä kuitenkaan vapaudu, vaan kaikki energia joka prosessissa muuttaa muotoaan tulee sydänsulaan varastoituneesta lämmöstä.

Tšernobylissä höyryräjähdystä pelättiin todennäköisesti siksi, että se olisi levittänyt lisää radioaktiivisia aineita laitosalueelle, vaikeuttaen jo muutenkin lähes ylivoimaiseksi osoittautuneita pelastustöitä. Jossain vaiheessa historiaa totuus on kuitenkin vääristynyt sellaiseen muotoon, että sydänsulan päätyminen altaaseen olisi voinut aiheuttaa ydinräjähdyksen. Yleisimmistä Tšernobyl-myyteistä tämä on se, joka on kaikkein eniten väärin. Sarjan juonen kannalta kyse on kuitenkin sen verran dramaattisesta käänteestä, että sen ottamista käsikirjoitukseen mukaan on selvästi ollut liian vaikea vastustaa.

Jakso loppuu siihen, että radioaktiivisen veden täyttämää lauhdutusallasta tyhjentämään lähetetään kolmen vapaaehtoisen sukeltajan muodostama itsemurharyhmä. Sankarillisesta teosta uutisoitiin aikanaan jopa kansainvälisessä mediassa. Kuten uutisesta selviää, altaan tyhjentäminen tapahtui todellisuudessa vasta 10 päivää reaktorin räjähdyksen jälkeen. Laitosalueella työskenteli tällöin jo tuhansia ihmisiä, ja reaktorin tulipaloa oltiin saamassa sammumaan. Höyryräjähdys olisi voinut tehdä kaikki pelastustyöt tyhjäksi, ja käynnistää tulipalon uudelleen.

poikkileikkaus

Kuva 3: Poikkileikkauskuva reaktorirakennuksesta. Reaktorista valunut sydänsula on piirretty kuvaan punaisella. Lauhdutusaltaat näkyvät reaktorikuilun alapuolella olevissa tiloissa.

Sekalaisia poimintoja:

  • Kun Lyudmilla Ignatenko etsii sairaalasta sammutustöihin osallistunutta aviomiestään, yhdessä kohtauksessa esiintyy pahoja säteilyvammoja saaneita ihmisiä, jotka edellisessä jaksossa seurasivat horisontissa loimuavaa tulipaloa kaupungin laitamilla olevalta rautatiesillalta. En ole löytänyt esimerkiksi UNSCEAR:in onnettomuutta käsittelevistä raporteista mainintaa siitä, että kaupungin asukkaat olisivat saaneet säteilystä välittömiä teveyshaittoja. Käytännössä esimerkiksi akuutti säteilysairaus edellyttääkin lähes tappavan korkeaa annosta, eikä säteilytaso kaupungissa noussut missään vaiheessa niin korkeaksi, että siitä olisi koitunut välitöntä hengenvaaraa. Kuten edellä todettin, kaikki hengenvaarallisen korkeita annoksia saaneet ihmiset altistuivat säteilylle reaktorirakennuksen välittömässä läheisyydessä ensimmäisen onnettomuusyön aikana.

  • Löydettyään pyyhkäisynäytteestä radioaktiivista I131:ä Khomyuk toteaa ettei isotooppi voi olla peräisin ydinräjähdyksestä, vaan kyse on U235:n hajoamistuotteesta, jota on syntynyt reaktorin polttoaineessa. Todellisuudessa I131 on fissiotuote, jota syntyy sekä reaktorissa että ydinräjähdyksessä. Pelkän jodin perusteella tällaista johtopäätöstä ei siis voi tehdä. Ydinlaskeuma ei myöskään muodostu yksittäisestä isotoopista, vaan analyysi olisi paljastanut myös muita jodin, ja todennäköisesti myös ainakin cesiumin isotooppeja. Päästön alkuperän voi kyllä päätellä isotooppien keskinäisistä suhteista.

  • Legasovin puhuessa Gorbatšoville Moskovassa pidetyssä kokouksessa hän selittää säteilyä toteamalla, että jokainen U235-atomi on kuin lähes valonnopeudella kulkeva luoti. Vertaus on väärä, sillä kyse ei ole radioaktiivisen ytimen liikkeestä, vaan sen hajoamisessa syntyneistä korkeaenergisistä hiukkasista ja gammasäteilystä. Tässä yhteydessä säteilyn varsinainen lähde ei myöskään ole pitkäikäinen U235, vaan ytimen halkeamisessa muodostuneet korkea-aktiiviset fissiotuotteet. Legasovin selittäessä reaktorin toimintaa myöhemmin Shcherbinalle hän käyttää samaa luotivertausta fissiossa syntyneestä neutronista, jolloin kyse on taas eri ilmiöstä.

  • Englanninkielinen neutronien hidastumiseen viittaava termi ”moderate” on käännetty suomenkielisessä tekstityksessä hillitsemiseksi. Neutronien liikkeen nopeus sekoittuukin helposti reaktorin fissiotehon kasvunopeuteen. Neutronihidasteella eli moderaattorilla ei kuitenkaan hillitä ketjureaktion etenemistä, vaan muokataan neutronien energiaspektriä sellaiseksi, että fission todennäköisyys riittää ylläpitämään ketjureaktion kulkua.

  • Sydänsulan aiheuttamaan höyryräjähdykseen kytkeytyvä juonikuvio liitetään tarpeettomasti reaktorin tulipalon sammutuksessa käytettävään hiekkaan, jonka sanotaan estävän polttoaineen jäähtymistä, ja muodostavan sulaessaan kuumaa ”laavaa”. Sydänsula muodostuu uraanioksidista, suojakuoriputkien zirkoniumista ja näihin sekoittuneista aineista. Hiekan lisääminen ei todellisuudessa muuta seosta millään tavalla vahingollisemmaksi, ja radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö riittää ilman hiekkapeitettäkin sulattamaan polttoaineen. Eristävän vaikutuksen on kuitenkin epäilty jossain määrin vauhdittaneen polttoaineen sulamista ja radioaktiivisten aineiden vapautumista.

  • Pripjatin kaupungin evakuointitoimet päätetään aloittaa sunnuntai-iltapäivällä sen jälkeen, kun Shcherbina kuulee että Ruotsissa on havaittu säteilyä, ja onnettomuutta on enää mahdoton pitää salassa länsimailta. Todellisuudessa tapahtumat etenivät päinvastaisessa järjestyksessä. Päätös evakuoinnista tehtiin jo sunnuntain vastaisena yönä, ja operaation valmistelu alkoi heti aamulla. 50,000 asukkaan kaupunki tyhjennettiin kolmessa tunnissa. Jos neuvostojärjestelmä oli muuten byrokraattinen ja tehoton, niin ainakin suurten ihmismassojen siirtäminen paikasta toiseen onnistui vanhalla rutiinilla. Uutiset onnettomuudesta alkoivat levitä maailmalle vasta maanantain kuluessa.


i) Sinistä Tšerenkovin säteilyä syntyy kun korkeaenergisten fotonien compton-sironta irrottaa atomeilta elektroneja. Jos elektronin nopeus ylittää sähkömagneettisen aaltoliikkeen nopeuden väliaineessa, kentän energia pakkautuu hiukkasen eteen muodostaen samankaltaisen kiilamaisen shokkiaallon kuin yliäänennopeudella lentävä hävittäjäkone. Mekaanisen ääniaallon tapauksessa ilmiö aiheuttaa voimakkaan pamahduksen, ja elektronin tapauksessa shokkiaalto tuottaa valoa ultarvioletti- ja sinisen värin aallonpituusalueilla. Tšerenkovin säteilyä syntyy lähinnä vedessä, missä sähkömagneettisen säteilyn etenemisnopeus on suhteellisen pieni. Ionisoituneen ilman aiheuttama loiste on väriltään lähempänä violettia, ja siinä esiintyy samoja sävyjä kuin salamaniskussa.

ii) Legasovin vuorosanoissa mainittu neutronivuo on matemaattinen tiheyden kaltainen suure, jota käytetään reaktorifysiikassa liittämään neutronipopulaation käyttäytyminen reaktionopeuteen.

iii) Koska RBMK-reaktorin moderaattorina käytetään kiinteää grafiittia, osa tuhoutuneesta reaktorisydämestä saattoi jäädä sen verran ehjäksi, että ketjureaktio pääsi käynnistymään. Ilman jäähdytyskiertoa reaktori ei kuitenkaan pysty tuottamaan merkittävästi fissiotehoa ilman että ketjureaktio katkeaa polttoaineen sulamiseen. Kevytvesireaktoreissa vastaava onnettomuustilanne on lähtökohtaisesi erilainen, sillä moderaattorina käytetään vettä, joka höyrystyy ja karkaa sydämestä katkaisten ketjureaktion etenemisen kun lämpötila nousee riittävän korkeaksi.

iv) Lauhdutusallas on osa RBMK-reaktorin onnettomuudenhallintajärjestelmää. Jos jäähdytyspiirissä tapahtuu vuoto, höyry puhalletaan altaaseen, jolloin sen lauhtuminen pienentää muodostuvaa painekuormaa. Myös höyryn mukana mahdollisesti kulkeutuvia fissiotuotteita jää altaan veteen.

Mainokset

Missä viipyy sulasuolareaktori?

Jaakko Leppänen – 3.5.2019

Uuden sukupolven reaktoreista sulasuolareaktori (engl. Molten Salt Reactor, MSR) on lyhyessä ajassa noussut suosikkiteknologiaksi sekä ydinenergia-alan sisällä, että alan tulevaisuutta käsittelevässä uutisoinnissa. Reaktorityyppiin liitettävät odotukset on asetettu korkealle, ja kehitykseen on hypännyt perinteisten kansallisten tutkimusorganisaatioiden lisäksi joukko pieniä ja keskisuuria yrityksiä. Aiheen ympärillä käytävää hypeä seuratessa herääkin helposti kysymys: miksi näitä reaktoreita ei ole jo käytössä? Uutisoinnin ja arkitodellisuuden välillä vallitsee kieltämättä tietty ristiriita, sillä uuden teknologian mahdollisuuksista huolimatta ydinenergiateollisuus tuntuu edelleen luottavan vahvasti perinteiseen kevytvesireaktoriteknologiaan.

Sulasuolareaktoreista puhuttaessa kyse ei ole yksittäisestä reaktorityypistä, vaan pikemminkin sateenvarjotermistä, joka kattaa joukon varsin erilaisia teknologioita. Yritän tässä blogikirjoituksessa valottaa hieman aiheen taustaa. Kirjoituksen tarkoituksena ei kuitenkaan ole käydä läpi kaikkia mahdollisia variantteja, vaan esitellä yleisellä tasolla teknologian erityispiirteitä ja kehitykseen liittyviä haasteita.

Sulasuolateknologia

Kaikkia sulasuolareaktoreita yhdistävä tekijä on nestemäinen polttoaine, joka toimii samalla reaktorin primäärijäähdytteenä.i Reaktorin toimintaperiaate on pohjimmiltaan yksinkertainen: nestemäinen suola muodostaa reaktorin sydämen läpi virratessaan ketjureaktiota ylläpitävän kriittisen geometrian, ja fissioreaktioissa syntynyt energia siirtyy lämmönvaihtimien kautta primääripiiristä ulos. Muilta osin toteutus riippuu pitkälti reaktorin käyttötarkoituksesta ja polttoainekierrosta.

MSR

Kuva 1: Neljännen sukupolven sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Polttoaineena ja primäärijäähdytteenä toimivaa nestemäistä suolaa kierrätetään reaktorin sydämen ja lämmönvaihtimen läpi. Turbiinikierto on tavallisesti erotettu primääripiiristä sekundäärisellä suolakierrolla, jonka tarkoitus on estää radioaktiivisten aineiden vuoto turbiiniin, ja vesihöyryn tai muun työaineen päätyminen reaktoriin. Tässä reaktorikonseptissa primäärikiertoon on liitetty myös kemiallinen jälleenkäsittelyprosessi, ja sekundääripiiriin korkeassa lämpötilassa toimiva kaasuturbiinikierto.

Polttoainesuolana käytetään tavallisimmin litium- ja berylliumfluoridin seosta (FLiBe), johon fissiili materiaali on liuotettu uraanitetrafluoridin (UF4) muodossa. Fluoridien lisäksi myös kloridipohjaisten suolojen käyttöä on tutkittu paljon. Normaalipaineessa FLiBe-suolaseos on nestemäistä n. 400-1400°C lämpötilavälillä. Ominaisuudet tosin riippuvat jonkin verran komponenttien keskinäisistä suhteista. Reaktorin tyypillinen toimintalämpötila on n. 700°C, joka on kevytvesireaktoreihin verrattuna varsin korkea. Reaktorityyppiä olisikin periaatteessa mahdollista käyttää sähköntuotannon lisäksi moniin sellaisiin korkeaa lämpötilaa vaativiin sovelluksiin, joihin perinteisen reaktoriteknologian toiminta-alue ei yllä.

Sulasuolareaktori voi toimia termisellä tai nopealla neutronispektrillä. Termisissä reaktoreissa neutronit hidastetaan kevyestä alkuaineesta koostuvassa moderaattorissa fissioreaktion kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Hidastuminen kasvattaa neutronin todennäköisyyttä törmätä fissiiliin U235-ytimeen, mikä puolestaan mahdollistaa ketjureaktion ylläpitämisen matalasti väkevöidyllä polttoaineella.ii Termisissä sulasuolareaktoreissa moderaattorina käytetään tavallisimmin kiinteää grafiittia.

Nopean neutronispektrin reaktoreissa neutroneita ei hidasteta, vaan ketjureaktion ylläpitämisen edellytykset luodaan nostamalla fissiilin isotoopin atomiosuus korkeaksi. Teknologia yhdistetään tavallisesti fissiilin materiaalin hyötämiseen ja suljettuun polttoainekiertoon, jossa polttoaineeseen syntyneitä aktinideja kierrätetään takaisin reaktoriin. Jos ketjureaktion neutronituotto on riittävän korkea, reaktori voi ylimääräisillä neutroneilla valmistaa fissiiliä isotooppia fertiilistä lähtöaineesta nopeammin kuin polttoainetta kuluu. Hyötöreaktori voi toimia uraani-plutonium -kierrolla, jossa uraanin U238-isotooppi konvertoituu neutronikaappauksen ja peräkkäisten hajoamisreaktioiden kautta fissiiliksi plutoniumin isotoopiksi Pu239. Toinen vaihtoehto on torium-uraani -kierto, jossa lähtöaine on Th232, ja fissiili lopputuote U233. Molemmat hyötöreaktorikierrot voidaan toteuttaa myös sulasuolareaktorissa.

Hyötöreaktorikierto edellyttää käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelyä, missä käyttökelpoinen fissiili aines erotetaan ydinjätteeksi päätyvästä massavirrasta. Kyse on kemiallisesta prosessista, joka sulasuolareaktoreissa voidaan rakentaa suoraan primääripiirin yhteyteen. Osa suolakierrosta ohjataan kemialliseen jälleenkäsittelylaitokseen, joka poistaa suolasta kierrätettäviä aktinideja sekä neutroneita absorboivia fissiotuotteita. Vaikka reaktori ei hyötäisi, polttoainetta voidaan puhdistaa ja fissiiliä materiaalia lisätä jatkuvatoimisesti, mikä tuo joustavuutta esimerkiksi reaktiivisuuden säätöön. Kaasumaisia fissiotuotteita poistuu suolasta myös ilman kemiallista käsittelyä. Tämä pätee erityisesti jalokaasuihin, jotka eivät sitoudu lainkaan muihin alkuaineisiin.

Historiaa

Vaikka sulasuolareaktori liitetään erityisesti tulevaisuuden ydinteknologioihin, kyse ei suinkaan ole uudesta innovaatiosta. Ydinvoiman valjastaminen energiantuotantokäyttöön alkoi pian sen jälkeen kun Yhdysvalloissa kehitetty reaktoriteknologia tuli julkisuuteen toisen maailmansodan päättyessä Hiroshiman ja Nagasakin pommituksiin. Ensimmäiset ydinreaktorit oli rakennettu valmistamaan ydinaselaatuista plutoniumia, ja teknologia soveltui sellaisenaan varsin huonosti sähköntuotantoon. Tarvittiin reaktori, joka kykeni toimimaan korkeassa lämpötilassa pitkiä aikoja kerrallaan. Ajatus nestemäisellä polttoaineella toimivasta reaktorista syntyikin muiden konseptien ohella jo 1940-luvun puolella.

Ensimmäistä sulasuolareaktoria ei kuitenkaan rakennettu perinteiseen energiantuotantoon, vaan paljon eksoottisempaa käyttötarkoitusta varten. Yhdysvaltain ilmavoimissa käynnistyi vuonna 1946 Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) -niminen tutkimusohjelma, joka tähtäsi ydinkäyttöisen pitkän toimintasäteen pommikoneen kehittämiseen. Reaktorilla oli tarkoitus lämmittää korkeassa paineessa suihkumoottorin läpi virtaavaa ilmaa. Yksi tarkasteltavista reaktorivaihtoehdoista toimi korkeasti väkevöidyllä UF4-polttoaineella, joka oli sekoitettu sulaan natrium-zirkoniumfluoridisuolaan. Nestemäinen suola kuumeni n. 860°C lämpötilaan virratessaan berylliumoksidimoderaattorista valmistetun sydämen läpi.iii

Reaktorin prototyyppi (Aircraft Reactor Experiment, ARE) rakennettiin Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen tutkimuslaboratorioon, missä se toimi suhteellisen menestyksekkäästi vuosina 1954-1955. Hanke kuitenkin keskeytettiin, kun ohjusteknologian nopea kehitys teki ydinkäyttöisen pommikoneen ilmavoimille tarpeettomaksi. Reaktoria ei koskaan asennettu lentokoneeseen.

Lentokoneprojektin jälkeen sulasuolareaktoriteknologiaa alettiin kehittää Oak Ridgessä eteenpäin. 1950-luvun lopulla käynnistyneen Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) -hankkeen tavoitteena oli kehittää energiantuotantokäyttöön soveltuva sulasuolareaktori. Ensimmäinen prototyyppi aloitti toimintansa vuonna 1965. Polttoaineena käytettiin tällä kertaa n. 30%:ksi väkevöityä uraanitetrafluoridia, kantajasuolana litium-beryllium-zirkoniumfluoridia, ja neutronimoderaattorina grafiittia. Reaktorin teho nostettiin vaiheittain 7.4 megawattiin, ja sydämen ulostulolämpötilaksi saatiin n. 660°C.

MSRE

Kuva 2: MSRE-sulasuolareaktorin grafiittimoderaattorista muodostuva sydän, jonka läpi virratessaan fissiiliä uraania sisältävä suola muodostaa kriittisen geometrian.

MSRE:tä voidaan monessa mielessä pitää nykyisten sulasuolareaktorikonseptien esikuvana, sillä se demonstroi käytännössä monia teknologian erityispiirteitä. Reaktorin stabiilisuus nojasi suolan lämpölaajenemiseen. Lämpötilan noustessa suolan tilavuus kasvoi, jolloin reaktorin sydämeen mahtui vähemmän fissiiliä materiaalia. Tämä puolestaan käänsi fissiotehon ja suolan lämpötilan laskuun. Kyse oli siis voimakkaasta reaktiivisuustakaisinkytkennästä, joka sai reaktorin säätämään itse itseään. Sama vaikutus toimii sekä termisissä että nopeissa sulasuolareaktoreissa.

Reaktorin sammuttamiseen oli liikuteltavien säätösauvojen lisäksi suunniteltu passiivinen järjestelmä, joka perustui reaktoriastian pohjaan kytkettyyn suolatulpalla suljettuun putkiyhteeseen. Reaktorin toimiessa tulppaa jäähdytettiin ilmavirralla, mutta häiriötilanteessa sen sulaminen päästi polttoaineen valumaan jäähdytettyihin tankkeihin, katkaisten samalla ketjureaktion etenemisen. Samaa periaatetta sovelletaan monissa nykyisissä MSR-konsepteissa, ja järjestelmä on piirretty myös kuvan 1 periaatekaavioon.

Kolmen vuoden testijakson jälkeen polttoaineeseen alettiin lisäämään uraanin isotooppia U233, joka on toriumhyötöreaktorikierrossa syntyvä fissiili isotooppi. MSRE ei kuitenkaan koskaan toiminut hyötöreaktorina, sillä tämä olisi edellyttänyt monimutkaisempaa heterogeenistä rakennetta, jossa fissiili ja uutta polttoainetta muodostava fertiili suolakierto erotetaan toisistaan. Reaktori toimi kaikkiaan neljän vuoden ajan, keräten käyttötunteja yhteensä yli 13,000. Käyttöjakso osoitti esimerkiksi sen, että grafiitista valmistettu moderaattori sopi kemiallisesti hyvin yhteen kuuman fluorisuolan kanssa.

Vuosikymmenen loppuun mennessä hyötöreaktoritutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeisiin natriumjäähdytteisiin reaktoreihin (esim. Idaho National Laboratoryn EBR-II -hanke), ja sulasuolareaktoritutkimuksen rahoitusta leikattiin. Ohjelma lopetettiin kokonaan vuonna 1973. Oak Ridgen sulasuolareaktoriprojekteja on käsitelty esimerkiksi vuonna 2009 julkaistussa tutkimusraportissa.

Amerikkalaisen MSRE:n lisäksi sulasuolareaktoritutkimusta tehtiin 1960-1970 -luvuilla myös Iso-Britanniassa. Hanke keskittyi nopealla neutronispektrillä toimivaan reaktoriin, joka käytti polttoaineenaan plutoniumia ja kloridipohjaista suolaa. Kloori soveltui fluoria paremmin nopean reaktorin kantajasuolan pääkomponentiksi, sillä raskaampana ytimenä sen neutroneita hidastava vaikutus oli vähäisempi. Reaktorista ei ehditty rakentaa toimivaa prototyyppiä, mutta kokeellinen tutkimus eteni varsin pitkälle ennen projektin lopettamista, tuottaen arvokasta tietoa esimerkiksi kloridisuolojen ominaisuuksista.

Modernit MSR-konseptit

MSRE-ohjelman jälkeen sulasuolareaktori jäi muiden kehittyvien teknologioiden varjoon. Tutkimus sai kuitenkin uutta vauhtia, kun 2000-luvun alussa ydinenergia-alan kehityksen edistämiseen perustettu kansainvälinen Generation IV International Forum valitsi reaktorityypin kuuden lupaavimman tulevaisuuden ydinteknologian joukkoon.

Kuten edellä todettiin, käsite ”sulasuolareaktori” pitää sisällään joukon varsin erilaisia teknologioita, jotka poikkeavat toisistaan esimerkiksi suolan koostumuksen (fluoridi tai kloridi) ja neutronispektrin (terminen, nopea tai jotain siltä väliltä) osalta. Reaktori voidaan suunnitella toimimaan joko perinteiseen tapaan suoraan loppusijoitukseen perustuvalla polttoainekierrolla, tai hyötöreaktorina. Jälkimmäisessä tapauksessa reaktori voi hyödyntää jatkuvatoimista jälleenkäsittelyä, ja toimia joko uraani- tai toriumpolttoaineella.

Sulasuolareaktorista on tullut ydinenergia-alalla suosittu tutkimus- ja kehityskohde, johon kansallisten toimijoiden lisäksi jopa monet pienet insinööritoimistot ovat tarttuneet. Konsepteja on vähintään yhtä monta kuin niitä kehittäviä yrityksiä, ja joukosta löytyy lähes kaikki kombinaatiot edellä listatuista suunnitteluoptioista. Kaikkia teknologioita ei ole mielekästä alkaa käymään läpi, joten esitän tässä vain lyhyen katsauksen muutamaan mielenkiintoiseen projektiin. Yksittäisiä kehityshankkeita on listattu esimerkiksi World Nuclear Associationin sivulla ja Wikipediassa. Pienreaktorikategoriaan mahtuvia konsepteja on kuvattu myös IAEA:n SMR-raportissa.

Valtiotasolla sulasuolareaktoritutkimuksen edelläkävijänä voidaan pitää Kiinaa. Teknologiaa kehitettiin Shanghaissa (Shanghai Institute of Applied Physics, SINAP) jo 1970-luvulla, jolloin tavoitteena oli sähköteholtaan 25 megawatin prototyyppireaktorin rakentaminen. Tutkimus joutui kuitenkin väistymään kevytvesireaktoriteknologian tieltä, ja kehitystyö käynnistettiin uudelleen vasta vuonna 2011.

Tutkimus on sittemmin keskittynyt kolmeen fluorisuolalla ja toriumpolttoaineella toimivaan varianttiin, jotka kulkevat yhteisnimellä thorium-breeding molten-salt reactor (TMSR). Kehityksen on määrä edetä vaiheittain pilottiprojektien ja muutaman koereaktorin kautta täyden mittakaavan demonstraatiolaitokseen, ja lopulta kaupalliseen teknologiaan. Ensimmäisten koelaitteiden on määrä valmistua 2020-luvun puolivälissä. Vaikka kiinalaisten ydinenergiatutkimuksesta uutisoidaan länsimaissa suhteellisen vähän, TMSR-hanke ylittää kooltaan selvästi muut vastaavat tutkimusohjelmat. Kehitykseen on investoitu tuhansia henkilötyövuosia, ja budjetti liikkuu sadoissa miljoonissa euroissa.

Kanadalainen Terrestrial Energy -yhtiö kehittää Integral Molten Salt Reactor (IMSR) -nimistä sulasuolareaktoria, joka pyrkii hyödyntämään mahdollisimman paljon olemassa olevaa, esim. Oak Ridgessä aikanaan kehitettyä teknologiaa. Reaktori on fissioteholtaan pieni, vain 400 megawattia, ja se käyttää polttoaineenaan matalasti väkevöityä uraania ja fluoridipohjaista suolaa. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että koko primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle. Reaktori on suunniteltu toimimaan yhtäjaksoisesti 7 vuoden ajan, minkä jälkeen suola, moderaattori ja muut reaktorin sisäosat uusitaan kerralla. Rajoitetulla käyttöiällä pyritään välttämään ennen kaikkea materiaalien kestävyyteen liittyviä ongelmia. Reaktorin turvallisuussuunnittelu perustuu täysin passiiviseen jäähdytykseen.

Koska IMSR edustaa suunnittelultaan varsin konservatiivista lähestymistapaa, sitä voidaan pitää yhtenä toteuttamiskelpoisimmista sulasuolareaktorihankkeista. Integroitu rakenne pienentää myös proliferaatioriskiä, jota voidaan muuten pitää teknologian leviämistä rajoittavana tekijänä. Terrestrial Energy tähtää reaktorin kaupallistamiseen jo 2020-luvun aikana, mikä on tavoitteena erittäin kunnianhimoinen. Hanke on edennyt Kanadassa esilisensiointivaiheeseen, ja ensimmäiselle prototyyppilaitokselle ollaan parhaillaan etsimässä sijoituspaikkaa.

IMSR

Kuva 3: Terrestrial Energyn IMSR-sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne. Primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle, jonka sisäosat on suunniteltu vaihdettavaksi 7 vuoden välein.

Microsoftin perustajiin kuulunut IT-miljardööri Bill Gates on ollut pitkään ydinenergian vahva puolestapuhuja. Vuonna 2006 Gates perusti innovatiivisia reaktorityyppejä kehittävän Terrapower-yhtiön, joka on vahvasti mukana myös sulasuolareaktoriteknologian tutkimuksessa. Terrapowerin, Southern Companyn, Oak Ridge National Laboratoryn sekä muutaman muun partnerin yhteistyönä kehittämä Molten Chloride Fast Reactor (MCFR) perustuu Iso-Britanniassa 1960-1970 -luvuilla kehitettyyn teknologiaan. Reaktori toimii nopealla neutronispektrillä ja kloridisuolalla. Terrestrial Energyn IMSR:ään verrattuna kyse on vielä paljon kunnianhimoisemmasta suunnitelmasta, sillä reaktori kykenee toimimaan myös suljetulla polttoainekierrolla. Kehitystyö on edelleen alkuvaiheessa, mutta hanke on jo saanut kerättyä paljon julkista rahoitusta.

Sulasuolareaktoritutkimusta tehdään myös Euroopassa, esimerkiksi Horisontti 2020-ohjelmaan kuuluvan SAMOFAR-hankkeen puitteissa. Kokeellisen puolen tutkimusta on tehty erityisesti Hollannin Pettenissä, missä NRG:n tutkimusreaktorilla on säteilytetty erilaisia suolanäytteitä.

MSR-teknologian edut

Kevytvesireaktoreiden toimintalämpötila rajoittuu veden kiehumispisteeseen, joka nostetaan korkealla paineella n. 300°C tuntumaan. Sulasuolareaktori kykenee toimimaan normaalipaineessa yli 700°C lämpötilassa, mikä vaikuttaa suoraan esimerkiksi sähköntuotannon hyötysuhteeseen. MSR:ää ja muita korkeassa lämpötilassa toimivia reaktoreita voidaan pitää myös siinä mielessä tärkeinä kehityskohteina, että niiden tuottamaa energiaa on sähköntuotannon lisäksi mahdollista hyödyntää monissa sellaisissa teollisuusprosesseissa, jotka ovat nykyisin täysin riippuvaisia fossiilisista polttoaineista. Tähän aiheeseen palataan vielä myöhemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Matala käyttöpaine yksinkertaistaa myös reaktorin turvallisuussuunnittelua. Reaktoriturvallisuuden perimmäinen haaste on polttoaineen tuottama jälkilämpö, jota syntyy lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vielä pitkään fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä kevytvesireaktoreissa jälkilämmön poistoon käytetään moninkertaisesti varmennettuja sähkötoimisia järjestelmiä, mutta sama turvallisuuden taso on mahdollista saavuttaa myös passiiviseen luonnonkiertoon perustuvalla jäähdytyksellä. Reaktorin jäähdytysjärjestelmien toimintaa monimutkaistaa kuitenkin se, että korkeapaineisen veden faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa.iv Sulasuolareaktoreissa ei matalan käyttöpaineen vuoksi vastaavaa ongelmaa ole, ja suolan edullisten lämmönsiirto-ominaisuuksien ansiosta jäähdytys on helppo toteuttaa passiivisella kierrolla. Polttoaineen jälkilämmönpoisto ei tällöin riipu myöskään sähkönsyötöstä tai mekaanisten laitteiden toimivuudesta.

Hyötöreaktorikategoriassa MSR:n etuna voidaan pitää jatkuvaa jälleenkäsittelyä, joka tekee tarpeettomaksi monia mekaanisia välivaiheita liittyen esimerkiksi reaktorissa säteilytettyjen polttoainenippujen käsittelyyn ja uuden polttoaineen valmistukseen. Nestemäinen polttoaine tuo muutenkin joustavuutta reaktorin käyttöön. Fissiotuotteiden jatkuva erottaminen pienentää aktiivisuusinventaaria ja jälkilämmöntuottoa. Mekaaniset ominaisuudet eivät rajoita polttoaineen käyttöastetta, ja kustannussäästöä voi syntyä myös siitä, että polttoainenippujen valmistusprosessi jää kokonaan pois. Koska polttoaine sekoittuu jatkuvasti, reaktorin käyttöjakson suunnittelussa on kyse lähinnä suolan koostumuksen säätämisestä. Kevytvesireaktoreiden lautaussuunnittelussa vapaasti valittavia parametreja on monin verroin enemmän.

Haasteena materiaalikysymykset ja tuntemattomat tekijät

Vaikka MSR-teknologiaan liittyy paljon lupauksia, käytännön toteutuksesta on vielä varsin vähän konkreettista näyttöä. Oak Ridgen MSRE-koereaktori toimi lopulta suhteellisen lyhyen aikaa, ja käyttökokemusten perusteella voi olla vaikea tehdä luotettavia arvioita esimerkiksi siitä, miten reaktorin materiaalit kestävät kymmenien vuosien yhtämittaisessa käytössä. Vaikka moderaattorina käytetty grafiitti sietää hyvin kuumaa suolaa, erityisesti fluoridien tiedetään syövyttävän metallikomponentteja. Grafiittikaan ei kestä voimakasta neutronipommitusta reaktorin sydämessä, vaan materiaali turpoaa ja halkeilee ajan myötä.

Sulasuolareaktori on myös kemiallisesti erittäin monimutkainen systeemi. Polttoaineeseen syntyy laaja skaala aktinideja ja fissiotuotteita, jotka vaikuttavat suolan ominaisuuksiin. Suurin osa alkuaineista liukenee suolaan, mutta tietyt aineet voivat kerääntyä esimerkiksi viileämpien lämmönvaihtimien pinnoille, muuttaen niiden lämmönsiirto-ominaisuuksia. Yleisesti ottaen suolaliuoksen kemiaan liittyy paljon sellaisia ilmiöitä, joita ei vielä tarkkaan tunneta.

Epävarmuudet ja reaktorin ylläpitoon liittyvät tuntemattomat tekijät heijastuvat myös projektien aikatauluihin ja teknologian hintaan. Sulasuolareaktoreiden kustannuksista esitetään toisinaan varsin optimistisia arvioita, joihin on kuitenkin syytä suhtautua varauksellisesti. Tämä pätee erityisesti jatkuvaan jälleenkäsittelyyn ja toriumkiertoon perustuviin hyötöreaktorikonsepteihin, joista ei ole edes MSRE:n vertaa käytännön kokemusta. Jälleenkäsittely tuo väistämättä mukanaan myös proliferaatiokysymyksiä, sillä fissiilin materiaalin erottaminen liittyy olennaisesti myös ydinasemateriaalien valmistukseen.v

Teknologian lisensiointi vie aikansa

Kaikki ongelmat eivät ole luonteeltaan teknisiä. Ydinenergian käyttöön sovelletaan lainsäädäntöä, joka on hioutunut nykyiseen muotoonsa vuosikymmenien kuluessa. Säännöstö pitää sisällään varsin yksityiskohtaisesti kirjoitettuja vaatimuksia, liittyen esimerkiksi polttoaineen käyttäytymiseen onnettomuustilanteissa. Sulasuolareaktorin normaalissa toimintatilassa polttoaine on olomuodossa, joka kevytvesireaktorin tapauksessa tarkoittaisi vakavaa reaktorionnettomuutta. Jotta tällainen reaktori voitaisiin ottaa käyttöön, sen erityispiirteet pitäisi ensin huomioida ydinenergian käyttöä ohjaavassa lainsäädännössä.

Sulasuolareaktori on helppo suunnitella passiivisesti turvalliseksi, jolloin suuren radioaktiivisen päästön riski putoaa hyvin alas. Vakavien onnettomuuksien lisäksi ydinturvallisuudessa on kuitenkin otettava huomioon myös reaktorin polttoainekierron ja normaalikäytön aikaiset päästöt. Suola toimii tehokkaana puskurina monille fissiotuotteille, kuten cesiumille ja jodille. Fissiossa syntyy kuitenkin myös radioaktiivisia jalokaasuja (esim. Xe133 ja Kr85), jotka karkaavat helposti jäähdytteestä. Suola ei myöskään kykene pidättämään täydellisesti esimerkiksi vedyn radioaktiivista tritium-isotooppia, jota syntyy fission lisäksi suolassa olevan litiumin neutronireaktioissa.vi

Jalokaasut ja tritium eivät ole ympäristön kannalta kaikkein ongelmallisimpia radionuklideja, mutta nykyisillä laitoksilla niidenkin normaalikäytön aikaisille päästöille on asetettu varovaisuusperiaatetta noudattaen varsin tiukat rajat. Kevytvesireaktoreissa nämä aineet syntyvät kiinteään polttoaineeseen kaasutiiviiden suojakuoriputkien sisälle, mikä jo itsessään muodostaa tehokkaan esteen niiden vapautumiselle. Sulasuolareaktoreissa ei vastaavaa vapautumisestettä ole, ja yksi reaktoreiden lisensiointiin liittyvistä kysymyksistä onkin se, pystytäänkö tällaiset aineet pidättämään yhtä tehokkaasti laitosprosessin sisälle, vai edellyttääkö reaktorin luvitus jopa päästörajojen nostamista?vii

Käytetyn polttoaineen suoraa geologista loppusijoitusta on tutkittu 1970-luvulta lähtien. Loppusijoituksen turvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen, jonka toimivuus puolestaan riippuu paljon radioaktiivisten aineiden liukenemisesta ja kulkeutumisesta. Loppusijoitettava jäte on keraamista uraanioksidia, joka poikkeaa ominaisuuksiltaan kloridien ja fluoridien muodostamasta suolasta. Vaikka loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta on tutkittu yli 40 vuoden ajan, tulokset eivät välttämättä ole sellaisenaan sovellettavissa sulasuolareaktoreiden käytettyyn polttoaineeseen.

Vastoin yleistä käsitystä ydinjätteen loppusijoituksen kannalta rajoittavimpia aineita eivät ole plutoniumin tai sivuaktinidien pitkäikäiset isotoopit, vaan tietyt yksittäiset radionuklidit, jotka muodostavat helposti kulkeutuvia yhdisteitä. Samasta syystä plutoniumin kierrättäminen tai sivuaktinidien transmutaatio ei poista loppusijoituksen tarvetta. Radioaktiivisten aineiden vapautumista havainnollistaa esimerkiksi Posivan safety-case -raportin sivulla 186 esitetty kuva, jossa tarkastellaan merkittävimpiä päästökomponentteja tilanteessa, jossa kuparista valmistettu loppusijoituskapseli menettää esimerkiksi valmistusvirheen vuoksi tiiveytensä jo tuhannen vuoden jälkeen.

Kuvasta selviää, että suurimmat päästöt kallioperään aiheutuvat hiilen ja kloorin isotoopeista C14 ja Cl36. Nämä aineet eivät ole aktinideja tai fissiotuotteita, joiden aktiivisuusinventaari polttoaineessa on suuri, vaan aktivoitumistuotteita, joita syntyy polttoainenipun rakenteissa olevista epäpuhtauksista (isotoopit N14 ja Cl35). Maanpinnalle kulkeutuessaan päästöt jäävät selvästi alle turvarajojen, mutta esimerkki osoittaa hyvin sen, että kyse on varsin monimutkaisista ilmiöistä. Pitkäaikaisturvallisuuteen liittyviä haasteita ei siis voi kuitata ratkaistuksi toteamalla että reaktori toimii suljetulla polttoainekierrolla.

Edellä mainituista isotoopeista erityisesti jälkimmäinen voi olla ongelma kloridipolttoaineella toimivissa sulasuolareaktoreissa. Posivan skenaariossa kloorin lähtöaineen pitoisuus mitataan kymmenissä tai sadoissa ppm-yksiköissä (parts per million), mutta kloridisuolassa se muodostaa yhden polttoaineen pääkomponenteista. Radioaktiivisen Cl36:n muodostusta voidaan pienentää käyttämällä suolan valmistukseen väkevöityä klooria, mutta isotooppien erotus on vietävä erittäin pitkälle jotta lähdetermi saadaan samalle tasolle kuin kevytvesireaktoreissa.viii

Vaikka Cl36:n päästöraja ylittyisi sulasuolareaktoripolttoaineen loppusijoituksessa, kyse ei todennäköisesti olisi ympäristölle vaarallisesta pitoisuudesta, sillä rajat perustuvat joka tapauksessa konservatiivisiin oletuksiin. Jos tällaisia rajoja on kuitenkin jo viranomaisvaatimuksissa ehditty asettaa, myös uusien reaktorityyppien pitäisi pystyä ne täyttämään. Se, että uudelle reaktorityypille jouduttaisiin soveltamaan nykyistä löyhempiä turvallisuusstandardeja, asettaisi koko teknologian uskottavuuden kyseenalaiseksi. Näin erityisesti siinä tilanteessa, että reaktoria on ensin vuosikausia markkinoitu huomattavana parannuksena vanhaan, sillä se kykenee ”hävittämään ydinjätettä”.

Onko sulasuolareaktori ratkaisu ilmastonmuutokseen?

Olen aikaisemmissa toriumia ja nopeita hyötöreaktoreita käsittelevissä kirjoituksissa pyrkinyt tuomaan esille sitä, että edistyneisiin ydinteknologioihin kohdistetaan usein epärealistisia odotuksia, tai niiden väitetään ratkaisevan sellaisia ongelmia, joita ei myöskään perinteisellä ydinvoimalla todellisuudessa edes ole. Tällainen teknologiahype on omiaan viemään keskustelua väärään suuntaan. Sama pätee jossain määrin myös sulasuolareaktoreihin, ja etenkin niihin reaktorikonsepteihin, jotka tähtäävät suljettuun polttoainekiertoon. Ydinenergia-alan suurimmat haasteet eivät nimittäin liity maailman uraanivarojen riittävyyteen tai ydinjätteiden turvalliseen loppusijoitukseen, vaan paljon arkisempiin vastoinkäymisiin. Reaktoreiden rakentaminen sitoo paljon pääomaa, ja etenkin länsimailla on ollut vaikeuksia pitää kustannukset kurissa, ja viedä rakennusprojektit maaliin aikataulun mukaan.

Vaikka sulasuolareaktori edustaa kiistatta innovatiivista ja perinteisistä ydinreaktoreista poikkeavaa teknologiaa, se tuskin kykenee tuomaan nopeaa ratkaisua alan ongelmiin. Uusi teknologia vaatii aina tietyn kehityskaaren, joka sulasuolareaktoreiden osalta käynnistyi jo 1950-luvulla. Ainoa konkreettinen teknologiademonstraatio on kuitenkin edelleen Oak Ridgen MSRE yli 50 vuoden takaa. Täyden mittakaavan prototyypin rakentaminen tulee kiinalaisiltakin viemään vielä vuosia, ja vaikka teknologia lunastaisi kaikki lupauksensa, kaupallista suljetulla polttoainekierrolla toimivaa sulasuolareaktoria voidaan joutua odottamaan 2040-luvulle saakka. Terrestrial Energy tosin lupaa IMSR-reaktorinsa kaupallisille markkinoille jo 2020-luvun puolella, mutta kuten edellä todettiin, aikataulu on erittäin kunnianhimoinen.

Sulasuolareaktori voi tulevaisuudessa osoittautua ylivoimaiseksi ratkaisuksi joka valtaa nopeasti markkinat, mutta kypsää teknologiaa se ei vielä edusta. Samasta syystä sitä ei myöskään energiakeskustelussa tulisi nähdä kilpailijana perinteisille kevytvesireaktoreille, tai sellaisille uusille reaktorityypeille, jotka ovat jo edenneet kehityksessä prototyyppiasteelle. Ydinvoimalla on pystytty leikkaamaan sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä nopeammin kuin millään muulla tuotantomuodolla. Teknologian valjastaminen laajemmin ilmastonmuutoksen torjuntaan edellyttää kuitenkin sitä, että resurssit kohdistetaan oikein. Tällä hetkellä katse olisi syytä pitää nopealla aikataululla käyttöön otettavissa ratkaisuissa.

Yksi sulasuolareaktorihypen ikävimmistä piirteistä on se, että rahoituksesta kilpailevat yritykset pyrkivät korostamaan oman ratkaisunsa ylivertaisuutta luomalla perinteisten kevytvesireaktorien ympärille mielikuvaa vanhentuneesta ja vaarallisesta teknologiasta. Hyvä esimerkki tästä on se, että reaktorin ainutlaatuiseksi ominaisuudeksi esitetään kyky säätää itse itseään. Väite sulasuolareaktorin luontaisesta stabiilisuudesta pitää kyllä paikkansa, mutta todellisuudessa kyse on turvallisuusvaatimuksesta, jota edellytetään lähes kaikilta muiltakin reaktorityypeiltä. Kevytvesireaktoreissa vastaava takaisinkytkentä seuraa yksinkertaisesti jäähdytteenä ja moderaattorina toimivan veden kiehumisesta.ix


i) Sulasuolareaktoreihin voidaan periaatteessa lukea myös sellaiset reaktorikonseptit, jotka perinteisten reaktorien tapaan toimivat kiinteällä polttoaineella, mutta joiden jäähdytteenä käytetään korkeassa lämpötilassa sulavaa suolaseosta. Tässä blogikirjoituksessa keskitytään kuitenkin reaktoreihin, joissa myös fissiili polttoaine kulkee suolan mukana.

ii) Neutronien hidastumisen merkitystä ketjureaktion etenemisen ja kevytvesireaktoreiden turvallisuussuunnittelun kannalta on käsitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Ketjureaktio etenee sulasuolareaktoreissa saman periaatteen mukaan, joskin reaktorin stabiilisuuteen vaikuttavat takaisinkytkennät poikkeavat jonkin verran muista reaktorityypeistä.

iii) Syy siihen, miksi ARE:n polttoaineeksi valittiin nestemäinen suola, liittyy reaktorin stabiilisuuteen. Selitys ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen. Korkeasti väkevöidyllä uraanilla toimivissa termisissä reaktoreissa polttoaineen Doppler-takaisinkytkentä on heikko, ja hallitseva negatiivinen lämpötilaefekti liittyy siihen, että termalisoituneiden neutronien spektri siirtyy energia-asteikolla ylöspäin. Polttoaineen xenon-myrkyttyminen voi kuitenkin korkeassa lämpötilassa kääntää vaikutuksen positiiviseksi, jolloin reaktori muuttuu epästabiiliksi. Nestemäinen polttoaine ratkaisi ongelman, sillä kaasumainen xenon erottui helposti suolavirrasta.

iv) Reaktorin ja suojarakennuksen ylipaineistumiseen liittyvät ongelmat realisoituivat Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa. Reaktorit jäivät ilman toimivaa jäähdytyskiertoa, kun laitosalueelle vyörynyt tsunami tuhosi sähkönsyötön jälkilämmönpoistoon tarkoitetuilta järjestelmiltä. Jäähdytys olisi ollut mahdollista toteuttaa myös ulkoisia palovesilinjoja pitkin, mutta operaatio epäonnistui kun painetta ei saatu riittävän nopeasti alas.

v) Jatkuvaa jälleenkäsittelyä soveltavien sulasuolareaktorien proliferaatioriski liittyy erityisesti toriumhyötöreaktorikiertoon. Toriumilla ei ole luonnossa lainkaan fissiiliä isotooppia, vaan reaktorin toiminta perustuu uraanin isotooppiin U233, jota syntyy toriumista peräkkäisten neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioiden kautta:

Th232 + n ⟶ Th233 ⟶ Pa233 ⟶ U233

Polttoaineen jälleenkäsittelyssä fertiilistä suolasta erotetaan kemiallisesti uraania, jolloin U233:n mukana siirtyy myös neutronireaktioissa muodostunutta isotooppia U232, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Tällaisen uraanin käsittely on teknisesti vaikeaa, mitä pidetään usein perusteluna sille, että toriumkierto soveltuu huonosti ydinasemateriaalin valmistukseen. Sulasuolareaktoreissa jälleenkäsittelyprosessi on kuitenkin periaatteessa mahdollista toteuttaa myös siten, että suolasta erotetaan konversioketjun välituotetta protaktiniumia, jolloin lopputuotteeksi saadaan radioaktiivisen hajoamisen jälkeen lähes isotooppisesti puhdasta U233:a. Tällainen uraani olisi käytännössä täydellinen ydinasemateriaali.

vi) Kevytvesireaktoreissa tritiumia (H3) syntyy jäähdytteeseen vedyn raskaan deuterium-isotoopin (H2, 0.015% kaikesta vedystä) sekä painevesireaktoreissa reaktiivisuuden säätöön käytettävän boorin neutronireaktioissa. Pääosa tritiuminventaarista syntyy kuitenkin reaktorin polttoaineeseen nk. terniäärisessä fissiossa, jossa uraaniydin halkeaa kahden tytärytimen sijaan kolmeen osaan. Kolmas reaktiotuote on tavallisesti kevyt ydin, kuten He4 tai H3. Fissiossa syntynyttä tritiumia muodostuu myös sulasuolareaktorin polttoaineeseen.

vii) Päästörajat ovat maakohtaisia, sillä tritium- ja jalokaasut eivät ole ainoastaan sulasuolareaktoreiden ja uuden teknologian ongelma. Esimerkiksi ranskalaisesta La Haguen jälleenkäsittelylaitoksesta vapautuu ilmakehään kryptonin radioaktiivista isotooppia Kr85 paljon enemmän kuin Loviisasta tai Olkiluodosta, sillä käytetty polttoaine liuotetaan prosessin aikana nestemäiseen typpihappoon. Kanadalaisissa raskasvesimoderoiduissa CANDU-reaktoreissa puolestaan syntyy monta kertaluokkaa enemmän tritiumia, jolloin myös sen päästöt ovat suuremmat. Vielä enemmän tritiumia tulee todennäköisesti vapautumaan fuusioreaktoreista, jotka käyttävät helposti karkaavaa isotooppia polttoaineenaan (1000 MW fuusioreaktorin vuoden aikana kuluttaman polttoaineen aktiivisuusinventaari olisi luokkaa 40-50 EBq). Radioaktiiviset jalokaasut eivät vaarallisuutensa puolesta vertaudu esimerkiksi jodiin tai cesiumiin, sillä ne eivät muodosta laskeumaa tai kerry ravintoketjuun. Tritiumin säteilymyrkyllisyyttä puolestaan laskee huomattavasti se, että isotoopin hajoamisessa vapautuva energiamäärä on pieni.

viii) Kloori muodostuu kahdesta isotoopista: Cl35 ja Cl37, joiden atomiosuudet ovat 75.8% ja 24.2%. Näistä edellinen muuttuu neutronikaappausreaktioissa radioaktiiviseksi Cl36:ksi, jonka puoliintumisaika on n. 300,000 vuotta.

ix) Sulasuola- ja kevytvesireaktorin stabiilisuus perustuu lopulta hyvin samankaltaisten ilmiöön. Terminen reaktori tarvitsee toimiakseen sekä polttoainetta että moderaattoria. Sulasuolareaktoreissa suolan lämpölaajeneminen pienentää polttoaineen määrää sydämessä, ja kevytvesireaktoreissa veden kiehuminen vaikuttaa samalla tavalla moderaattoriin.

Ydinenergia ja ydinaseet

Jaakko Leppänen – 25.3.2019

Ydinvoimaan liittyvissä keskusteluissa nousee usein esille kysymyksiä energiantuotannon ja muiden reaktoriteknologian rauhanomaisten sovellusten yhteydestä ydinaseisiin. Huoli proliferaatiosta, eli ydinaseiden leviämisestä, onkin varsin aiheellinen. Ajankohtaisia uhkakuvia ovat mm. Iranin ja Pohjois-Korean ydinohjelmat, sekä ydinaseiden päätyminen alivaltiollisten terroristiryhmien käsiin. Teknologiaan liittyvä proliferaatioriski on myös osasyy siihen, miksi ydinenergiantuotanto on yksi maailman tarkimmin säädellyistä teollisuudenaloista. Lähes kaikki ydinenergiaa käyttävät maat ovat sitoutuneet kansainvälisiin sopimuksiin, joilla pyritään estämään uusien ydinasevaltioiden syntyminen. Kyse ei kuitenkaan ole ainoastaan yhdessä sovittujen pelisääntöjen noudattamisesta, vaan myös siitä, että siviili- ja sotilaspuolen sovellukset eroavat teknisesti toisistaan.

Siviilipuolen teknologiaan liittyvästä proliferaatioriskistä puhuttaessa kysymykseksi nostetaan usein se, voidaanko reaktoreissa käytetyistä materiaaleista valmistaa ydinpommi, tai voidaanko reaktoria itsessään käyttää ydinasemateriaalin tuottamiseen? Näihin kysymyksiin vastaamiseksi on ensin syytä tutustua siihen, mitä ydinräjähdyksessä tapahtuu, ja mitkä ovat edellytykset sellaisen aikaansaamiseksi. Ydinaseiden toiminnasta on luonnollisesti varsin rajallisesti tietoa julkisissa lähteissä, mutta pääpiirteittäin teknologiaa on kuvattu esimerkiksi monissa Wikipedia-artikkeleissa. Aiheesta on kirjoitettu myös paljon kirjoja, joista yksi kattavimmista lienee Richard Rhodesin ydinaseiden varhaishistoriaa käsittelevä ”The Making of the Atomic Bomb”.

Sienipilvi

Kuva 1: Castle Bravo -ydinkoe Bikinin atollilla Tyynellä valtamerellä maaliskuussa 1954. Ydinräjähdykselle tunnusomainen sienipilvi muodostuu kun räjähdyksen tuottama kuuma tulipallo nousee ylös, vetäen perässään viileämmästä ilmasta muodostuvaa jalkaa.

Ydinräjähdys

Reaktorin tapaan myös ydinpommin toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon, jonka etenemistä on kuvattu aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Reaktorin normaalissa toimintatilassa fissiosta toiseen etenevät reaktioketjut ovat äärellisen mittaisia. Vanhat fissioketjut korvautuvat jatkuvasti uusilla, mutta reaktorin toimiessa vakioteholla käynnissä olevien ketjujen kokonaismäärä säilyy muuttumattomana. Uusien ketjujen käynnistyminen liittyy nk. viivästyneisiin neutroneihin, jotka tuovat ketjureaktioon hitautta. Fissiotehon muutosnopeutta kuvaa suure nimeltä reaktiivisuus, joka voidaan liittää ketjujen haarautumiseen. Mitä suurempi reaktiivisuus, sitä enemmän ketjuihin muodostuu uusia haaroja, ja sitä pidemmäksi ne pääsevät kasvamaan. Tietyn reaktiivisuusrajan yläpuolella fissioketjut pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi, jolloin viivästyneet neutronit menettävät merkityksensä. Tällaista ketjureaktion toimintatilaa kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi.

Ydinreaktoreissa kerkeä kriittisyys on ei-toivottu toimintatila, sillä se saa fissiotehon kasvamaan nopeasti. Kevytvesireaktoreissa tehon kasvunopeutta rajoittaa kuitenkin se, että ketjureaktion ylläpitämiseksi neutronit on ensin hidastettava fission kannalta edulliselle matalalle, eli termiselle energia-alueelle. Hidastuminen tapahtuu törmäyttämällä neutroneita kevyisiin vety-ytimiin polttoainesauvoja ympäröivässä moderaattorissa. Yksittäisten neutronien elinkaaret kasvavat suhteellisen pitkiksi, mikä kasvattaa myös peräkkäisten fissioiden välistä aikaa. Kerkeästi kriittisessä transientissa kevytvesireaktorin fissioteho voi kaksinkertaistua millisekuntien aikaskaalassa. Kasvunopeus voi kuulostaa hurjalta, mutta käytännössä esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumisen laukaisema tehopulssi ehtii katketa reaktorin luontaisiin takaisinkytkentöihin ennen kuin vakavia polttoainevaurioita pääsee syntymään.

Ydinpommissa kerkeää kriittisyyttä käytetään hyväksi, ja fissiotehon kasvu halutaan päinvastoin kiihdyttää maksimaaliseen nopeuteen. Suunnittelun tavoitteena on, että reaktioissa ehtii vapautua mahdollisimman paljon energiaa ennen kuin räjähdys rikkoo ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavan geometrian. Tehon kasvunopeus riippuu käytännöstä kahdesta tekijästä: edellä mainitusta reaktiivisuudesta, joka siis vaikuttaa fissioketjujen haarautumisnopeuteen, sekä neutronin elinkaaren pituudesta, joka määrittää peräkkäisten fissioiden välisen ajan. Molempiin tekijöihin voidaan vaikuttaa materiaalivalinnoilla.

Fissiilin materiaalin yhteydessä puhutaan usein kriittisestä massasta, jolla tarkoitetaan pienintä määrää uraania tai plutoniumia joka kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Käsite ei ole absoluuttinen, sillä reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi neutronivuotoa pienentävillä heijastimilla, sekä puristamalla fissiopolttoaine korkeampaan tiheyteen. Kriittinen massa riippuu siis käytännössä myös geometriasta ja olosuhteista. Täysmittaisen ydinräjähdyksen aikaansaamiseksi pommissa on oltava polttoainetta vähintään 2-3 kriittisen massan edestä. Yhteen kasattuna systeemin reaktiivisuus ylittää tällöin moninkertaisesti kerkeän kriittisyyden rajan.i

Ketjureaktiota eteenpäin kuljettavien neutronien elinkaaren pituus riippuu ennen kaikkea siitä, kuinka monta kertaa hiukkanen ehtii törmätä väliaineen atomiytimiin ennen seuraavaa fissiota. Tämä aikavakio saadaan lyhyeksi käyttämällä polttoaineena lähes puhtaasti fissiilistä isotoopista koostuvaa uraania tai plutoniumia. Tällaisessa polttoaineessa ketjureaktion ylläpitäminen ei vaadi neutronien hidastamista termiselle energia-alueelle. Ydinpommissa neutronit ehtivät elinkaarensa varrella törmätä vain muutaman kerran, jolloin peräkkäisten fissoiden välinen aika mitataan nanosekunneissa.

Ydinräjähdys on ilmiönä äärimmäisen nopea. Räjähdyksen kokonaiskesto on puolen mikrosekunnin, eli sekunnin miljoonasosan luokkaa, mutta lähes kaikki räjähdyksessä vapautuva energia on peräisin viimeisen 50-100 nanosekunnin jaksolta. Fissiopolttoaineen saattaminen täysmittaisen ydinräjähdyksen edellyttämään tilaan on tähän verrattuna suhteellisen hidas prosessi, ja liian aikaisin käynnistynyt ketjureaktio voi rikkoa geometrian heti kun reaktiivisuus nousee kerkeästi kriittiselle alueelle. Kriittinen massa ei siis vielä tarkoita ydinräjähdystä, vaan räjähdyksen aikaansaaminen edellyttää toisaalta sitä, että polttoaineeseen ei osu neutroneita ennen kuin reaktiivisuus on saavuttanut maksimiarvonsa, ja toisaalta sitä, että ketjureaktio saadaan käynnistettyä juuri oikealla hetkellä. Sytytyksen aikaikkuna voi olla vain joitakin mikrosekunteja.ii

Ydinasemateriaalit

Ydinräjähdyksen aikaansaaminen edellyttää siis aivan erityisiä olosuhteita, mikä asettaa korkeita vaatimuksia myös fissiopolttoaineen koostumukselle. Ydinaselaatuinen uraani tai plutonium koostuu yli 90%:sti fissiilistä isotoopista (U235 tai Pu239).iii Luonnonuraanin U235-pitoisuus on n. 0.7%, ja kevytvesireaktoripolttoaineessakin fissiilin isotoopin osuus jää alle 5%:iin. Uraanikaivostoiminta tai tavanomainen ydinenergiantuotanto ei tästä syystä vielä yksin muodosta suurta proliferaatioriskiä. Ydinmateriaalivalvonnan kannalta kriittisempää teknologiaa onkin polttoaineen väkevöinti, jossa fissiilin U235:n pitoisuutta nostetaan hyödyntäen isotooppien pientä massaeroa. Samoissa väkevöintilaitoksissa missä valmistetaan reaktoripolttoainetta voitaisiin ainakin periaatteessa valmistaa myös ydinaselaatuista korkeasti väkevöityä uraania.iv Esimerkiksi Iran on otettu kansainvälisen yhteisön hampaisiin pääasiassa juuri väkevöintiteknologian kehittämisen vuoksi.

Ydinaselaatuisen uraanin korkea väkevöintiaste liittyy kriittiseen massaan, sillä sen isotoopeista ainoastaan U235 osallistuu merkittävästi ketjureaktion kulkuun. Plutoniumilla tilanne on kuitenkin hieman erilainen, sillä kaikilla sen isotoopeilla on suhteellisen korkea todennäköisyys fissioitua nopeilla neutroneilla. Kriittisen massan sijaan ongelmaksi muodostuu isotoopin Pu240 spontaani fissio. Kyse on radioaktiivisen hajoamisen lajista, jossa ydin halkeaa itsestään kahteen osaan. Reaktiossa vapautuu myös neutroneita, jotka pommin tapauksessa voivat käynnistää ketjureaktion ennenaikaisesti. Ydinräjähdyksessä vapautuva energia jää tällöin vaatimattomaksi. Ennenaikaisen sytytyksen estämiseksi neutronitausta on saatava riittävän alas, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että isotoopin Pu240 osuuden on jäätävä korkeintaan noin kymmeneen prosenttiin.v

Uraanipommin valmistamiseen ei vaadita reaktoriteknologiaa. Plutoniumilla ei sen sijaan ole lainkaan luonnossa esiintyviä isotooppeja, vaan pommin raaka-aine on valmistettava säteilyttämällä uraania neutroneilla. Isotooppi U238 muuttuu neutronikaappauksen ja kahden peräkkäisen betahajoamisen kautta plutoniumin isotoopiksi Pu239:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Uraanin konversiota plutoniumiksi tapahtuu kaikissa ydinreaktoreissa. Tavallisen kevytvesireaktoripolttoainenipun tullessa käyttöikänsä päähän jopa puolet sen tuottamasta energiasta voi olla peräisin Pu239-isotoopin fissiosta. Reaktorissa tapahtuvat neutronikaappausreaktiot eivät kuitenkaan rajoitu edelliseen U238-Pu239 -konversioon, vaan polttoaineeseen syntyy jatkuvasti myös raskaampia plutoniumin isotooppeja:

Pu239 + n ⟶ Pu240

Pu240 + n ⟶ Pu241

jne…

Kuten edellä todettiin, isotooppi Pu240 on ydinaselaatuisessa plutoniumissa ei-toivottu aineosa. Raskaampien isotooppien osuus kasvaa käyttöjakson edetessä, ja Pu239:n osuus laskee alle 90%:iin jo muutamassa kuukaudessa reaktorin käynnistämisestä. Loppuun käytetyn polttoaineen isotooppikoostumus soveltuu erityisen huonosti ydinasemateriaaliksi, sillä Pu239-isotooppia on enää vain noin puolet kaikesta plutoniumista.vi

Ydinaselaatuisen plutoniumin tuottaminen reaktorissa edellyttää toisin sanoen suhteellisen lyhyttä säteilytysaikaa. Tällainen reaktori ei poikkea tavanomaisista ydinvoimalaitoksista niinkään toimintaperiaatteensa, vaan pikemminkin rakenteensa ja käyttötapansa osalta. Kevytvesireaktoreissa polttoaine on suljettu paineastian sisälle koko vuoden mittaisen käyttöjakson ajaksi. Latauksen muuttaminen edellyttää reaktorin alasajoa, mikä on suhteellisen monimutkainen ja aikaa vievä operaatio. Plutoniumintuotantoreaktorit on sen sijaan suunniteltu toimimaan jatkuvalla latauksella siten, että polttoaineen vaihtaminen on mahdollista reaktorin käydessä. Käytännössä tämä edellyttää esimerkiksi jäähdytyskierron jakamista erillisiin kanaviin, jotka voidaan sulkea ja purkaa yksitellen.

Ydinasemateriaalin valmistaminen edellyttää myös plutoniumin erottamista käytetystä polttoaineesta, mikä ei suoran loppusijoituksen valinneissa maissa kuulu lainkaan polttoainekiertoon. Esimerkiksi Suomessa reaktorista poistetut polttoaineniput tullaan loppusijoittamaan sellaisenaan syvälle kallioperään Olkiluodon ydinvoimalaitosalueelle. Suoran loppusijoituksen vaihtoehto on polttoaineen jälleenkäsittely, jossa käyttökelpoinen uraani ja plutonium erotetaan jätteeksi päätyvästä massavirrasta, ja käytetään uuden reaktoripolttoaineen raaka-aineeksi.vii Jälleenkäsittelyä pidetään väkevöinnin tapaan ydinmateriaalivalvonnan heikkona kohtana, ja proliferaatioriskin kannalta erityisen kriittisenä teknologiana. Esimerkiksi nopeiden hyötöreaktoreiden tutkimusohjelman lopettamista perusteltiin Yhdysvalloissa 1980-luvulla pitkälti juuri kohonneella proliferaatioriskillä.

Historiaa

Ensimmäiset plutoniumintuotantoreaktorit kehitettiin toisen maailmansodan aikana Yhdysvalloissa Manhattan-projektin nimellä kulkevan länsiliittouman ydinaseohjelman tarpeisiin. Koska teknologia isotooppien erottamiseksi oli vasta kehitteillä, reaktorit oli saatava toimimaan väkevöimättömällä uraanilla. Ketjureaktio on juuri ja juuri mahdollista saada käyntiin luonnonuraanipolttoaineessa, mikäli neutronit hidastetaan termiselle energia-alueelle, ja häviöt saadaan pidettyä minimissä. Tällaisen reaktorin moderaattorina ei kuitenkaan voida käyttää vettä, sillä vety absorboi liikaa termisiä neutroneita. Käyttökelpoisiksi moderaattorivaihtoehdoiksi jää tällöin joko vedyn deuterium- eli H2-isotooppia sisältävä raskas vesi, tai erittäin puhtaasta hiilestä koostuva grafiitti. Nämä tekniset reunaehdot määrittivät käytännössä myös sen, minkälaisiksi ensimmäiset reaktorit aikanaan suunniteltiin.

Ennen varsinaisten plutoniumintuotantoreaktoreiden rakentamista teknologia demonstroitiin grafiittimoderoidussa X-10 prototyyppireaktorissa, joka valmistui Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen laboratorioon vuonna 1943.viii Reaktori oli käytännössä suuri grafiittikuutio, jonka sivun pituus oli yli 7 metriä. Polttoainekanavat kulkivat vaakatasossa moderaattorin läpi. Metallisesta luonnonuraanista valmistettu polttoaine koteloitiin ilmatiiviiden alumiinikapselien sisälle. Samalla kun reaktoriin ladattiin uutta polttoainetta, vanhat kapselit työntyvät sydämen toiselta puolelta ulos, ja putosivat vesialtaaseen jäähtymään. Reaktori toimi ilmajäähdytyksellä, ja reaktiivisuuden säätöön käytettiin vaakatasossa liikuteltavia säätösauvoja.

Teollisen mittakaavan plutoniumintuotanto käynnistyi vuotta myöhemmin Hanfordissa, Washingtonin osavaltiossa. Ensimmäinen Hanford-B -reaktori oli teholtaan 250 MW, eli selvästi Oak Ridgen prototyyppiä suurempi. Korkeamman tehotiheyden vuoksi reaktori toimi vesijäähdytyksellä. Polttoainekanavien läpi virtaava jäähdyte otettiin suoraan läheisestä Columbia-joesta. Hanfordin reaktorit tuottivat plutoniumin kahteen ydinpommiin, joista ensimmäinen räjäytettiin Trinity-ydinkokeessa heinäkuussa 1945, ja jälkimmäinen pudotettiin Nagasakin kaupunkiin kuukautta myöhemmin. Hiroshimaan aikaisemmin pudotettu ydinpommi oli valmistettu väkevöidystä uraanista.

Yhteys siviilipuolen teknologiaan

Sodan jälkeen reaktoriteknologialle alettiin etsimään uusia sovelluskohteita, joista energiantuotanto oli yksi ilmeisimmistä. Iso-Britanniassa alettiin kehittää kaasujäähdytteisten grafiittimoderoitujen reaktoreiden teknologiaa. Tätä X-10 -prototyyppireaktorista alkanutta kehityslinjaa edustavat ensimmäisen sukupolven MAGNOX, sekä vielä nykyisin käytössä oleva edistyneempi AGR. Reaktoreiden jäähdytteenä käytetään hiilidioksidikaasua. Hanfordin B-reaktorin piirustukset päätyivät neuvostovakoojien mukana rautaesiripun toiselle puolelle. Reaktorin pohjalta kehitettiin lopulta grafiittimoderoitu kevytvesijäähdytteinen kanavatyyppinen RBMK, joka on tullut parhaiten tunnetuksi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta.

Kanadalaiset ovat olleet ydintekniikan kehityksessä oman tiensä kulkijoita. Manhattan-projektin kokeellista reaktoritutkimusta tehtiin USA:n tutkimuslaboratorioiden lisäksi myös Ontarion Chalk Riverissä, mihin rakennettu ZEEP-reaktori käynnistyi vain muutama päivä toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. CP-1:stä, X-10:stä ja Hanford-B:stä poiketen reaktorin neutronimoderaattorina käytettiin raskasta vettä. Kanadalaiset alkoivat kehittää raskasvesireaktoriteknologiaa eteenpäin, mistä syntyi oma CANDU-reaktorityyppinsä.

Siviilipuolen reaktoriteknologialla on siis vähintään historiallinen yhteys ydinaseisiin, ainakin tiettyjen varhaisten reaktorityyppien osalta. Jatkuva polttoainelataus, joka mahdollisti lyhyen säteilytysajan, palveli hyvin myös ensimmäisen sukupolven energiantuotantokäyttöön rakennettuja reaktoreja. Matalan U235-pitoisuuden vuoksi luonnonuraanipolttoaine kului nopeasti loppuun, ja pitkäaikaista yhtämittaista käyttöä helpotti se, että polttoainetäydennykset voitiin tehdä reaktorin käydessä.

Kevytvesityyppisten paine- ja kiehutusvesireaktoreiden tarina on kuitenkin hieman erilainen. Vielä 1950-luvulle tultaessa isotooppien erotus oli niin kallista, että vähintään muutamaan prosenttiin väkevöityä polttoainetta tarvitseva kevytvesimoderoitu reaktori oli käytännössä poissuljettu vaihtoehto. Grafiitti- ja raskasvesireaktoreihin verrattuna kevytvesiteknologialla oli kuitenkin puolellaan se etu, että reaktorin sydän oli mahdollista rakentaa niin pieneksi, että se mahtui esimerkiksi sukellusveneen rungon sisälle.ix Sukellusveneen voimanlähteenä ydinreaktori oli niin ylivoimainen ratkaisu, että polttoainekustannuksistakin tuli sivuseikka. Väkevöintiteknologian kehitys pudotti tulevina vuosikymmeninä polttoaineen hintaa, mikä teki tehokkaista toisen sukupolven kevytvesireaktoreista lopulta kilpailukykyisen vaihtoehdon myös energiantuotantokäytössä. Nykyisin paine- ja kiehutusvesireaktoreiden osuus on yli 90% maailman reaktorikannasta.

Siviilipuolen ydinvoimalaitosten soveltumattomuus ydinasemateriaalin tuottamiseen on siis pitkälti seurausta siitä, että reaktorit on lähtökohtaisesti suunniteltu toisenlaista käyttötarkoitusta varten. Pitkän käyttöjaksonsa vuoksi tavanomainen paine- tai kiehutusvesireaktori on plutoniumintuotantoon tavallaan huonoin mahdollinen ratkaisu. Mitään absoluuttista fysiikan lakeihin perustuvaa estettä ei tällaiselle käytölle kuitenkaan ole, minkä vuoksi myös energiantuotanto kuuluu ydinmateriaalivalvonnan piiriin. Valvontaa helpottaa olennaisesti se, ettei reaktorin normaaliin polttoainekiertoon kuulu varsinaisia ydinasemateriaaleja. Tavanomaisesta poikkeava käyttö voidaan puolestaan havaita tarkkailemalla laitoksen tuotantoa ja materiaalivirtoja.

Ydinasevalvonnan peruskirjana voidaan pitää vuonna 1970 voimaan astunutta ydinsulkusopimusta, jonka tarkoitus on toisaalta estää ydinaseteknologian leviäminen ja edistää aseistariisuntaa, ja toisaalta tarjota ydinaseettomille maille mahdollisuus hyötyä teknologian rauhanomaisesta käytöstä. Ydinsulkusopimus ja siihen vuonna 2004 liitetty lisäpöytäkirja antavat kansainväliselle atomienergiajärjestölle IAEA:lle laajat valtuudet valvoa ydinenergian käyttöä ydinaseettomissa maissa. Ydinmateriaalin valvontaan liittyviä tarkastuksia tehdään säännöllisesti myös kaikilla Suomen ydinlaitoksilla.


i) Yksinkertaisin tapa saada pommi kerkeästi kriittiseen tilaan on törmäyttää kaksi alikriittistä massaa yhteen. Tätä toimintaperiaatetta sovellettiin Hiroshimaan pudotetussa ydinpommissa. Lähes kaikki muut ydinpommit perustuvat kuitenkin tehokkaampaan imploosioperiaatteeseen, jolla tarkoitetaan käytännössä sisäänpäin suuntautuvaa räjähdystä. Eri nopeuksilla palavilla räjähdysaineilla saadaan aikaiseksi symmetrinen painerintama, joka puristaa keskellä olevan fissiopolttoaineen ylikriittistä massaa vastaavaan tiheyteen.

ii) Ensimmäisissä ydinpommeissa ydinräjähdyksen käynnistävät neutronit saatiin fissiopolttoaineen keskelle törmäyttämällä radioaktiivisen poloniumin tuottamia alfahiukkasia berylliumiin. Ennen sytytystä poloniumlähde oli eristetty berylliumista suojaavalla kalvolla. Imploosion aiheuttama puristus sekoitti kerrokset keskenään, jolloin korkeaenergiset alfahiukkaset päästivät vuorovaikuttamaan berylliumytimien kanssa, irrottaen niistä löyhästi kiinni olevia neutroneja.

iii) Kolmas potentiaalinen ydinasemateriaali on uraanin fissiili isotooppi U233, joka liittyy toriumreaktoreiden polttoainekiertoon. Isotoopeista U235 ja U238 poiketen U233:a ei ole lainkaan luonnonuraanissa, vaan toriumreaktoreissa fissiiliä isotooppia syntyy Th232-isotoopin neutronikaappausreaktioissa. Prosessi on analoginen uraanipolttoaineessa tapahtuvalle U238-Pu239 -konversiolle.

iv) Yleisessä kielenkäytössä termit ”väkevöinti” ja ”rikastus” sekoittuvat helposti keskenään, mikä aiheuttaa toisinaan epäselvyyttä esimerkiksi ydinpolttoainekiertoon liittyvässä uutisoinnissa. Ammattikielessä isotooppien erotusta tarkoittava termi on väkevöinti, ja rikastus on vastaavasti kaivosteollisuuden käyttöön varattu termi, jolla viitataan malmin jalostusprosessiin jossa arvokas lopputuote erotetaan sivukivestä. Esimerkiksi Terrafamen Talvivaaran kaivoksen yhteyteen kaavailtu uraanin rikastuslaitos liittyy uraani talteenottoon, ei isotooppien erotukseen.

v) Pu240:n spontaani fissio ei ole ainoa neutronitaustaa aiheuttava tekijä. Neutroneita syntyy myös radioaktiivisen hajoamisen tuottamien alfahiukkasten vuorovaikuttaessa kevyiden alkuaineiden ytimien kanssa, minkä vuoksi myös materiaalien epäpuhtauksien pitoisuudet on saatava alas. Myös kosminen säteily tuottaa pienen tasaisen neutronitaustan. Ennenaikaisen sytytyksen lisäksi radioaktiiviset aineet voivat muutenkin haitata pommin toimintaa. Radioaktiivinen hajoaminen tuottaa lämpöä, mikä voi muuttaa imploosiossa käytettävien räjähdysaineiden toimintaa. Voimakas säteily puolestaan vaurioittaa helposti herkkiä elektroniikkakomponentteja.

vi) Kysymys siitä, voidaanko käytetystä reaktoripolttoaineesta valmistaa lainkaan ydinasetta, ei lopulta ole aivan yksinkertainen, sillä teknologiasta ei ole olemassa yksityiskohtaista julkista tietoa. Aihetta on tarkasteltu esimerkiksi artikkelissa: G. Kessler et al. ”Potential nuclear explosive yield of reactor-grade plutonium using the dissassembly theory of early reactor safety analysis.” Nucl. Eng. Design, 238 (2008) 3475-3499. Yksinkertainen laskentamalli antaa tällaisen pommin räjähdysvoimalle ylärajaksi 0.12-0.35 kilotonnia, mikä on luokkaa sadasosa esimerkiksi Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettujen ydinpommien voimakkuudesta. Paperissa kuitenkin todetaan, että tarkempien mallien perusteella toimivan räjähteen valmistaminen ei todennäköisesti ole mahdollista polttoaineesta, jonka palama on yli 30 MWd/kgU, ellei käytössä ole erityisen edistyksellistä teknologiaa (kevytvesireaktoreissa tyypillinen poistopalama on nykyisin 40-50 MWd/kgU). Ydinasevaltioissa ei tällaiselle plutoniumille todennäköisesti löydy käyttöä, mutta terroristisena aseena pommilla olisi periaatteessa mahdollista saada aikaan paljon paikallista tuhoa.

vii) Käytetyn polttoaineen jälleenkäsittely sekoittuu toisinaan käsitteenä uraanin väkevöintiin. Edellisessä on kyse kemiallisesta prosessista, jossa uraani ja plutonium erotetaan alkuainemuodossa fissiotuotteista. Jälleenkäsittelyyn ei kuitenkaan kuulu alkuaineen isotooppien erottamista toisistaan.

viii) Itseään ylläpitävä ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran Chicagon yliopiston tiloihin rakennetussa Chicago Pile-1 -reaktorissa joulukuussa 1942. CP-1:stä seurasi pian kooltaan suurempi CP-2. Oak Ridgen X-10 oli järjestyksessä kolmas ydinreaktori, ja ensimmäinen joka oli suunniteltu jatkuvatoimiseen käyttöön. Reaktori tuotti fissiotehoa parhaimmillaan n. 4 MW.

ix) Erot moderaattorimateriaalien ominaisuuksissa palautuvat kevyiden atomiytimien kykyyn hidastaa neutroneita. Vedessä neutronin hidastuminen fission kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle vaatii keskimäärin noin 25 elastista törmäystä kevyisiin vety-ytimiin. Raskaassa vedessä törmäysten lukumäärä on vain hieman suurempi, mutta deuteriumin pienemmästä vuorovaikutustodennäköisyydestä johtuen neutronit kulkevat hidastuessaan pidemmän matkan. Tämän vuoksi hidastuminen vaatii paljon suuremman moderaattoritilavuuden. Grafiittireaktoreissa moderaattorin määrää kasvattaa puolestaan hiiliytimen suhteellisen suuri massa. Neutronien termalisoituminen grafiitissa vaatii yli sata törmäystä.

Onko ydinjätteen loppusijoitus ratkaistu?

Jaakko Leppänen – 9.2.2019

Tämän blogin aikaisemmissa kirjoituksissa on käsitelty ydinreaktoreiden turvallisuutta ja vakavia reaktorionnettomuuksia. Ydinenergia-alalla turvallisuus ei kuitenkaan rajoitu ainoastaan reaktoreiden käyttöön, sillä jokainen ydinvoimalaitos tuottaa toimiessaan ympäristölle vaarallista radioaktiivista jätettä. Uraanin korkean energiatiheyden vuoksi jätteen määrä ei ole erityisen suuri. Esimerkiksi kaikki TVO:n ydinvoimalaitosten yli 40 vuoden aikana tuottama korkea-aktiivinen käytetty polttoaine on varastoitu reaktorirakennusten sisälle sijoitettuihin vesialtaisiin sekä yhteiseen keskusvarastoon Olkiluodon saarella. Jätteen määrän sijaan pitkäaikaisturvallisuuden suurin haaste onkin se, että polttoaineeseen syntyy reaktorin käytön aikana niin pitkäikäisiä radionuklideja, että ydinjäte on eristettävä ympäristöstä tuhansiksi vuosiksi.

Ydinjätteen loppusijoitusratkaisusta (ja toisinaan myös siitä, onko ratkaisua edes olemassa) kiistellään paljon sosiaalisessa mediassa ja internetin keskustelupalstoilla. Julkiseen keskusteluun ydinjätekysymys nousee erityisesti ydinvoiman lisärakentamisen yhteydessä. Yritän tässä blogikirjoituksessa avata hieman aiheen taustoja, kuten loppusijoituksen teknistä toteutusta ja hankkeen aikataulua. Yksi esille nouseva kysymys on se, käydäänkö keskustelua turvallisuudesta oikein perustein?

Olkiluodon ydinvoimalaitos

Kuva 1: Olkiluodon ydinvoimalaitosyksiköt 3, 1 ja 2 kuvattuna kesällä 2015. Kaikki reaktoreiden yli 40 vuoden aikana tuottama radioaktiivinen jäte on varastoitu voimalaitosalueelle. Lähde: TVO.

Loppusijoitushankkeen historiaa

Ydinjätteen loppusijoituksella on Suomessa jo varsin pitkä historia. Jätehuollon vaihtoehtojen selvittäminen alkoi Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitosten rakentamisvaiheessa 1970-luvulla. Ensisijaisena vaihtoehtona pidettiin aluksi käytetyn polttoaineen toimittamista ulkomaille. Ydinenergiatuotanto oli maailmalla voimakkaassa kasvussa, ja ajan henkeen kuului, että reaktoreiden tuottaman plutoniumin kierrättämistä pidettiin jopa välttämättömänä edellytyksenä teknologian laajamittaiselle käytölle.i Suomen kaltaisilla pienillä ydinenergiamailla ei ollut valmiuksia kehittää omaa jälleenkäsittelyteknologiaa, joten ydinjätehuolto oli luonteva ulkoistaa suuremmille toimijoille. Loviisan ydinvoimalaitoksen tilaukseen kuuluikin sopimus käytetyn polttoaineen palauttamisesta Neuvostoliittoon.

Jälleenkäsittelyn rinnalle nousi kuitenkin pian myös kotimainen vaihtoehto, eli käytetyn polttoaineen suora loppusijoitus suomalaiseen kallioperään. Ensimmäiset loppusijoitusta koskevat geologiset selvitykset aloitettiin jo 1970-luvun lopulla. Virallinen poliittinen päätös vaihtoehtoisesta kotimaisesta ydinjätehuoltostrategiasta tehtiin vuonna 1983. Vaikka käytetyn polttoaineen toimittamista ulkomaille pidettiin edelleen ensisijaisena vaihtoehtona, päätös edellytti myös varautumista siihen, että Loviisan ja Olkiluodon laitosten tuottama ydinjäte jouduttaisiin loppusijoittamaan Suomeen. Hankkeelle määritettiin myös aikataulu, jonka mukaan loppusijoituspaikka olisi valittava vuoteen 2000 mennessä, ja loppusijoitustoiminta voisi tarvittaessa alkaa vuonna 2020.

Valtioneuvoston päätöksellä kiinnitetty aikataulu vauhditti geologiseen loppusijoitukseen keskittyvää ydinjätetutkimusta. Hankkeen rahoituksen turvaamiseksi perustettiin vuonna 1988 valtion ydinjätehuoltorahasto (VYR), jonka varoja alettiin kerryttämään vuosimaksuina ydinenergia-alan toimijoilta.ii Myös maailma muuttui. Huoli maailman uraanivarojen riittävyydestä väistyi, ydinvoima alkoi kohdata enemmän poliittista vastustusta, ja plutoniumin kierrättämiseen perustuva ydinenergiatalous alkoi näyttää yhä pätodennäköisemmältä lähitulevaisuuden kehityssuunnalta. Kotimainen loppusijoitusvaihtoehto nousi ensisijaiseksi ydinjätehuoltostrategiaksi, ja vuonna 1994 voimaan astunut uusi ydinenergialaki kielsi lopulta kokonaan käytetyn polttoaineen toimittamisen ulkomaille. Päätös siitä, että kaikki Suomessa syntynyt ydinjäte oli vastaisuudessa myös loppusijoitettava Suomeen, lopetti myös Loviisan käytetyn polttoaineen palautukset. Viimeinen polttoaine-erä toimitettiin Venäjälle vuonna 1996.

Suomessa ei ole lainkaan valtiollista ydinenergiaohjelmaa. Valtionhallinnon sijaan aloite uusien laitosten rakentamisesta tulee yksityiseltä sektorilta, eikä hankkeita myöskään rahoiteta julkisista varoista. Sama koskee myös loppusijoitustoimintaa. Suuret ydinenergiahankkeet kulkevat kuitenkin valmisteluvaiheessa poliittisen päätöksentekoprosessin läpi. Valtioneuvosto tekee ensin päätöksen siitä, onko ehdotettu hanke yhteiskunnan kokonaisedun mukainen. Myönteisessä tapauksessa periaatepäätös alistetaan vielä eduskunnan hyväksynnälle. Vaikka kansanedustajien on periaatteessa määrä punnita hanketta yhteiskunnan kokonaisedun näkökulmasta, kyse on käytännössä poliittisesta päätöksestä.

Suunnitelmien edetessä ydinjätteen loppusijoituspaikaksi valittiin Olkiluodon ydinvoimalaitosalue, ja luvitusprosessi käynnistettiin toukokuussa 1999. Hakijana oli Fortumin ja Teollisuuden Voiman neljä vuotta aikaisemmin perustama Posiva-yhtiö, jonka tehtävä on huolehtia Loviisan ja Olkiluodon laitosten ydinjätehuollosta. Valtioneuvosto antoi hankkeelle myönteisen periaatepäätöksen joulukuussa 2000, ja eduskunta hyväksyi päätöksen seuraavan vuoden toukokuussa ennätyksellisellä äänienemmistöllä 159-3. TVO:n kolmannen voimalaitosyksikön luvitusprosessin yhteydessä loppusijoituspäätös laajennettiin koskemaan myös uuden reaktorin käytettyä polttoainetta.iii

Radioaktiivinen jäte

Mitä ydinjätteellä sitten varsinaisesti tarkoitetaan? Ydinreaktorin polttoaine on kiinteässä olomuodossa olevaa keraamista uraanioksidia, joka on suljettu metallisten suojakuoriputkien sisään. Reaktorin käydessä polttoaineeseen syntyy radioaktiivisia fissiotuotteita sekä uraania raskaampia alkuaineita, kuten neptuniumia, plutoniumia ja amerikiumia. Käytetyn polttoaineen aktiivisuustaso nousee hyvin korkeaksi. Jäähdytysajasta riippuen gramma käytettyä uraanipolttoainetta sisältää aktiivisuutta sadoista gigabecquereleistä muutamaan terabecquereliin (kts. radioaktiivisuuden yksiköt ja suuruusluokat aikaisemmasta blogikirjoituksesta). Korkea-aktiivisella ydinjätteellä viitataankin juuri käytettyyn reaktoripolttoaineeseen.

Reaktorin käytön aikana polttoainesauvojen sisällä olevia radioaktiivisia aineita päätyy pieniä määriä jäähdytteeseen suojakuoriputkien vuotokohtien kautta. Myös jäähdytteen mukana kulkevat korroosiotuotteet sekä muut epäpuhtaudet aktivoituvat reaktorin sydämessä neutronisäteilytyksen vaikutuksesta. Suljetussa jäähdytyskierrossa kulkevaa vettä puhdistetaan jatkuvasti reaktorin käydessä. Veden mukana kulkeutuvat radioaktiiviset aineet kerääntyvät suodattimiin, joista tulee käytön jälkeen keskiaktiivista jätettä. Laitoksen vuosihuollon aikana primääripiirin radioaktiivisia aineita päätyy myös kontaminaationa työkaluihin, puhdistusvälineisiin, suojavaatteisiin, jne. Kaikki valvonta-alueella syntyvä roska kerätään talteen matala-aktiivisena jätteenä.

Säteilyturvakeskuksen luokituksen mukaan matala-aktiivisen jätteen ominaisaktiivisuus on alle 1 kBq/g, ja keskiaktiivisen jätteen aktiivisuus korkeintaan 10 MBq/g . Lukemat jäävät kauas reaktorissa säteilytetystä polttoaineesta. Matala- ja keskiaktiivinen jäte loppusijoitetaan laitospaikoille noin sadan metrin syvyyteen louhittuihin voimalaitosjätteen luoliin. Samoihin VLJ-luoliin tullaan aikanaan loppusijoittamaan myös reaktoreiden paineastiat ja muut aktivoituneet primääripiirin komponentit laitosten käytöstä poiston ja purkamisen jälkeen.

Käytetyn polttoaineen loppusijoitus edellyttää järeämpiä keinoja. Reaktorista poistamisen jälkeen lyhytikäisten radionuklidien hajoaminen tuottaa paljon jälkilämpöä, minkä vuoksi käytetyn polttoaineen annetaan ensin jäähtyä vesialtaissa 30-50 vuoden ajan. Kun polttoaine siirretään välivarastosta loppusijoituslaitokselle, jätteen kokonaisaktiivisuutta hallitsevat sellaiset fissiotuotteet, joiden puoliintumisajat mitataan kymmenissä tai sadoissa vuosissa. Tähän ryhmään kuuluu esimerkiksi 30 vuoden puoliintumisajalla hajoava Cs137, joka on myös vakavissa ydinvoimalaonnettomuuksissa merkittävin ympäristön pitkäaikaista saastumista aiheuttava isotooppi. Loppusijoituksen alkaessa noin neljännes aktiivisuudesta on peräisin cesiumista.

Fissiotuotteiden hajoamisen jälkeen merkittävimpään rooliin nousevat sivuaktinidit, erityisesti amerikiumin isotooppi Am241 (puoliintumisaika 432 vuotta). Tuhannesta vuodesta eteenpäin aktiivisuutta hallitsevat plutoniumin pitkäikäiset isotoopit Pu240 ja Pu239 (puoliintumisajat 6500 ja 24,000 vuotta), joita syntyy paljon uraanin neutronikaappausreaktioissa. Kaikkien aktinidien hajoamisketjut yhtyvät lopulta johonkin luonnon neljästä hajoamissarjasta, joihin kuuluvien radioaktiivisten alkuaineiden, kuten radiumin, radonin ja poloniumin isotooppien vaikutus alkaa näkyä satojen tuhansien ja miljoonien vuosien aikaskaalassa. Käytetyn kevytvesireaktoripolttoaineen radioaktiivisuus on jaettu komponentteihin kuvassa 2.

Aktiivisuus

Kuva 2: Tyypillisen kevytvesireaktoripolttoaineen aktiivisuus reaktorista poistamisen jälkeen. Kuvan asteikko on logaritminen. Kokonaisaktiivisuus on jaettu plutoniumin isotooppeihin, sivuaktinideihin (neptunium, amerikium, curium), sekä fissio- ja hajoamistuotteisiin. Hajoamistuotteilla viitataan luonnon hajoamissarjoihin kuuluviin radionuklideihin (esim. radium, radon ja polonium), joita syntyy aktinidien hajotessa. Kuvaan on piirretty katkoviivalla vertailutaso, joka vastaa polttoaineen valmistukseen käytetyn uraanimalmin aktiivisuutta.

Loppusijoituksen tekninen toteutus

Radioaktiivisuutensa puolesta käytetty polttoaine on vaarallista elävälle luonnolle vielä tuhansia vuosia reaktorista poistamisen jälkeen. Geologinen loppusijoitus perustuukin radioaktiivisten aineiden pitkäaikaiseen eristämiseen ympäristöstä. Posivan käyttämässä loppusijoituskonseptissa polttoaineniput suljetaan raudalla vahvistettujen kuparikapselien sisään. Kapselit asetetaan graniittiin porattuihin pystysuoriin reikiin luolastossa, joka on louhittu peruskallioon 400-450 metrin syvyyteen. Ympäröivä tila täytetään bentoniittisavella, joka paisuu imiessään itseensä vettä. Paisunut savi muodostaa tiiviin tulpan loppusijoituskapselin ympärille. Kun luolasto on täynnä, myös ajotunnelit suljetaan bentoniitilla ja muilla täyteaineilla.

Loppusijoituskapselit

Kuva 3: Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapselin malli. Ulompi kuparikapseli muodostaa tiiviin korroosionkestävän suojan, ja sisempi valurautaydin vahvistaa kapselin kestämään mekaanista rasitusta. Lähde: Posiva Oy.

Moniesteperiaate

Kuva 4: Loppusijoituskapselit asetetaan peruskallioon porattuihin pystysuoriin reikiin. Ympäröivä tila tiivistetään bentoniittisavella. Lähde: Posiva Oy.

Loppusijoitusluolasto

Kuva 5: Havainnekuva maanalaisesta loppusijoitusluolastosta Olkiluodon ydinvoimalaitosalueella. Loppusijoitustunnelit on louhittu 400-450 metrin syvyyteen. Lähde: Posiva Oy.

Geologisen loppusijoituksen turvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen, jolla tarkoitetaan sitä, että radionuklidien vapautumista ja leviämistä hidastetaan useammalla sisäkkäisellä esteellä. Yli 99% polttoaineen aktiivisuusinventaarista on uraanioksidista valmistettujen keraamisten polttoainetablettien sisällä. Radionuklidien vapautuminen edellyttää että luolastossa virtaava vesi pääsee ensin kosketuksiin polttoaineen kanssa, mikä on mahdollista vasta kun polttoainenippuja suojaava kuparikapseli puhkeaa. Kapselin korroosiota ja radioaktiivisten aineiden vapautumista hidastaa merkittävästi se, että täyteaineena käytettävä bentoniitti pysäyttää tehokkaasti veden virtauksen kapselin ympärillä. Turvallisuussuunnittelun lähtökohta on, että kapseloitu polttoaine pysyy eristettynä ympäristöstä vähintään 10,000 vuoden ajan, ja todennäköisesti huomattavasti pidempään.iv

Kun kuparikapselin tiiveys aikanaan pettää, radionuklidien vapautuminen peruskallioon on hidas, jopa vuosituhansia kestävä prosessi. Moniesteperiaatteen mukaan viimeisenä vapautumisesteenä toimii aktiivisuuden laimeneminen, kun polttoaineesta liuenneet radionuklidit kulkeutuvat hitaasti loppusijoitustilasta bentoniitin ja peruskallion halkeamien läpi vesistöihin, ja sitä kautta ravintoketjuun ja elävään luontoon.

Aktiivisuus on loppusijoitusanalyysien lähdetermi

Loppusijoituksen turvallisuussuunnittelussa tarkasteltavat aikajänteet ovat pitkiä, ulottuen aina seuraavan jääkauden jälkeiseen aikaan. Pitkien aikajänteiden ja niihin liittyvien epävarmuuksien vuoksi aihe herättääkin paljon huolta ja keskustelua. Suomi on myös loppusijoitusratkaisunsa toteutuksessa muita edellä, mikä tarkoittaa samalla sitä, ettei vastaavasta teknologiasta ole aikaisempaa kokemusta. Loppusijoituskeskusteluissa keskiöön nousee erityisesti kysymys siitä, kuinka pitkään ydinjäte on vaarallista luonnolle ja ihmiselle, ja voidaanko täydellinen eristys taata tällaisella aikaskaalalla?

Vaikka käytetyn ydinpolttoaineen korkea aktiivisuustaso on peräisin lyhytikäisistä radionuklideista, sen massa muodostuu pääosin uraanin isotoopista U238, jonka puoliintumisaika on 4.5 miljardia vuotta. Isotoopin elinikä on niin pitkä, että aktiivisuutta on jäljellä vielä siinä vaiheessa kun auringon sammuminen vie mukanaan edellytykset ylläpitää elämää maapallolla. Käytännössä ydinjäte ei siis lakkaa säteilemästä koskaan ihmislajin elinaikana. Vertailu absoluuttiseen nollatasoon ei kuitenkaan ole mielekäs, sillä uraani on osa maankuoren alkuainekoostumusta, ja kaikki eliöt altistuvat jatkuvasti luonnolliselle taustasäteilylle.

Nollatason sijaan vertailutasoksi valitaankin usein luonnossa esiintyvä uraani, eli jätteen voidaan tavallaan katsoa palanneen luonnontilaan siinä vaiheessa kun sen säteilyvaarallisuus vertautuu uraanimalmiin josta polttoaine on aikanaan valmistettu. Uraanimalmin radioaktiivisuus on pääasiassa peräisin isotoopin U238 hajoamistuotteista. Kun nämä hajoamistuotteet lasketaan mukaan, vertailutasoksi saadaan noin 1.5 MBq/g.v Tämä taso on piirretty katkoviivalla kuvaan 2. Esimerkkitapauksessa käytetyn polttoaineen aktiivisuus saavuttaa uraanimalmin ”luonnollisen” tason vasta satojen tuhansien vuosien aikaskaalassa.

Vaikka rinnastus uraanimalmiin antaa ydinjätteen vaarallisuudelle vertailutason joka perustuu luonnossa esiintyvään radioaktiivisuuteen, sen tulkintaan liittyy useita ongelmia. Loppusijoitetun polttoaineen kokonaisaktiivisuuteen voidaan laskea mukaan joko ainoastaan reaktorin käytön aikana syntyneet ”keinotekoiset” radioaktiiviset aineet, tai myös alkuperäisen olomuotonsa säilyttänyt uraani hajoamistuotteineen. Näiden hajoamistuotteiden joukossa on paljon sellaisia isotooppeja joita syntyy polttoaineeseen riippumatta siitä, onko uraani missään vaiheessa edes käynyt reaktorissa.

Luonnollisen aktiivisuustason asettaminen vastaamaan polttoaineen valmistuksessa käytettyä uraanimalmia on myös täysin mielivaltainen valinta. Peruskallio, johon loppusijoitustila on louhittu, sisältää itsessään paljon radioaktiivisia alkuaineita. Vertailu voitaisiin yhtä perustellusti tehdä graniitin ominaisaktiivisuuden, tai loppusijoitustilan yläpuolelle jäävän kiviaineksen kokonaisaktiivisuuden mukaan. Koska vertailutason valinta riippuu täysin tulkinnasta, myös aika, jonka kuluessa loppusijoitettu polttoaine palaa luonnontilaan, on lopulta varsin tulkinnanvarainen käsite. Eri yhteyksissä esitetyt arviot vaihtelevat tuhansista miljooniin vuosiin.

Pitkäaikaisturvallisuuden arviointi

Onko loppusijoituksen turvallisuus sitten täysin tulkinnanvarainen, tai jopa puhtaasti filosofinen kysymys? Vastaus on ei, sillä luonnollisen vertailutason määrittäminen on turvallisuuden kannalta sivuseikka. Käytetyn polttoaineen aktiivisuus on käytännössä pelkkä lähdetermi, joka ei vielä itsessään kerro mitään loppusijoitetun ydinjätteen aiheuttamasta säteilyhaitasta.

Lähdetermien vertailun sijaan varsinaisissa loppusijoituksen turvallisuusanalyyseissä arvioidaan säteilyannosta, jonka kallioperään haudattu polttoaine aiheuttaa loppusijoitustilan vaikutusalueella asuvalle väestölle. Syvälle kallioperään haudattu ydinjäte ei aiheuta suoraa säteilyvaaraa maan pinnalla, vaan loppusijoituksen riskit liittyvät siihen, että radioaktiivisia aineita kulkeutuu vesistöihin, ja sieltä juomaveden ja ravintoketjun kautta ihmiseen. Analyyseissä joudutaan huomioimaan radionuklidi-inventaarin lisäksi veden virtaus loppusijoitustilassa, bentoniitissa ja kallioperän halkeamissa, kuparikapselin ja polttoainesauvojen suojakuoriputkien korroosio, sekä radioaktiivisten alkuaineiden vapautuminen polttoaineesta veteen ja niiden kulkeutuminen loppusijoitustilasta pintavesistöihin.

Turvallisuuteen liittyvien epävarmuuksien minimoimiseksi analyysit perustuvat konservatiivisiin oletuksiin, jotka suurella todennäköisyydellä yliarvioivat todellista riskiä. Tällaisilla oletuksilla voidaan huomioida tuntemattomia tekijöitä, jotka liittyvät esimerkiksi radionuklidien liukoisuuteen ja veden virtausnopeuteen bentoniitissa. Odottamattomia tilanteita voidaan huomioida erilaisilla skenaariotarkasteluilla. Kuparikapseliin on tarkistuksista huolimatta voinut jäädä valmistusvirheitä, joiden vuoksi vesi pääsee kosketuksiin polttoaineen kanssa paljon suunniteltua aikaisemmin. Yksi suurimmista riskeistä liittyy siihen, että loppusijoitustilaan tunkeudutaan joko vahingossa tai tahallisesti ensimmäisten vuosisatojen aikana, kun jätteen aktiivisuustaso on vielä korkea. Tämän riskin minimoiminen on yksi syy siihen, miksi loppusijoitustila louhitaan syvälle peruskallioon.

Loppusijoituksen aikaskaala on niin pitkä, ettei kaikkia kulkeutumisilmiöitä ole mahdollista selvittää laboratoriokokeilla. Tutkimuksessa pyritäänkin hyödyntämään mahdollisimman paljon erilaisia luonnonanalogioita. Synteettisten materiaalien sijaan loppusijoitustilan täyteaineeksi valikoitui bentoniittisavi, jonka luonnollisia esiintymiä tutkimalla saadaan tietoa materiaalin käyttäytymisestä tuhansien vuosien aikaskaalassa. Pronssikaudelta peräisin olevat kupariesineet ja muut arkeologiset löydöt kertovat paljon kuparikapselien korroosio-ominaisuuksista erilaisissa ympäristöolosuhteissa. Pohjaveden virtausta maa- ja kallioperässä voidaan tutkia geologisin menetelmin, ja uraanin hajoamistuotteiden liikkeistä saadaan tietoa tarkastelemalla malmiesiintymiä.

Eksoottisimpiin analogioihin kuuluvat luonnossa toimineet ydinreaktorit. Afrikan Gabonissa sijaitsevan Oklon alueelle perustettiin uraanikaivos 1950-luvulla. Vuonna 1972 tehdyissä rutiinitutkimuksissa havaittiin, että tietyistä malmiesiintymistä peräisin olevat uraaninäytteet sisälsivät tavallista vähemmän fissiiliä isotooppia U235. Koska luonnonuraanin isotooppisuhteet ovat määräytyneet jo ennen aurinkokunnan syntymistä, ainoa selitys poikkeamalle oli, että U235-isotooppia oli aikojen kuluessa muuttunut toisiksi aineiksi ydinreaktioissa. Oklon alueelta löydettiin sittemmin yhteensä 16 malmiesiintymää, joissa ketjureaktio oli käynnistynyt prekambrisella kaudella noin kaksi miljardia vuotta sitten. Reaktorit olivat toimineet jaksoittaisesti jopa satojen tuhansien vuosien ajan, ja tuottaneet toimiessaan plutoniumia, sivuaktinideja ja fissiotuotteita. Radioaktiiviset isotoopit kulkeutuivat ympäröivään maa-ainekseen jättäen jälkeensä tunnistettavia hajoamistuotteita.vi

Loppusijoituksen turvallisuusvaatimukset

Loppusijoituksen riskeihin liittyvissä keskusteluissa nostetaan toistuvasti esiin erityisesti plutoniumin ja muiden erittäin pitkäikäisten aktinidien vaarallisuus. Varsinaisissa turvallisuusanalyyseissä plutonium ei kuitenkaan muodosta erityistä ongelmaa, sillä sen yhdisteet liukenevat erittäin huonosti veteen. Sama pätee myös muihin aktinidisarjan alkuaineisiin.

Fissiotuotteiden joukosta sen sijaan löytyy aineita, jotka kulkeutuvat helposti veden mukana. Polttoainenippuja suojaavan kuparikapselin pääasiallinen tarkoitus onkin pitää vesi erossa polttoaineesta siihen saakka, että nopeasti liukenevat korkea-aktiiviset fissiotuotteet ehtivät hajota. Satojen tuhansien vuosien aikaskaalassa merkittäviä helposti kulkeutuvia radionuklideja ovat myös tietyt uraanin hajoamistuotteet, jotka ympäristöön vapautuessaan lisäävät radonin ja muiden luonnon radioaktiivisten aineiden aiheuttamaa säteilyriskiä.

Minkälaisilla kriteereillä loppusijoituksen turvallisuutta sitten arvioidaan? Turvallisuusanalyysien perusteella on pystyttävä osoittamaan, että loppusijoitustilan läheisyydessä asuvalle väestölle ei riskit ja epävarmuudet huomioiden aiheudu millään aikavälillä merkittävää säteilyhaittaa. Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeissa eniten altistuville ihmisille aiheutuvan vuosiannoksen ylärajaksi on asetettu 0.1 millisievertiä. Eniten altistuvalla väestöllä tarkoitetaan tässä yhteydessä omavaraista perhe- tai pienkyläyhteisöä, joka saa käyttövetensä paikallisesta kaivosta tai pintavesistöstä. Turvallisuusvaatimuksiin on lisäksi kirjattu enimmäisarvoja yksittäisten radionuklidien päästöille.

Edelliselle raja-arvolle saadaan hyvä vertailukohta suomalaisten keskimääräisestä vuotuisesta säteilyannoksesta, joka on 3.2 mSv. Puolet tästä annoksesta aiheutuu huoneilman radonista. Luontaista vaihtelua on kuitenkin paljon, ja STUK:in tilastojen mukaan Suomessa asuu keskisuuren kaupungin verran ihmistä, joiden radonista aiheutuva vuosiannos ylittää 10 mSv tason. Pessimististen alkuoletusten vuoksi turvallisuusanalyysien varmuusmarginaalit ovat jo lähtökohtaisesti varsin leveät, mutta vaikka säteilyhaitta olisi arvioitu alakanttiin tekijällä 100, vaikutus jäisi silti tasolle, jolle monet suomalaiset altistuvat jokapäiväisessä elämässään.

Pitkän aikaskaalan vuoksi kaikkia loppusijoitukseen liittyviä epävarmuuksia on mahdoton välttää. Tuntemattomat tekijät osataan kuitenkin ennustaa ja huomioida paljon luotettavammin kuin esimerkiksi yhteiskunnan ja teknologian kehitys. Ratkaisun lopullisuutta perustellaankin usein sillä, että ne sukupolvet, jotka ovat saaneet hyödyn ydinenergian käytöstä, ovat velvollisia huolehtimaan myös sen tuottamista jätteistä. Vaikka teknologia todennäköisesti kehittyykin eteenpäin, on myös mahdollista että tulevilla sukupolvilla on nykyistä huonommat edellytykset huolehtia ydinjätteestä turvallisesti. Pahimmassa tapauksessa ihmiskunta taantuu tulevien vuosituhansien aikana esiteollista aikakautta vastaavalle tasolle, vailla minkäänlaisia käsitystä jätteen vaarallisuudesta.

Hankkeen eteneminen ja loppusijoituksen vaihtoehdot

Kun kotimaisesta loppusijoitusratkaisusta tehtiin virallinen päätös vuonna 1983, hankkeelle asetettiin aikataulu, jonka mukaan sijoituspaikka valittaisiin vuoteen 2000 mennessä, jolloin loppusijoitustoiminta voisi alkaa vuonna 2020. Hanke on tähän mennessä edennyt lähes alkuperäisen aikataulun mukaan. Loppusijoitussyvyyteen ulottuvan tutkimustilan, eli ONKALO:n louhinta alkoi Olkiluodossa vuonna 2004, ja hankkeen tarpeisiin rakennetut ajotunnelit on sittemmin otettu osaksi varsinaista loppusijoitusluolastoa.

Polttoainenippujen käsittelyyn ja kapselointiin tarkoitetulle maanpäälliselle loppusijoituslaitokselle myönnettiin rakentamislupa vuonna 2015. Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen loppusijoituksen on määrä alkaa laitoksen valmistuttua 2020-luvulla, ja jatkua siihen saakka että nykyiset laitokset sekä käyttöönottovaiheessa oleva Olkiluoto-3 tulevat käyttöikänsä päähän. Käytännössä tämä tarkoittaa toiminnan jatkumista seuraavan vuosisadan puolelle. Jätteen kokonaismäärän arvioidaan nousevan noin 5500 uraanitonniin. Vierekkäin asetettuna polttoaineniput mahtuisivat hyvin puolen jalkapallokentän kokoiselle alueelle. Jos Posivan tiloihin ei enää tämän jälkeen loppusijoiteta uusien ydinvoimalaitosten jätteitä, maanpäällinen loppusijoituslaitos puretaan. Syvälle kallioperään haudattu ydinjäte ei enää tämän jälkeen edellytä vartiointia tai aktiivista tarkkailua.

Suoraan loppusijoitukseen perustuvalle polttoainekierrolle on olemassa myös vaihtoehtoja. Erityisesti ydinteknologian neljännen sukupolven sateenvarjotermin alla kulkevat reaktorikonseptit nojaavat vahvasti suljettuun polttoainekiertoon, jossa uraanipolttoaineeseen syntynyttä plutoniumia kierrätetään takaisin nopean neutronispektrin reaktoreiden polttoaineeksi. Nämä hyötöreaktoreinakin toimivat reaktorityypit kykenevät hävittämään tehokkaasti myös sellaisia aktinideja, joiden fissioituminen vaatii neutroneilta ylimääräistä liike-energiaa (esim. Pu240). Hyötöreaktorit voivat toimia myös toriumpolttoaineella, jolloin ydinjätteeseen syntyy jo lähtökohtaisesti vähemmän uraania raskaampia alkuaineita.

Kuten edellä todettiin, ydinjätteen loppusijoituksesta käytävässä keskustelussa tyydytään usein vertailemaan jätteen vaarallisuutta luonnossa esiintyvään radioaktiivisuuteen, ja kinastelemaan siitä, mihin turvallisena pidettävä vertailutaso pitäisi asettaa. Tällainen keskustelu johtaa helposti virheellisiin johtopäätöksiin, sillä pitkäaikaisturvallisuuden kannalta jätteen aktiivisuutaso on pelkkä lähdetermi, joka ei vielä sellaisenaan kuvaa loppusijoituksesta ympäristölle ja ihmisille aiheutuvaa säteilyhaittaa.

Myös edistyneistä polttoainekierroista käytävät keskustelut kiertävät usein aiheen vierestä. Aktinidien jatkuva kierrättäminen poistaa jätteeksi päätyvästä massavirrasta lähinnä sellaisia isotooppeja, jotka eivät muutenkaan kulkeutuisi helposti loppusijoitustilasta pintavesistöihin. Vaikka suljettu uraani- tai toriumpolttoainekierto on perusteltavissa esimerkiksi luonnonvarojen tehokkaammalla hyödyntämisellä, geologista loppusijoitusta teknologia ei päinvastaisista väitteistä huolimatta tee tarpeettomaksi. Posivan vuoden 2001 periaatepäätökseen on kuitenkin kirjattu vaatimus polttoaineen palautettavuudesta maan pinnalle, mikäli kehittyvä teknologia tekee esimerkiksi polttoaineen kierrättämisen tarkoituksenmukaiseksi.


i) Reaktorin käytön aikana noin prosentti uraanin U238-isotoopista muuttuu neutronikaappausreaktioissa plutoniumiksi. Käytetystä polttoaineesta erotetusta plutoniumista voidaan valmistaa nk. sekaoksidipolttoainetta eli MOX:ia (engl. ”Mixed-OXide”). Polttoaineen jälleenkäsittely on kemiallinen prosessi, johon ei kuulu isotooppien erotusta. MOX-polttoaine on ollut kaupallisessa käytössä 1980-luvulta lähtien, erityisesti Ranskassa, mutta myös Belgiassa, Saksassa, Sveitsissä, Japanissa ja Yhdysvalloissa. Uraanin alhaisen maailmanmarkkinahinnan vuoksi MOX-polttoaine ei kuitenkaan ole syrjäyttänyt perinteistä uraanipolttoainetta. Nykyisin vain noin 5% maailman reaktorikannasta käyttää polttoaineenaan MOX:ia.

ii) Voimayhtiöiden (Fortum, TVO ja Fennovoima) vuosimaksut määräytyvät käytössä olevien reaktoreiden tehon tai periaatepäätöksessä nimetyn kapasiteetin mukaan. Myös vuoteen 2015 saakka käytössä olleesta VTT:n FiR 1 -tutkimusreaktorista maksettiin aikanaan jätehuoltomaksua. Ydinjätteen loppusijoituksen lisäksi VYR-varoista rahoitetaan kansallista tutkimustoimintaa. Meneillään olevat VYR-rahoitteiset SAFIR2022- ja KYT2022- ohjelmat keskittyvät ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen ja käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen.

iii) Posivan ydinjätehuoltovelvollisuus ei koske myöhemmin perustetun Fennovoiman käytettyä polttoainetta. Hanhikiven ydinvoimalaitokselle vuonna 2010 myönnetyn periaatepäätöksen ehdoksi asetettiin, että yhtiö laatii oman suunnitelmansa käytetyn polttoaineen loppusijoituksesta. Julkisessa keskustelussa on toisinaan nostettu esille huoli siitä, että Fennovoiman ydinjäte palautettaisiin venäläiselle laitostoimittajalle. Suomen ydinenergialaki kuitenkin kieltää hyvin yksiselitteisesti käytetyn polttoaineen toimittamisen ulkomaille.

iv) Posivan loppusijoitusratkaisusta löytyy hyvä yhteenveto raportista: Safety Case for the Disposal of Spent Nuclear Fuel at Olkiluoto – Synthesis 2012.

v) Hajoamistuotteet mukaan lukien luonnonuraanin ominaisaktiivisuus on n. 180 kBq/g. 4%:ksi väkevöidyn kevytvesireaktoripolttoaineen valmistukseen käytetään 8.3-kertainen määrä luonnonuraania, kun sivutuotteena syntyvän köyhdytetyn uraanin U235-pitoisuus on 0.25%. Väkevöityä uraanigrammaa vastaavaksi aktiivisuudeksi saadaan tällöin n. 1.5 MBq.

vi) Uraanin U235- ja U238-isotooppien puoliintumisajat ovat 700 miljoonaa ja 4.5 miljardia vuotta. Nykyisin fissiilin U235:n osuus on vain noin 0.7%, mutta Oklon reaktorien toiminnan aikaan luonnonuraani on vastannut väkevöinniltään tyypillistä kevytvesireaktoripolttoainetta. Ketjureaktio on käynnistynyt rikkaassa uraaniesiintymässä, kun malmin läpi sopivasti virtaava vesi on toiminut neutronimoderaattorina. Lämpötilan noustessa vesi on kiehunut pois, ja reaktori on sammuttanut itse itsensä. Ketjureaktio on käynnistynyt uudelleen maaperän jäähdyttyä niin paljon, että lisää vettä on päässyt virtaamaan uraaniesiintymän läpi.

Ydinenergia ja kaukolämpö

Jaakko Leppänen – 17.12.2018

Teknillinen korkeakoulu (nyk. Aalto-yliopisto) isännöi Espoon Otaniemessä kesällä 1977 ydinenergia-alan kansainvälistä konferenssia,i jonka teemana oli lämmöntuotantoon suunniteltujen reaktoreiden teknologia. Tapahtuma oli varmasti aikanaan Suomelle merkittävä, sillä Loviisan ensimmäinen reaktoriyksikkö oli aloittanut tuotantonsa vasta saman vuoden keväällä. Myös konferenssin aihepiiri oli ajankohtainen. Vuoden 1973 öljykriisi oli herättänyt huolen halvan ja helposti jaeltavan lämmitysöljyn saatavuudesta, ja huoltovarmuuden turvaamiseksi monessa maassa oli alettu siirtymään talokohtaisista lämpökattiloista yhä enemmän keskitettyyn kaukolämmöntuotantoon. Kehitys oli erityisen nopeaa kylmän talvi-ilmaston pohjoismaissa. Koska ydinenergia oli 1970-luvulla jo kaupallisesti kypsää teknologiaa, reaktoreiden käyttö kaupunkien lämmitykseen vaikuttikin varsin hyvältä keinolta vähentää riippuvuutta epävarmasta öljystä.

Suomessa ydinkaukolämmön mahdollisuuksia oli alettu selvittää Valtion Teknillisessä Tutkimuskeskuksessa jo vuosikymmenen alussa. VTT:n lisäksi hankkeeseen osallistuivat voimayhtiöt Teollisuuden Voima ja Imatran Voima (nyk. Fortum), energiateknologian alalla toiminut Ekono Oy, sekä joukko suomalaisia teollisuusyrityksiä Oy Finnatom Ab -nimisen yhteenliittymän alla. Ulkomaisena yhteistyökumppanina toimi norjalainen Institutt for Atomenergi, joka operoi kahta raskasvesimoderoitua tutkimusreaktoria Kjellerissä ja Haldenissa.

Tutkimuksen tavoitteena oli ennen kaikkea kartoittaa ydinenergialla tuotetun kaukolämmön kustannuksia. Tarkastelun kohteeksi otettiin 100 megawatin kaukolämpölaitos, joka perustui pitkälti olemassa olevaan painevesireaktoriteknologiaan. Suurin ero sähköntuotantoreaktoreihin oli alhaisempi käyttöpaine ja -lämpötila, sekä pienempi yksikkökoko. Reaktorin markkinoiksi kaavailtiin kaukolämmön piirissä olevia yli 50,000 asukkaan taajamia, joita 1970-luvun alussa löytyi Helsingistä, Tampereelta, Lahdesta, Espoosta, Vantaalta, Oulusta, Jyväskylästä, Kuopiosta, Vaasasta, Lappeenrannasta, Hämeenlinnasta ja Porista. Turkua ei kuitenkaan jostain syystä kelpuutettu listalle mukaan. Hankkeen loppuraportissaii ydinenergialla tuotettu kaukolämpö arvioitiin varsin kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi verrattuna fossiilisiin tuontipolttoaineisiin, ja teknologian arviointiin olevan kaupallisesti kypsää 1980-luvulle tultaessa.

Mitä kaukolämmön tuottaminen ydinvoimalla sitten käytännössä tarkoittaa? Suomessa kaukolämpöverkkojen peruskuormasta vastaavat tavallisesti suuren kapasiteetin yhteistuotantolaitokset, joissa tarvittava lämpö otetaan sähköä tuottavasta turbiinikierrosta. Kaukolämpöverkkoon on kytketty myös varavoimana ja huipputeholaitoksina toimivia lämpökeskuksia, jotka käynnistyvät kun tehoa tarvitaan lisää kylmimpien talvipäivien aikana. Esimerkiksi Helsingin Energialla on käytössään suuret yhteistuotantolaitokset Vuosaaressa, Hanasaaressa ja Salmisaaressa, jotka tuottavat kaukolämpöä 595, 420 ja 300 megawattia. Pienempien lämpökeskusten yhteenlaskettu kapasiteetti on 2270 MW.

Kaukolämpöverkon menoveden lämpötila on 65-120°C, mikä on helposti saavutettavissa noin 300°C asteen lämpötilassa toimivilla kevytvesireaktoreilla. Jokainen ydinvoimala voisi siis ainakin teoriassa toimia yhteistuotantolaitoksena. Tästä onkin maailmalla paljon käytännön kokemusta. Ruotsin ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos Ågestassa lämmitti vuosina 1964-1974 Farstan esikaupunkialuetta Tukholmassa parhaimmillaan yli 60 MW:n teholla. Venäjällä lähes kaikki reaktorit on suunniteltu tuottamaan lämpöä vähintään laitoksen omiin ja lähialueen asukkaiden tarpeisiin.iii Myös keväällä 2018 keskustelua herättänyt kelluva ydinvoimala Akademik Lomonosov on suunniteltu tuottamaan sähkön lisäksi kaukolämpöä Venäjän arktisen alueen kaupungeille. Aluksessa on kaksi alun perin jäänmurtajakäyttöön kehitettyä ydinreaktoria. Kaukolämmöntuotanto oli huomioitu myös Loviisan kolmannen reaktoriyksikön periaatepäätöshakemuksessa, jonka valtioneuvosto tosin hylkäsi vuonna 2010.

Yhteistuotannon sijaan ydinreaktori voidaan kuitenkin suunnitella tuottamaan pelkkää kaukolämpöä. Juuri tämä oli myös VTT:n lämmitysreaktoriryhmän ajatuksena 1970-luvun alussa. Tällaisen reaktorin sydän voidaan rakentaa tavanomaisesta polttoaineesta, jota jäähdytetään vedellä. Tehon säätöön käytetään liikuteltavia säätösauvoja tai jäähdytteeseen liuotettua neutroneita absorboivaa boorihappoa. Kaukolämmöntuotannossa on mahdollista hyödyntää myös ydinreaktoreiden luontaisia kuormanseurantaominaisuuksia. Jos kaukolämpöverkosta otetaan enemmän lämpöä ulos, paluuveden lämpötila laskee. Muutos välittyy myös reaktorin jäähdytteeseen. Negatiivisten takaisinkytkentöjen vuoksi reaktori pyrkii vastustamaan toimintatilan muutosta. Fissioteho kasvaa, jolloin verkkoon syötettävä lisälämpö kompensoi muutosta kulutuksessa.iv

Sähköntuotannosta luopuminen tarkoittaa sitä, että voimalaitosprosessiin ei kuulu lainkaan turbiinikiertoa. Termodynamiikan lakien vuoksi yhden sähköenergiayksikön tuottaminen vaatii perinteisessä höyryturbiinilaitoksessa lähes kolme yksikköä primäärienergiaa. Kaukolämpölaitoksessa energiaa ei sen sijaan tarvitse muuttaa muodosta toiseen, vaan reaktorin tuotanto on lämpöhäviöitä lukuun ottamatta kokonaan syötettävissä verkkoon. Sähköä tuottaviin ydinvoimaloihin verrattuna ydinkaukolämpölaitokset olisivatkin yksikkökooltaan selvästi pienempiä. Suurelle kaupungille sopiva yksikkökoko voisi olla 100-400 MW, mutta Suomesta löytyy myös kymmeniä pienempiä paikkakuntia, missä verkon kapasiteetti asettuu 25-50 megawatin kokoluokkaan. Vertailun vuoksi Olkiluodon uuden EPR-reaktorin sähköteho on 1600 MW, ja kokonaislämpöteho 4500 MW.

Reaktori ei kytkeydy kaukolämpöverkkoon suoraan, vaan lämmönvaihtimien ja välipiirin kautta. Tällä vältetään primäärijäähdytteen mukana kulkeutuvien radioaktiivisten aineiden päätyminen verkkoon. Energian siirtyminen piiristä toiseen vaatii tietyn lämpötilaeron, minkä vuoksi yli sata-asteisen kaukolämpöveden tuottaminen vaatii reaktorilta luokkaa 140-160°C asteen toimintalämpötilan. Periaatteessa lämpötila voi olla matalampikin, mutta kovimmilla pakkasilla runkoverkkoon syötettävää vettä on tällöin lämmitettävä lisää. Perustuotanto mitoitetaan tavallisesti kattamaan noin puolet huipputehotarpeesta, ja ylimääräistä lämpöä tarvitaan lähinnä talvikuukausina.

Painevesityyppisissä reaktoreissa jäähdyte pidetään nestemäisessä olomuodossa korkean paineen avulla. Esimerkiksi EPR-reaktorin kuuman haaran lämpötila on 328°C astetta, ja primääripiiri on paineistettu noin 155 ilmakehän paineeseen (15.5 MPa). Samalla periaatteella mutta selvästi matalammassa lämpötilassa toimivan kaukolämpöreaktorin käyttöpaine voitaisiin laskea suurin piirtein espressokeitintä vastaavalle tasolle. Matalampi käyttöpaine näkyisi ennen kaikkea reaktorin paineastian ja primääripiirin putkistojen seinämävahvuudessa. EPR:n reaktoriastiassa on terästä noin 25 cm paksuudelta, kun taas kaukolämpöreaktorissa seinämävahvuudeksi voisi riittää vain muutama sentti. Nykyisten reaktoripaineastioiden valmistusprosessi voi kestää vuosia, ja koko maailmasta löytyy vain muutama valmistaja joka kykenee työn edes suorittamaan. Kaukolämpöreaktorin paineastia voisi syntyä huomattavasti halvemmalla, jopa suomalaisessa konepajassa.

Pienellä yksikkökoolla ja matalalla käyttöpaineella on vaikutusta myös reaktorin turvallisuussuunnitteluun. Kerroin aikaisemmassa blogikirjoituksessa että merkittävin reaktoriturvallisuutta uhkaava tekijä on polttoaineen jälkilämpö, jota syntyy lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisessa hajoamisessa. Jälkilämmöntuotto ei lakkaa välittömästi ketjureaktion katkeamiseen, vaan polttoaineen jäähdytyksestä pitää pystyä huolehtimaan vielä pitkään reaktorin sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä laitoksissa tämä on toteutettu moninkertaisesti varmennetuilla hätäjäähdytysjärjestelmillä, joiden sähkönsyöttö pitää pystyä turvaamaan kaikissa mahdollisissa tilanteissa. Toteutuksen tekee haasteelliseksi se, että korkeapaineisen veden faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa. Esimerkiksi primääripiirin putkivuoto aiheuttaa reaktorin suojarakennuksen paineistumisen veden purkautuessa höyrynä ulos. Vakavassa onnettomuustilanteessa radioaktiivisen päästön pidättäminen edellyttääkin myös suojarakennuksen jäähdytystä.v

Polttoaineen jälkilämmöntuotto on suoraan verrannollinen reaktorin fissiotehoon, joten esimerkiksi 200 megawatin kaukolämpöreaktori tuottaisi sammuttamisen jälkeen lämpöä alle 5% suuren EPR:n jälkilämpötehosta. Matalan toimintalämpötilan ansiosta myöskään jäähdytteen faasimuutokseen ei olisi sitoutunut vastaavaa energiamäärää. Reaktorin jälkilämmönpoisto ja paineenhallinta voitaisiin tällöin toteuttaa helposti luonnonkiertoon perustuvilla passiivisilla järjestelmillä. Polttoaineen läpi kulkeva vesi lämpenee ja pyrkii nousemaan ylöspäin, joten jos jäähdytettä viilentävä lämmönvaihdin sijoitetaan sopivasti suhteessa reaktoriin, virtaus käynnistyy itsestään ilman pumppuja ja ulkoista käyttövoimaa. Korkea turvallisuustaso on tällöin saavutettavissa ilman kalliita ja moninkertaisesti varmennettuja aktiivisia hätäjäähdytysjärjestelmiä. Jos laitoksen sähköjärjestelmät menetetään, reaktori siirtyy itsestään turvalliseen tilaan, jossa jälkilämpö siirtyy luonnonkierrolla lämmönvaihtimien kautta reaktorirakennuksen ulkopuolelle.vi

Passiiviseen turvallisuussuunnitteluun perustuvaa kaukolämpöreaktoria kaavailtiin pohjoismaisille markkinoille jo neljä vuosikymmentä sitten. Tätä SECURE (Safe Environmentally Clean Urban REactor) -nimellä kulkenutta reaktorikonseptia tutkittiin vuosina 1976-1977 ruotsalais-suomalaisena yhteistyönä. Hankkeeseen osallistuivat Ab ASEA-Atom (nyk. Westinghouse) ja Ab Atomenergi Ruotsista, sekä Finnatom ja VTT Suomesta. Tavoitteena oli kehittää 200 MW kaukolämpöreaktori, joka tuottaisi 95°C asteista vettä suurten ja keskikokoisten kaupunkien kaukolämpöverkkojen peruskuormatarpeisiin.

SECURE poikkeaa monelta osin perinteisistä paine- ja kiehutusvesilaitoksista. Reaktorin paineastiana toimii suuri teräsbetonista valettu allas, joka yhdessä primääripiirin komponenttien kanssa on sijoitettu maanalaiseen kallioluolaan. Reaktori toimii 0.7 MPa paineessa ja 115°C asteen lämpötilassa. Normaalissa toimintatilassa jäähdytettä kierrätetään pumpuilla reaktorista lämmönvaihtimiin, jotka on kytketty välipiirin kautta kaukolämpöverkkoon. Jäähdytyskierto on auki ympäröivään vesialtaaseen, mutta pakotetun virtauksen aiheuttama paine-ero estää allasveden pääsyn reaktoriin. Pumppujen pysähtyessä virtausolosuhteet muuttuvat sellaisiksi, että luonnonkierto altaassa pääsee käynnistymään. Altaasveteen lisätty boori pysäyttää samalla ketjureaktion etenemisen. SECURE:ssa ei ole lainkaan säätösauvoja, vaan myös reaktorin sammuttaminen hoidetaan pysäyttämällä virtausta ylläpitävät pääkiertopumput.

Maanalaisella sijoituksella ja passiivisilla turvallisuusominaisuuksilla pyrittiin mahdollistamaan reaktorin rakentaminen aivan suurten kaupunkien tuntumaan. Sähköstä poiketen lämpöä ei pystytä siirtämään kustannustehokkaasti pitkiä matkoja, joten tuotanto on saatava lähelle kulutusta. Ydinvoimalaitoksia koskevat viranomaisvaatimukset oli kuitenkin laadittu pitkälti siltä pohjalta, että laitosalueen lähiympäristössä ei ollut suuria asutuskeskittymiä. Kyse ei ollut niinkään siitä etteikö näin olisi voinut olla, vaan siitä, että aikaisemmat laitokset oli rakennettu pienille paikkakunnille, eikä tällaisille tarkasteluille ollut luvitusvaiheessa tarvetta. Riittävän turvallisuustason osoittamiseksi SECURE:n suunnittelussa haluttiin käyttää mahdollisimman vähän sellaisia järjestelmiä, jotka olivat riippuvaisia automaatiosta, mekaanisten laitteiden toimintavarmuudesta tai reaktorin ohjaajien tekemistä päätöksistä. SECURE-hanketta ja sen soveltuvuutta nykyisiin turvallisuusstandardeihin on käsitelty tarkemmin Suomen Atomiteknillisen Seuran Ydintekniikka-lehden vuoden 2012 numeroissa 2 ja 3.

VTT:n lämmitysreaktoriryhmän selvitykset ja ruotsalais-suomalainen SECURE-hanke eivät aikanaan tuottaneet konkreettista lopputulosta. Ydinvoima ajautui 1980-luvulla poliittisiin vaikeuksiin, ja monen suuren kaukolämpölaitoksen polttoaineeksi valikoitui halpa kivihiili. Kaukolämpöreaktoreiden kehitystä ei varsinaisesti lopetettu, mutta kiinnostus hiipui, ja aihe jäi viimeistään vuosituhannen vaihteessa eksoottisempien trendien, kuten ydinjätteen transmutaatiotutkimuksen ja neljännen sukupolven reaktoriteknologian varjoon.

Kiristyvät CO2-päästövaatimukset ja tarve päästä eroon saastuttavasta kivihiilestä ovat kuitenkin tuoneet kaukolämpöreaktorit jälleen otsikoihin. Uutisia teknologian kehityksestä on viime aikoina kuultu erityisesti Kiinasta, missä kyse ei ole ainoastaan ilmastonmuutoksen torjunnasta, vaan myös kaupunkien ilmanlaatua pilaavien pienhiukkaspäästöjen leikkaamisesta. Ydinenergian lämmityskäyttöä on tutkittu Kiinassa 1980-luvulta lähtien. Maailman ensimmäinen erityisesti kiinteistöjen lämmitykseen tarkoitettu ydinreaktori, viiden megawatin teholla toimiva NHR-5, aloittikin toimintansa Tsinghuan yliopistossa Pekingissä jo vuonna 1989.

Kiinan lämmitysreaktoritutkimus jakaantui jo varhain kahteen kehityslinjaan. NHR-5 perustui perinteiseen paineastiatyyppiseen rakenteeseen, joskin reaktorin jäähdytys oli toteutettu passiivisesti luonnonkierrolla. Tämän lisäksi Tsinghuassa kehitettiin 1990-luvulla nk. DPR-konseptia (Deep Pool Reactor), joka tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että kaukolämpöverkon edellyttämä yli 100°C asteen käyttölämpötila saadaan aikaiseksi hydrostaattisella paineella, sijoittamalla reaktori 25 metriä syvän vesialtaan pohjalle. Reaktori ei tällöin tarvitse lainkaan varsinaista paineastiaa, sillä veden paine altaan pinnalla on normaalin ilmakehän tasolla. DPR-tyyppistä reaktoria voidaan tavallaan luonnehtia konservatiiviseksi versioksi SECURE:sta. Reaktorin jälkilämmönpoisto nojaa samalla tavalla passiiviseen luonnonkiertoon, mutta monimutkaiseen virtausmekaniikkaan perustuvat järjestelmät on korvattu yksinkertaisella jäähdytyskierrolla, ja tehotason asettamiseen käytetään perinteisiä säätösauvoja. SECURE:n tapaan reaktoriallas on suunniteltu sijoitettavaksi maanalaiseen kallioluolaan.

Paineastiatyyppisen NHR-5 -reaktorin pohjalta kehitettiin sittemmin samalla periaatteella toimiva 200 megawatin NHR-200. China General Nuclear -yhtiö on yhdessä Tsinghuan yliopiston kanssa parhaillaan selvittämässä kehityslinjan uusimman version (NHR200-II) ensimmäisen prototyypin rakentamista. Myös DPR-konseptia on kehitetty eteenpäin, ja ensimmäisen allastyyppisen 400 megawatin DHR-400 -laitoksen alustava suunnittelutyö saatiin päätökseen syyskuussa 2018. Tätä myös nimellä ”Yanlong” kulkevaa teknologiaa kehittävä China National Nuclear Corporation -yhtiö odottaa reaktorille rakennuslupaa vuoden 2019 alkupuolella. Periaatteessa reaktori voisi tällöin olla kaupallisilla markkinoilla 2020-luvulla. Ottaen huomioon millä vauhdilla ydinteknologian kehitys on Kiinassa edennyt, suunnitelmia voidaan pitää hyvinkin realistisina.

Kaukolämpöreaktoriteknologian kaupallistamista voidaan pitää myös Suomen kannalta mielenkiintoisena mahdollisuutena. Aikaisemmassa blogikirjoituksessa käsiteltiin ydinenergian roolia ilmastonmuutoksen torjunnassa. Suomen sähköntuotantorakenne on jo nykyisellään varsin puhdas, mutta päästövähennyspotentiaalia löytyy paljon muilta energiasektorin osa-alueilta. Kaukolämmön osalta aikataulu on äärimmäisen tiukka, sillä hallitus on esittänyt kivihiilen käytölle täyskieltoa vuodesta 2029 alkaen. Ville kirjoitti aikaisemmin että ydinkaukolämmön mahdollisuuksien selvittämisestä on tehty kunnallisella tasolla valtuustoaloitteita ainakin Helsingissä, Espoossa, Kirkkonummella, Nurmijärvellä ja Turussa. Kiinnostusta on ollut yli puoluerajojen, ja esimerkiksi Vihreissä pitkään vaikuttanut Osmo Soininvaara on tuonut aiheeseen liittyvän kantansa varsin julkisesti esiin.

Kaukolämpöpiirakka

Kuva 1: Kaukolämmöntuotannossa käytetyt primäärienergialähteet Suomessa vuonna 2017. Fossiilisten polttoaineiden osuus on yli puolet. Vertailun vuoksi sähköntuotannosta yli 80% katetaan vähähiilisillä teknologioilla, joista merkittävin on ydinvoima. Lähde: Energiateollisuus ry.

Ilmastonmuutoksen torjunta edellyttää toimenpiteitä, jotka tulevat joka tapauksessa mullistamaan koko energiasektorin tuotantorakenteen. Moni ehdotetuista ratkaisuista perustuu teknologiaan, josta ei ainakaan suuressa mittakaavassa ole aikaisempaa näyttöä. Kaukolämpöreaktori ei tässä mielessä eroa esimerkiksi hiilidioksidin talteenotosta. Poliittisten ja taloudellisten haasteiden lisäksi ydinkaukolämmön toteuttaminen edellyttää kuitenkin myös sitä, että reaktorit pystytään osoittamaan riittävän turvallisiksi sijoitettavaksi lähelle suuria asutuskeskittymiä.

Ydinenergia-alan osaaminen on Suomessa korkealla tasolla. Turvallisuusasioissa, käytetyn polttoaineen loppusijoituksessa sekä laitosten käytössä voimme sanoa olevamme jopa maailman kärkeä. Alan valmistavaa teollisuutta ei Suomeen kuitenkaan ole erityisesti syntynyt.vii Tämä on asia, jonka matalan lämpötilan reaktoreiden yleistyminen voisi periaatteessa muuttaa. Espressokeittimen paineessa toimivan, haaleaa vettä tuottavan kaukolämpöreaktorin pääkomponenttien valmistaminen tuskin ainakaan edellyttää sellaista osaamista tai teknologiaa, jota ei löytyisi esimerkiksi suomalaisesta konepajateollisuudesta.

Voisiko fossiilisia polttoaineita korvaavien kaukolämpöreaktorien valmistusmaa siis ollakin Kiinan sijaan Suomi? Tähän kysymykseen ollaan parhaillaan etsimässä vastausta VTT:n valmistelemassa Business Finland -hankkeessa.


i) ”Topical Meeting on Low-Temperature Nuclear Heat” (21-24.8.1977). Konferenssipaperit on julkaistu American Nuclear Societyn Nuclear Technology -lehden numerossa 38 vuodelta 1978.

ii) R. Tarjanne, S. Vuori, L. Eerikäinen & L. Saukkoriipi. ”Lämmitysreaktoriprojektin loppuraportti.” Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Lämmitysreaktoriryhmä, 1974.

iii) Venäläisillä reaktoreilla on tuotettu kaukolämpöä myös Bulgariassa, Unkarissa, Slovakiassa ja Ukrainassa. Se, että Loviisan vanhoja neuvostovalmisteisia laitoksia ei ole suunniteltu yhteistuotantoon, lienee pikemminkin poikkeus yleisestä VVER-kehityslinjasta.

iv) Kaukolämpöverkko toimii suhteellisen joustavasti verrattuna esimerkiksi sähköverkkoon, jonka jännitteelle ja taajuudelle on asetettu tiukat rajat. Lämpötilan vaihteluväli on suhteellisen laaja, ja putkissa virtaavan veden suuri lämpökapasiteetti tasaa muutoksia. Kaukolämmön lisäksi samaa matalan lämpötilan reaktoriteknologiaa voidaan käyttää jäähdytykseen, sekä tuottamaan kastelu- ja juomavettä suolaisesta merivedestä. Jälkimmäisillä teknologioilla arvioidaan olevan vielä kaukolämpöäkin suuremmat markkinat, sillä suuri osa maailman väestöstä asuu kuivan ja lämpimän ilmaston maissa.

v) Huonosti toteutetun turvallisuussuunnittelun vuoksi Fukushima Daichin ydinvoimalaitosalueelle maaliskuussa 2011 iskenyt tsunami tuhosi kerralla neljän reaktoriyksikön varavoimadieselit. Sähköjärjestelmien täydellinen menetys johti lopulta kolmeen sydämensulamisonnettomuuteen, kun polttoaineen tuottamaa jälkilämpöä ei saatu reaktoreista ulos. Pelastustöitä vaikeutti ratkaisevasti järjestelmien ylipaineistuminen. Vaikka vettä olisi ollut saatavilla, sitä ei korkean paineen vuoksi kyetty syöttämään oikeaan paikkaan. Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden vaiheita on käsitelty tarkemmin toisessa blogikirjoituksessa.

vi) Passiivisia turvajärjestelmiä on suunniteltu myös suuriin kolmannen sukupolven kevytvesireaktoreihin. Esimerkiksi Westinghousen AP1000-laitoksessa reaktorin jälkilämmönpoisto ja suojarakennuksen jäähdytys on toteutettu luonnonkierrolla. Ensimmäiset 1157 MW:n AP1000-laitokset otettiin käyttöön Sanmenin ydinvoimalaitoksella Kiinassa syksyllä 2018.

vii) Viittaan tässä erityisesti laitoksen ydinteknisiin komponentteihin. Suomessa on tehty ydinenergia-alalle mittalaitteita, automaatiojärjestelmiä, varavoimageneraattoreita, jne…

Vakava reaktorionnettomuus

Jaakko Leppänen – 24.11.2018

Käsittelin aikaisemmissa blogikirjoituksissa Tšernobylin ja Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuksia, keskittyen lähinnä tapahtumien etenemiseen ja taustalla vaikuttaneisiin tekijöihin. Jatkan tässä kirjoituksessa onnettomuuksien seurauksista ja ympäristövaikutuksista. Ydin- ja säteilyonnettomuuksien vakavuutta voidaan mitata kansainvälisen atomiergiajärjestön IAEA:n määrittämällä INES-asteikolla (International Nuclear and Radiological Event Scale). Molemmat onnettomuudet on luokiteltu suurten radioaktiivisten päästöjen sekä niiden edellyttämien mittavien väestönsuojelutoimenpiteiden perusteella asteikon korkeimpaan, eli seitsemänteen luokkaan. INES-asteikko on kuitenkin luotu lähinnä viestinnän apuvälineeksi, eikä vakavan reaktorionnettomuuden seurauksia ole käytännössä mahdollista tiivistää yhteen numeroon.

Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuksista on keskusteltu ja kirjoitettu paljon, ja niiden vaikutuksia puitu monelta eri kannalta. Tämän kirjoituksen tarkoitus on blogin hengen mukaisesti lähestyä aihetta asiantuntijanäkökulmasta, ja esittää jonkinlainen yhteenveto siitä, mitä onnettomuuksien seurauksista nykyisin tiedetään, ja miten näitä asioita on käsitelty riippumattomien kansainvälisten asiantuntijaryhmien aineistoissa. Lähteenä olen käyttänyt erityisesti YK:n alaisen UNSCEAR:in (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) kokoelmaraportteja, joiden tiedot on kerätty sadoista vertaisarvioiduista tiedejulkaisuista.i Teksti on jaettu muutamaan osakokonaisuuteen, jotka käsittelevät onnettomuuksien välittömiä seurauksia laitospaikoilla, päästöjen leviämistä ja radioaktiivista laskeumaa, sekä väestön pitkän aikavälin säteilyaltistusta ja sen aiheuttamia terveysvaikutuksia. Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyviä perusasioita, kuten aktiivisuuden ja säteilyannoksen määritelmiä, yksiköitä ja suuruusluokkia, on käsitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

Maaliskuussa 2011 tapahtunut Fukushima Daichin ydinvoimalaonnettomuus sai alkunsa siitä, kun maanjäristystä seurannut tsunami tuhosi reaktoreiden hätäjäähdytykseen ja instrumentointiin käytetyt sähköjärjestelmät. Reaktoreiden tuottama fissioteho oli katkennut maanjäristyksen laukaisemaan pikasulkuun jo tuntia aikaisemmin, mutta tsunamin vyöryessä laitosalueelle lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vapautuva energia lämmitti ydinpolttoainetta vielä kymmenien megawattien teholla. Ydintekniikassa tätä ketjureaktiosta riippumatonta lämmöntuottoa kutsutaan polttoaineen jälkilämmöksi. Laitosyksiköiden kellarikerrokset tulvittanut vesi vaurioitti juuri niitä järjestelmiä, jotka oli suunniteltu jälkilämmön poistamiseen. Seurauksena oli vakava sydämensulamisonnettomuus kolmella laitosyksiköllä.

Tapahtumaketju eteni nopeimmin ykkösyksiköllä, joka jäi heti sähköjärjestelmien menetyksen jälkeen täysin ilman toimivaa jäähdytyskiertoa. Reaktorin vedenpinnankorkeus alkoi laskea jäähdytteen kiehuessa höyryksi, saavuttaen sydämen yläreunan tason noin kolmessa tunnissa. Veden alta paljastunut polttoaine alkoi tämän jälkeen ylikuumenemaan, ja lopulta sulamaan. Kakkos- ja kolmosyksiköillä sydämen vesikiertoa kyettiin ylläpitämään passiivisilla järjestelmillä, jotka saivat käyttövoimansa reaktorista purkautuvalta höyryltä. Järjestelmiä ei kuitenkaan oltu suunniteltu pitkäaikaiseen käyttöön, ja niiden vikaannuttua myös veden syöttö reaktoreihin katkesi. Sydämen sulaminen alkoi kolmosyksiköllä kahden, ja kakkosyksiköllä kolmen vuorokauden kuluessa alkutapahtumasta.

Sydämensulamisonnettomuudessa polttoaineen vaurioituminen etenee vaiheittain. Keraamiset uraanioksiditabletit on suljettu zirkonium-metalliseoksesta valmistettujen kaasutiiviiden suojakuoriputkien sisälle. Jälkilämpö siirtyy suojakuoren läpi polttoaineesta jäähdytteeseen, ja kun sydän alkaa kiehua kuivaksi, lämpötila alkaa nopeasti nousta. Suojakuoriputken zirkonium oksidoituu vuorovaikuttaessaan korkeassa lämpötilassa vesihöyryn kanssa. Reaktio alkaa kiihtyä lämpötilan noustessa noin 800°C asteeseen. Oksidoitunut metalli muuttuu hauraaksi ja pirstoutuu helposti, jolloin sisällä oleva pellettipatsas romahtaa kasaan. Lämpötilan edelleen noustessa myös uraanioksidi alkaa lopulta sulaa. Polttoaineesta, säätösauvoista ja sydämen tukirakenteista muodostuvan sydänsulan lämpötila nousee niin korkeaksi, että myös reaktoriastia voi sulaa pohjastaan puhki.

Myös radioaktiivisten aineiden vapautuminen tapahtuu vaiheittain. Osa fissiotuotteista kulkeutuu jo reaktorin käydessä polttoainetablettien ja suojakuoriputken välissä olevaan kaasurakoon. Tällaisia fissiotuotteita ovat erityisesti jalokaasut krypton ja xenon, minkä lisäksi myös esimerkiksi jodi muodostaa kaasumaisia yhdisteitä reaktorin normaalissa käyttölämpötilassa. Suojakuoriputkien puhkeaminen vapauttaa jo onnettomuuden alkuvaiheessa kaasurakoon kerääntyneitä aineita reaktorin primäärikiertoon. Jalokaasujen ja jodin lisäksi helposti vapautuvia fissiotuotteita ovat cesiumin ja telluurin isotoopit, jotka alkavat kaasuuntua lämpötilan noustessa 1300°C asteeseen. Radionuklidien vapautuminen riippuu sydänvaurioiden laajuudesta sekä siitä, miten nopeasti sydänsula saadaan jäähdytettyä takaisin kiinteään olomuotoon. Monet polttoaineeseen syntyneistä isotoopeista alkavat vapautua vasta lämpötilan kohotessa tuhansiin asteisiin.

Reaktoriturvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen. Polttoaineen kiinteä olomuoto ja metallinen suojakuoriputki toimivat ensimmäisinä vapautumisesteinä radioaktiiviselle päästölle. Kevytvesireaktoreiden jäähdytyskierto on eristetty kokonaisuudessaan kaasutiiviin paineenkestävän suojarakennuksen sisälle, joten polttoaineen vaurioituminen tai sulaminen ei vielä aiheuta päästöä ympäristöön. Fukushimassa osa fissiotuotteista kulkeutui reaktorista purkautuneen höyryn mukana suojarakennusta kiertävään munkkirinkilän muotoiseen lauhdutusaltaaseen (kts. Fukushima-kirjoituksen kuva 2). Suojarakennuksen ilmatilaan päätyneet kaasumaiset radioaktiiviset aineet muodostivat jäähtyessään mikroskooppisia aerosoleja. Osa hiukkasista tarttui pintoihin, tai päätyi vesipisaroiksi tiivistyneen höyryn mukana suojarakennuksen pohjalle. Vaikka pitkään jatkunut ylipaineistuminen johti Fukushimassa lopulta myös uloimpien kulkeutumisesteiden pettämiseen, suuri osa radioaktiivisesta päästöstä pidättyi suojarakennusten sisälle.ii

Fukushimassa oli onnettomuuden alkaessa noin 6000 työntekijää, joista suurin osa evakuoitiin pian sen jälkeen kun laitosalueella julistettiin hätätila. Välttämättömiin pelastustöihin jäi aluksi noin 400 työntekijää, mutta määrä kasvoi huomattavasti seuraavien päivien aikana. Pelastustöiden kiireellisin vaihe kesti muutaman viikon. Ensimmäisten päivien aikana pelastustoimet keskittyivät reaktoreiden jäähdytykseen, mutta huomio kääntyi myöhemmin käytetyn polttoaineen varastoaltaisiin, joiden pelättiin kärsineen maanjäristyksessä vaurioita. Tilanne alkoi rauhoittua kun ulkoinen vedensyöttö vaurioituneisiin reaktoreihin saatiin toimimaan, ja polttoainealtaiden kunto oli varmistunut. Radioaktiiviset ilmapäästöt ajoittuivat muutama päivän jaksolle onnettomuuden alkuvaiheessa.

Onnettomuuden jälkihoitoon osallistui seuraavien 18 kuukauden aikana noin 25,000 työntekijää. Suurista ilmapäästöistä huolimatta säteilytaso ei missään vaiheessa noussut niin korkeaksi, että siitä olisi aiheutunut työntekijöille välitöntä hengenvaaraa. Suurin osa radioaktiivisista aineista jäi suojarakennusten sisälle, eivätkä pelastustyöt edellyttäneen kulkua pahimmin saastuneisiin tiloihin. Säteilytyöntekijöille asetetut annosrajat perustuvat tavallisesti 100 mSv kertymään viiden vuoden ajalta. Hätätilanteessa rajaa voidaan kuitenkin nostaa. Fukushimassa kriittisimpiä tehtäviä hoitaneiden työntekijöiden annosraja asetettiin väliaikaisesti 250 millisievertiin. Alempi 100 mSv:n raja ylittyi 167 työntekijällä, ja ylempi raja kuudella valvomotyöntekijällä, jotka saivat pääasiassa sisäistä säteilyannosta radioaktiivisesta jodista. Suurin mitattu annos oli 680 mSv. Säteilyaltistuksesta ei aiheutunut kenellekään välittömiä terveysvaikutuksia.iii

Huhtikuussa 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa ei ollut kyse sydämen sulamisesta, vaan huomattavasti aggressiivisemmasta tapahtumaketjusta. Epästabiiliin toimintatilaan ajetun reaktorin fissioteho karkasi hallitsemattomaan kasvuun, joka nosti lämpötilan niin korkeaksi, että osa polttoaineesta suli ja pirstaloitui ympäröivään jäähdytteeseen. Paineen nousu reaktorin jäähdytyskanavissa aiheutti massiivisen räjähdyksen, joka puhkaisi aukon reaktorirakennuksen kattoon. Kaikki sisäkkäiset vapautumisesteet menetettiin kerralla. Ilmassa leviävien kaasu- ja aerosolipäästöjen lisäksi myös erittäin korkea-aktiivisia polttoaineen sirpaleita levisi räjähdyksen voimasta laitosalueelle. Tilannetta pahensi reaktorikuilussa syttynyt tulipalo, joka vauhditti radioaktiivisten aineiden vapautumista.

Laitoksen henkilökunta ja sammutustöihin hälytetyt palomiehet altistuivat heti voimakkaalle säteilylle. Annosnopeus reaktorirakennuksen katolla, missä palomiehet joutuivat työskentelemään sammuttaessaan räjähdyksestä alkunsa saaneita palopesäkkeitä, oli tappavan korkea. Koska onnettomuus oli tapahtunut ilman minkäänlaista ennakkovaroitusta, pelastustyöntekijöillä ei myöskään ollut valmista suunnitelmaa säteilyaltistuksen rajoittamiseksi. Henkilökunnan käyttämät säteilyannosmittarit rekisteröivät annoskertymää ainoastaan 20 mSv:iin saakka, eikä palomiehillä ollut käytössään lainkaan mittareita. Tilanne oli kuitenkin saatava hallintaan, sillä tulipalo uhkasi levitä viereiselle laitosyksikölle. Ensimmäisen yön pelastustöihin osallistui noin 600 ihmistä. Seuraavien päivien kuluessa yli sata työntekijää toimitettiin säteilysairauden vuoksi hoitoon, ja sairauden aiheuttamiin komplikaatioihin kuoli lopulta 28 ihmistä. Kaikki kuolemaan johtaneet annokset saatiin onnettomuuden ensimmäisen vuorokauden pelastustöissä.

Kun pienemmät tulipalot oli sammutettu, myös kulkua reaktorirakennuksen pahimmin saastuneisiin tiloihin pystyttiin rajoittamaan. Reaktorikuilussa riehuneen tulipalon tukahduttaminen kesti kuitenkin toista viikkoa. Pitkäaikainen työskentely laitosalueella edellytti mittavia raivaustöitä säteilytason saattamiseksi edes siedettävälle tasolle. Työ jouduttiin tekemään suurelta osin käsin. Pahimmissa paikoissa annosnopeudet saattoivat nousta satoihin sieverteihin tunnissa (100 Sv/h = 100,000 mSv/h), jolloin raivaukseen osallistuneiden työntekijöiden annosrajat tulivat raskaasta suojavarustuksesta huolimatta täyteen alle minuutissa. Ainoa keino rajoittaa säteilyaltistusta oli raivaajien jatkuva kierrättäminen.

Raivaajat

Kuva 1: Pitkäaikainen työskentely Tšernobylin laitosalueella edellytti mittavia raivaustöitä. Työ jouduttiin tekemään suurelta osin käsin, ja siihen osallistui satoja tuhansia ihmisiä. Pahimmin saastuneissa paikoissa annosnopeudet nousivat niin korkeiksi, että työskentely jouduttiin rajoittamaan alle minuutin mittaisiin vuoroihin. Kun annosnopeudet laitosalueella oli saatu siedettävälle tasolle, räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen suojaksi alettiin rakentamaan betonista sarkofagia (kts. aikaisemman blogikirjoituksen kuva 4).

UNSCEAR:in tilastoihin on kerätty eri menetelmillä arvioituja säteilyannoksia yli 500,000 onnettomuuden jälkihoitoon osallistuneelta työntekijältä, joista noin puolet oli sotilaita. Eräiden arvioiden mukaan on kuitenkin mahdollista, että operaatioon osallistui vuosien 1986-1990 välisenä aikana jopa miljoona ihmistä. Tarkemman annosseurannan piirissä oli noin 250,000 raivaajaa ja pelastustyöntekijää, joiden säteilyannosten jakautuminen on esitetty alla olevassa taulukossa. Samaan taulukkoon on vertailun vuoksi kerätty myös Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden pelastus- ja raivaustöihin osallistuneiden työntekijöiden annosjakaumaa.

Efektiivinen säteilyannos Altistuneiden työntekijöiden lukumäärä
Tšernobyl 1986 Fukushima 2011
< 10 mSv 23,560 16,162
10 – 50 mSv 61,518 7,460
50 – 100 mSv 63,398 1,037
100 – 200 mSv 48,006 164
200 – 500 mSv 49,630 7
500 – 1000 mSv 543 2
> 1000 mSv 219

Luvuista ilmenee hyvin puhdistusoperaatioiden mittakaavaero. Tšernobylissä onnettomuuden jälkihoito vaati monikymmenkertaisen määrän työvoimaa. Erot säteilyannoksissa puolestaan selittyvät pitkälti sillä, että Tšernobylissä räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorisydämen kappaleita jouduttiin keräämään ympäri laitosaluetta. Fukushimassa sulanut polttoaine jäi reaktorirakennusten sisälle, eivätkä pelastustyöt missään vaiheessa edellyttäneet pitkäaikaista oleskelua sellaisissa tiloissa, joissa annosnopeus oli hengenvaarallisen korkea.

Ydinvoimalaonnettomuuden vakavuuteen vaikuttaa olennaisesti ympäristöön vapautuneen radioaktiivisen päästön suuruus. Reaktorissa säteilytetyn ydinpolttoaineen radionuklidi-inventaari muodostuu sadoista isotoopeista. Eri alkuaineiden isotoopit poikkeavat toisistaan kemiallisten ja fysiologisten ominaisuuksiensa osalta. Kuten edellä todettiin, eri aineiden vapautuminen riippuu myös sydänvaurioiden laajuudesta, sekä siitä, miten hyvin päästö saadaan pidätettyä suojarakennuksen sisälle. Säteilyaltistuksen kannalta merkittävien radionuklidien eliniät vaihtelevat tunneista kymmeniin vuosiin. Isotoopin ominaisaktiivisuus on kääntäen verrannollinen sen pitkäikäisyyttä kuvaavaan puoliintumisaikaan, joten kaikkein korkea-aktiivisimmat radionuklidit myös häviävät nopeimmin ympäristöstä. Hyvin pitkäikäisten isotooppien aktiivisuus on vastaavasti pieni.

Päästön kokonaisaktiivisuuden kannalta suurimman yksittäisen komponentin muodostaa tavallisesti xenonin isotooppi Xe133, joka hajoaa noin viiden päivän puoliintumisajalla. Koska xenon on kemiallisesti inertti jalokaasu, se vapautuu helposti vaurioituneesta polttoaineesta, ja karkaa ympäristöön heti jos suojarakennuksen tiiveys menetetään. Kaasumainen olomuoto ja kemiallinen sitoutumattomuus tarkoittavat toisaalta myös sitä, että Xe133 ei muodosta maan pinnalle kulkeutuvaa laskeumaa, jota voisi päätyä ravinnon tai juomaveden mukana elimistöön. Radioaktiiviset jalokaasut aiheuttavat pääasiassa ulkoista säteilyannosta onnettomuuden alkuvaiheessa. Vaikutus heikkenee pitoisuuksien laimentuessa, kun päästöpilvi hajoaa ja kulkeutuu tuulen mukana kauemmas lähteestä.

Väestönsuojelun kannalta merkittävimmät radionuklidit ovat jodin isotooppi I131 ja cesiumin isotooppi Cs137. Näiden isotooppien fissiotuotto on suuri, ne vapautuvat suhteellisen helposti vaurioituneesta polttoaineesta, ja ravintoketjun kautta elimistöön päästessään ne voivat aiheuttaa suuren sisäisen säteilyannoksen. Radioaktiivinen jodi kerääntyy kilpirauhaseen, ja suuri I131-altistus nostaa erityisesti lapsilla kilpirauhassyövän riskiä. Altistusta voidaan pienentää merkittävästi joditableteilla, joiden sisältämä stabiili jodi kyllästää kilpirauhasen, ja pienentää radioaktiivisen isotoopin imeytymistä.

I131:n puoliintumisaika on vain 8 päivää, joten se häviää luonnosta muutamassa kuukaudessa. 30 vuoden puoliintumisajalla hajoava Cs137 jää sen sijaan ympäristöön pitkäksi aikaa, ja sen pitoisuudet pienenevät pääasiassa laimenemalla laskeuman sekoittuessa vesistöihin ja painuessa syvemmälle maaperään. Cesium ei tavallisesti aiheuta väestölle I131:n kaltaista välitöntä säteilyhaittaa, vaan vaikutus syntyy kumulatiivisesti vuosien saatossa. Ympäristön korkea Cs137-pitoisuus voi asettaa rajoituksia asutukselle, sekä maa- ja metsätaloudelle. Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuslaitosten lähialueet on tyhjennetty asukkaista pääasiassa juuri väestön Cs137-altistuksen rajoittamiseksi. Tšernobyl-laskeumasta peräisin olevaa cesiumia löytyy edelleen myös Suomen luonnosta.

UNSCEAR:in arvio Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä on 5300 PBq. Vastaavat arviot Fukushiman päästöstä vaihtelevat välillä 340-800 PBq. Luvuista on jätetty pois jalokaasut (krypton + xenon), jotka eivät muodosta radioaktiivista laskeumaa maan pinnalle. Yksittäisten radionuklidien arvioituja ilmapäästöjä on kerätty alla olevaan taulukkoon. Fukushiman päästölukuihin liittyy edelleen suuria epävarmuuksia, ja annetut arvot edustavat eri lähteistä poimittuja ääripäitä. Suluissa olevat luvut ovat isotooppien puoliintumisaikoja.

Radionuklidi Arvioitu ilmapäästö (PBq)
Tšernobyl 1986 Fukushima 2011
Xe133 (5.2 d) 6,500 6,000 – 12,000
Kr85 (10.7 a) 33 6.4 – 32.6
Te132 (3.3 d) 1,150 0.76 – 162
I131 (8.0 d) 1,760 100 – 500
Cs134 (2.1 a) 47 8.8 – 50
Cs137 (30 a) 85 6 – 20
Sr90 (29 a) 10 0.0033 – 0.14
Np239 (2,4 d) 400 0.076
Pu241 (14.4 a) n. 2.6 < 0.0012

Tšernobylissä radioaktiiviset päästöt olivat peräisin yhdestä reaktorista. Fukushimassa sydämensulamisonnettomuus tapahtui kolmella laitosyksiköllä, minkä perusteella voisi helposti olettaa myös päästön olevan kolminkertainen. Todellisuudessa päästön suuruuteen vaikutti kuitenkin enemmän se, että Tšernobylissä radioaktiivisten aineiden vapautuminen tapahtui täysin hallitsemattomasti. Suurempi kokonaisinventaari näkyy Fukushiman päästöluvuissa lähinnä jalokaasuissa, joiden vapautumiseen reaktorin suojarakennustoiminnolla oli vähiten vaikutusta. Xenonin ja kryptonin isotooppien ilmapäästöt vertautuvat, tai ylimpien arvioiden mukaan jopa ylittävät Tšernobylin päästölukemat.

Matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia aineita edustavat taulukossa telluurin (Te132), jodin (I131) ja cesiumin (Cs134 + Cs137) isotoopit. Esimerkiksi jodipäästön kertaluokkaero selittyy sillä, että Tšernobylissä lähes kaikki polttoaineesta vapautunut I131 päätyi suoraan ympäristöön, kun taas Fukushimassa yli 90% inventaarista jäi polttoaineeseen tai pidättyi suojarakennusten sisälle. Ero 3500°C asteen lämpötilassa kaasuuntuvan strontiumin (Sr90) päästössä on vieläkin suurempi. Sama pätee aktinideihin, joita edustavat taulukossa neptuniumin ja plutoniumin isotoopit Np239 ja Pu241. Tšernobylissä reaktorin räjähdys vapautti polttoaineesta paljon sellaisia radionuklideja, jotka Fukushimassa jäivät sulaneeseen sydänmassaan.iv

Tšernobylin onnettomuudessa noin neljännes kokonaispäästöstä oli peräisin reaktorin räjähdyksestä. Suurin osa radioaktiivisista aineista vapautui reaktorikuilussa syttyneen tulipalon tuottamien kuumien palokaasujen mukana räjähdystä seuranneen 10 vuorokauden kuluessa. Päästöpilvi suuntautui ensimmäisten päivien aikana länteen ja pohjoiseen, mutta tuuli ehti päästön aikana muuttaa suuntaansa useampaan kertaan. Kaukokulkeuma muodostui pääasiassa aerosoleista ja kaasumaisista fissiotuotteista, ja radioaktiivista laskeumaa päätyi maan pinnalle erityisesti sateen mukana. Kaasu- ja aerosolipäästöjen lisäksi savukaasujen mukana kulkeutui myös pieniä polttoaineesta irronneita ”kuumia hiukkasia”. Suurin osa hiukkasista putosi kymmenien kilometrien säteelle onnettomuuslaitoksesta, mutta kevyimmät niistä saattoivat kulkeutua satoja kilometrejä. Kuumia hiukkasia löydettiin onnettomuuden jälkeen myös Suomesta.v

Suurin väestökeskittymä laitoksen lähellä oli kolmen kilometrin päässä sijaitseva 45,000 asukkaan Pripjatin kaupunki. Reaktorin räjähdys tapahtui lauantaina aamuyöllä. Ensimmäinen päästöpilvi kulkeutui eteläpuolelta kaupungin ohi, mutta lauantai-iltaa kohden annosnopeudet alkoivat kohota. Seuraavana yönä säteilytaso oli noussut niin korkeaksi, että viranomaiset tekivät päätöksen Pripjatin evakuoimisesta. Operaatio aloitettiin sunnuntaiaamuna, ja iltapäivään mennessä kaupunki oli tyhjennetty asukkaista.vi Evakuointivyöhykettä laajennettiin pian kymmenen, ja sitten 30 kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta. Yhteensä noin 116,000 ihmistä joutui jättämään pysyvästi kotinsa. Myöhempinä vuosina pahimmin saastuneilta alueilta evakuoitiin vielä 210,000 ihmistä.

Pahin laskeuma päätyi 150,000 neliökilometrin alueelle Ukrainaan, Valko-Venäjälle ja Venäjän länsiosiin. Alueella asui noin 6 miljoonaa ihmistä. Suurin säteilyvaikutus oli radioaktiivisella jodilla. Laskeuma-alueella oli paljon maataloutta, jonka suojaaminen olisi voinut vähentää paikallisen väestön saamaa säteilyannosta merkittävästi. Puutteellisen ohjeistuksen ja tiedon kulkuun liittyneiden ongelmien vuoksi jodin saastuttamaa maitoa ja muita elintarvikkeita päätyi kuitenkin kulutukseen, mikä aiheutti suuria kilpirauhasannoksia erityisesti lapsille. Muualla Euroopassa laskeuma jäi pienemmäksi, ja saastuneiden elintarvikkeiden päätyminen markkinoille pystyttiin estämään. Lyhyen puoliintumisaikansa vuoksi Tšernobylin onnettomuuden aiheuttamasta I131-laskeumasta ei ole kattavia mittaustietoja. Pitkäikäisen Cs137:n pitoisuudet pahimmin saastuneella alueella on esitetty kuvassa 2.

Laskeuma

Kuva 2: Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttama Cs-137 -laskeuma pahimmin saastuneilla alueilla Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa. Mielivaltaisilta vaikuttavat aktiivisuusrajat perustuvat vanhoihin curie-yksiköihin (1 ci = 37 GBq). Lähde: UNSCEAR.

Suomessa ensimmäiset havainnot kohonneesta säteilytasosta tehtiin sunnuntaina 27.4, hieman yli vuorokausi reaktorin räjähdyksen jälkeen. Korkeimmillaan säteilytaso kohosi noin viiteen mikrosievertiin tunnissa (5 µSv/h = 0.005 mSv/h). Lukema vertautuu kosmisen säteilyn aiheuttamaan annosnopeuteen matkustajakoneen matkalentokorkeudessa. Kohonnut säteilytaso ei edellyttänyt välittömiä suojaustoimenpiteitä (esim. sisälle suojautuminen tai joditabletit), mutta jodialtistuksen pienentämiseksi viranomaiset antoivat suosituksia sadeveden käyttöön, vihannesten kevätistutukseen ja lehmien laiduntamiseen liittyen. Myös elintarvikkeiden säteilyvalvontaa tehostettiin. Suomessa Tšernobyl-laskeumaa tuli eniten Pirkanmaan, Hämeen ja Kymenlaakson seuduille. Suurimmat mitatut Cs137-pitoisuudet olivat n. 80 kBq/m2. Onnettomuudesta kuluneen kolmen vuosikymmenen aikana radioaktiivinen hajoaminen on pienentänyt Cs137-päästön aktiivisuutta noin puoleen. Ympäristöstä mitatut pitoisuudet ovat kuitenkin laskeneet nopeammin radioaktiivisten aineiden laimenemisen myötä.

Tšernobyl-laskeuma kattoi lopulta koko läntisen ja pohjoisen Euroopan. Laskeuma-alueella asui onnettomuuden aikaan yli 600 miljoonaa ihmistä. Näin suuren väestön saamaa säteilyaltistusta on vaikea esittää tiivistetysti, sillä jo pelkästään paikallinen vaihtelu erityisesti pahimmin saastuneilla alueilla oli huomattavan suurta. Eri väestöryhmien saamat keskimääräiset efektiiviset säteilyannokset antavat kuitenkin jonkinlaisen käsityksen suuruusluokista. UNSCEAR:in tilastojen mukaiset annokset on esitetty alla olevassa taulukossa. Efektiivisen kokokehoannoksen lisäksi väestötilastoihin on kerätty ekvivalenttiannoksia kehon eri osille. Erityisesti I131:n aiheuttama suuri kilpirauhasannos on yhdistetty kohonneeseen syöpäriskiin.

Väestöryhmä Väestön koko Keskim. annos
Pelastustyöntekijät ja raivaajat a 500,000 117 mSv
Evakuointivyöhykkeen asukkaat b 115,000 31 mSv
Väestö pahimmin saastuneella alueella c 6,400,000 9 mSv
Väestö muualla entisen NL:n alueella 98,000,000 1.3 mSv
Väestö muualla Euroopassa 500,000,000 0.3 mSv

a Pelastustyöntekijöiden ja raivaajien annoskertymä on laskettu vuosilta 1986-1990.
b Lähialueen asukkaiden saama säteilyannos ennen evakuointia.
c Pahimmin saastuneella alueella viitataan kuvassa 2 esitettyyn 150,000 km2 alueeseen Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa, missä Cs137-laskeuma ylitti 37 kBq/m2 (1 µci/m2).

Pahimmin altistuneen ryhmän muodostavat ne puoli miljoonaa työntekijää, jotka osallistuivat onnettomuutta seuranneiden kuukausien aikana pelastus- ja raivaustöihin voimalaitosalueella. Tämän ryhmän keskimääräiseksi säteilyannokseksi on arvioitu n. 120 mSv, mikä ylittää esimerkiksi säteilytyöntekijöille yleisesti käytetyn 100 mSv viiden vuoden annosrajan. Myös paikalliset asukkaat Pripjatissa ja Tšernobylin lähialueilla altistuivat suurelle päästölle heti onnettomuuden alkuvaiheessa. Evakuoidun väestön altistus jäi kuitenkin suhteellisen lyhytaikaiseksi.vii Yllä olevassa taulukossa evakuointivyöhykkeen ulkopuolella asuva väestö on jaettu kolmeen ryhmään, joiden annokset on laskettu 20 vuoden kertyminä.

Länsi-Eurooppaan verrattuna Tšernobyl-laskeumaa tuli Pohjoismaihin suhteellisen paljon. Säteilyturvakeskuksen arvion mukaan onnettomuus tulee aiheuttamaan suomalaisille keskimäärin noin 2 millisievertin ylimääräisen säteilyannoksen 50 vuoden aikajaksolla (huom. yllä olevan taulukon kolme viimeistä lukua ovat 20 vuoden kertymiä). Samalla aikavälillä säteilyannosta kertyy luonnollisesta taustasäteilystä ja muista lähteistä (esim. lääketieteelliset toimenpiteet) lähes satakertainen määrä (184 mSv). Ensimmäisten onnettomuuden jälkeisten vuosien osuus annoskertymästä on suhteellisen suuri (kts. kuva 3), joten esimerkiksi vuoden 1990 jälkeen syntyneillä lisäys on vastaavasti pienempi.

Annokset

Kuva 3: Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden radioaktiivisesta laskeumasta suomalaisille aiheutunut keskimääräinen efektiivinen säteilyannos vuosina 1986-2004. Nykyisin keskivertosuomalaisen vuosiannos on yhteensä n. 3.2 mSv, josta puolet on peräisin sisäilman radonista. Tšernobyl-laskeuman osuus on 0.02 mSv, eli alle prosentti kokonaisannoksesta. Lähde: STUK.

Fukushiman onnettomuuden tuntuvimmat ympäristövaikutukset rajoittuivat laitospaikan lähellä oleviin prefektuureihin Japanin itärannikolla. Suurimmat ilmapäästöt tapahtuivat kolmosyksikön paineenalennuksessa sunnuntaina 13.3., ja kakkosyksiköllä tiistaina 15.3., kun reaktorin suojarakennuksen tiiveys petti täysi korkean paineen alla. Pienempiä päästöpiikkejä aiheuttivat muiden laitosyksiköiden paineenalennukset, sekä ykkös- ja kolmosyksiköillä tapahtuneet vetyräjähdykset, joissa reaktorirakennusten yläosaan pikkuhiljaa kertyneet radioaktiiviset aineet vapautuivat kerralla ilmaan.

Tuuli- ja sääolosuhteet vaihtelivat ensimmäisten onnettomuusviikkojen aikana. Suurin osa radioaktiivisista aineista (~80%) kulkeutui tuulen mukana merelle, mutta laskeumaa päätyi paljon myös maan pinnalle. Pahiten saastunut alue muodostaa kapean kaistan, joka suuntautuu luoteeseen noin 40 kilometrin päähän onnettomuuslaitoksesta. Tällä alueella suurimmat Cs137-pitoisuudet vertautuvat Tšernobylin onnettomuuden pahimpiin laskeuma-alueisiin Ukrainan ja Valko-Venäjän rajalla (kts. kuva 2). Kun reaktoreiden ulkoinen vedensyöttö saatiin toimimaan, myös radioaktiivisten aineiden vapautuminen sulaneesta polttoaineesta loppui. Sydänsula jähmettyi suojarakennuksen betoniselle pohjalaatalle. Huhtikuun alussa ilmapäästöt olivat pudonneet noin tuhannesosaan, ja kesään mennessä laitosalueen ilmasta mitattiin enää häviävän pieniä Cs137-pitoisuuksia (alle 1 Bq/m3).

Ongelmat Fukushimassa eivät kuitenkaan loppuneet siihen, että ilmapäästöt saatiin hallintaan. Reaktoreihin jouduttiin syöttämään onnettomuuden alkuvaiheessa ulkoisia palovesilinjoja pitkin suuri määrä vettä, joka keräsi mukaansa radioaktiivisia aineita. Kontaminoitunutta vettä päätyi erityisesti kakkosyksiköllä suojarakennuksen vuotokohtien kautta reaktorirakennuksen kellaritiloihin, ja sitä kautta ympäristöön. Edellä esitetyn taulukon ilmapäästöjen lisäksi yhteensä 10-20 PBq radioaktiivista jodia ja 3-6 PBq cesiumia pääsi maalis-huhtikuun aikana vuotamaan Tyyneen valtamereen. Suurin päästö (4.7 PBq) havaittiin heti huhtikuun alussa, kun korkeasti radioaktiivista vettä kulkeutui betoniseen kaapelitunneliin syntyneen halkeaman kautta suoraan mereen. Kun pahimmat vuotokohdat saatiin korjattua ja suljettu jäähdytyskierto toimimaan, myös merivesipäästöt putosivat lähelle nollaa.

Väestönsuojelutoimenpiteet käynnistettiin Fukushimassa heti onnettomuuden alkuvaiheessa. Yli 50,000 ihmistä evakuoitiin 10 km säteeltä ennen ykkösyksikön paineenalennusta ja pian sen jälkeen tapahtunutta vetyräjähdystä, jotka olivat ensimmäiset merkittävät radioaktiiviset päästöt ympäristöön. Evakuointivyöhykettä laajennettiin myöhemmin vielä 20 kilometriin. Alueella asui yhteensä noin 78,000 ihmistä. Näiden toimenpiteiden ansiosta väestön säteilyaltistus jäi onnettomuuden alkuvaiheessa pieneksi.viii Enimmillään evakossa oli yli 160,000 ihmistä, joista suurin osa on sittemmin päässyt palaamaan kotiinsa.

UNSCEAR:in Fukushima-raportissa on esitetty yksityiskohtaisia arvioita eri väestöryhmien säteilyaltistuksesta ensimmäisen vuoden ajalta onnettomuuden jälkeen, sekä pitkän aikavälin annoskertymiä. Fukushiman prefektuurissa koko ikänsä asuvan japanilaisen arvioidaan saavan korkeintaan 18 millisievertin lisän efektiiviseen säteilyannokseensa. Muilla lähialueilla vastaavaksi annoskertymäksi on arvioitu korkeintaan 6.4 mSv, ja muualla japanissa 0.9 mSv. Luonnon taustasäteilystä ja lääketieteellisistä toimenpiteistä saatava keskimääräinen elinikäinen annoskertymä mitataan sadoissa millisieverteissä.

Vakavan reaktorionnettomuuden aiheuttamia päästöjä pystytään mittaamaan ympäristöön kulkeutuneesta radioaktiivisesta laskeumasta. Myös ihmisten säteilyaltistusta voidaan arvioida joko suorilla mittauksilla, tai laskennallisesti ulkoisen annosnopeuden ja elimistöön kertyneiden radioaktiivisten aineiden perusteella. Edellä esitetyt becquerelit ja sievertit eivät silti välttämättä anna minkäänlaista konkreettista käsitystä Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuksien seurauksista. Syy tähän on ennen kaikkea arkielämän vertailukohdan puuttuminen. Säteily ei varsinaisesti ole kaukana arkitodellisuudesta, sillä esimerkiksi keskimääräisen suomalaisasunnon huoneilmassa tapahtuu joka sekunti yli 10,000 radioaktiivisen radon-222 -ytimen hajoamista, mutta vaikka säteilyaltistus on jatkuvaa, se tapahtuu täysin huomaamatta.

Konkreettisen suuruusluokkamittarin puuttumisesta huolimatta säteilyyn ja ydinvoimalaonnettomuuksiin liittyy kuitenkin vahvoja mielikuvia. Viikko Fukushiman onnettomuuden jälkeen suuren suomalaisen mediatalon kirjeenvaihtaja otsikoi Tokiosta: ”Täällä on todellakin pian kuoleman vaara.” Annosnopeus oli tässä vaiheessa mitattavasti koholla, mutta korkeintaan tasolla joka vastasi kosmisen taustasäteilyn voimakkuutta Tokion ja Helsingin välisellä reittilennolla. Uutinen kuvaa hyvin sitä, kuinka ilman vertailukohtaa muodostetut mielikuvat voivat viedä johtopäätöksiä pahasti harhaan.

Säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamien terveyshaittojen hahmottaminen on vieläkin haastavampaa, sillä kyse ei ole edes suoraan mitattavissa olevista vaikutuksista, vaan väestötasolla ilmenevistä poikkeamista esimerkiksi syöpätilastoissa. Säteilyn aiheuttaman mutaation kehittyminen syöväksi on satunnaisprosessi, jonka kulkua on altistumisen hetkellä täysin mahdoton ennustaa. Toisaalta syöpää esiintyy myös luonnostaan kaikissa väestö- ja ikäryhmissä, eikä yksittäinen syöpätapaus yleensä anna minkäänlaisia merkkejä siitä, mistä ensimmäisen syöpäsolun synnyttänyt mutaatio sai alkunsa.

Välittömän (deterministisen) terveyshaitan sijaan kyse onkin todennäköisyyksistä ja tilastollisista (stokastisista) riskeistä. Esimerkiksi kilpirauhaseen kertyvä radioaktiivinen jodi kasvattaa riskiä sairastua kilpirauhassyöpään. Tilastollinen yhteys jodialtistuksen ja syöpäriskin välillä on erityisen vahva lapsilla, joilla syöpätyyppi on muuten harvinainen. Toinen korkeaan säteilyannokseen liitetty syöpä on luuytimen valkosolutuotantoon vaikuttava leukemia, joka voi kehittyä jo suhteellisen nopeasti altistuksen jälkeen.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen Ukrainan ja Valko-Venäjän pahimmilla laskeuma-alueilla havaittiin lasten kilpirauhassyövässä selvä tilastollinen kohoaminen. Vuoteen 2016 mennessä syöpätapauksia on ilmennyt noin 10,000, mikä ylittää moninkertaisesti sairauden luonnollisen esiintyvyyden. Seurantatutkimuksissa on kiinnitetty erityistä huomiota myös laitosalueen pelastus- ja raivaustöihin osallistuneisiin ihmisiin, joiden terveydentilaa on seurattu jo kolmen vuosikymmenen ajan. Pahimmin altistuneen n. 100,000 työntekijän joukossa on tänä aikana ilmennyt joitakin kymmeniä ylimääräisiä leukemiatapauksia. Tilastollisen yhteyden merkittävyydestä ei kuitenkaan vallitse täysin yksimielistä käsitystä, sillä lisäys ylittää vain niukasti leukemiatapausten luonnollisen satunnaisvaihtelun.

Muiden väestöryhmien syöpätilastoissa Tšernobylin onnettomuus ei ole näkynyt.ix Vaikka tulos saattaa mielikuvatasolla vaikuttaa väärältä, se on itse asiassa varsin hyvin linjassa sen kanssa, mitä säteilyn karsinogeenisistä vaikutuksista tiedetään. Epidemiologisissa tutkimuksissa kohonnut syöpäriski on pystytty yhdistämään lyhyellä aikavälillä saatuun yli 100 mSv kokokehoannokseen. Laskeuma-alueen väestön säteilyaltistus jäi selvästi tämän rajan alapuolelle (kts. edellä esitetty taulukko). Se, ettei yhteyttä ole havaittu, ei kuitenkaan tarkoita etteikö sellaista voisi olla. Tilastollisen korrelaation määrittäminen ei vain yksinkertaisesti ole mahdollista, jos vaikutus hukkuu täysin aineiston satunnaiskohinaan.

Myöskään Fukushiman onnettomuus ei ole aiheuttanut havaittavia poikkeamia syöpätilastoissa, edes säteilylle herkimpien syöpätyyppien osalta. Onnettomuudesta on kulunut vasta suhteellisen vähän aikaa, mutta väestön saaman säteilyaltistuksen perusteella tilastoissa näkyviä vaikutuksia ei ole odotettavissa myöskään tulevaisuudessa. Varhaisessa vaiheessa toteutettu evakuointi rajoitti väestön säteilyaltistusta merkittävästi, ja Tšernobylistä poiketen myös lähes kaikkien pelastustöihin osallistuneiden työntekijöiden annokset jäivät 100 mSv:n riskirajan alapuolelle.

Vaikka yhteyttä väestön säteilyaltistuksen ja kohonneen syöpäriskin välillä ei ole pystytty tilastollisesti osoittamaan, ydinvoimalaonnettomuuksien syöpävaikutuksista on esitetty paljon laskennallisia arvioita. Kaikkien tällaisten arvioiden taustalla on oletus säteilyannoksen ja syöpäriskin välisestä korrelaatiosta, joka perustuu yleensä suurten (paljon yli 100 mSv) annosten ja lineaarisen ekstrapolaation pohjalta laadittuun nk. LNT-malliin (kts. aikaisempi blogikirjoitus). Laskennallisilla ennusteilla voidaan yrittää arvioida esimerkiksi sitä syöpävaikutusta, joka tilastoissa hukkuu satunnaiseen kohinaan. LNT-mallin tulokset eivät kuitenkaan ole yksikäsitteisiä, sillä ennustettujen syöpätapausten lukumäärä riippuu myös siitä, miten tarkasteltavan väestön koko on valittu, eli miten pieniin annoksiin säteilyaltistuksen ja syöpäriskin välinen korrelaatio halutaan ulottaa.

LNT-mallin ongelmat liittyvät pitkälti sen antamien tulosten tulkintaan. Tämä pätee erityisesti pieniin ja pitkällä aikavälillä saatuihin säteilyannoksiin, joiden osalta mallin tiedetään suurella todennäköisyydellä yliarvioivan syöpäriskiä. Esimerkiksi kansainvälinen säteilysuojelutoimikunta ICRP (International Commission on Radiation Protection) soveltaa LNT-mallia antaessaan suosituksia väestönsuojelutoimenpiteille ja säteilytyöntekijöiden annosrajoille.x Todellisen riskin yliarviointi ei tällöin ole ongelma, sillä ennalta ehkäisevissä toimissa varovaisuusperiaatteen noudattaminen on varsin perusteltua. Suuruusluokkaa kuvaavien ennusteiden sijaan ekstrapoloimalla saatujen tulosten yhteydessä olisi kuitenkin syytä puhua yläraja-arvioista. Mitä pienempiin annoksiin ekstrapolaatio ulotetaan, sitä suuremmaksi kasvaa myös mallin konservatiivisuus ja tulosten varmuusmarginaali.

Jo altistuneen väestön syöpäriskin arviointiin pessimistisiä tuloksia tuottava malli soveltuu sen sijaan huonosti. Kuten aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, asiantuntijapiireissä on viime vuosina alettu kallistumaan yhä enemmän sille kannalle, että säteilyn suurelle väestölle aiheuttamista terveysvaikutuksista ei pitäisi esittää minkäänlaisia laskennallisia arvioita silloin, kun altistus on ollut samaa suuruusluokkaa luonnollisen taustasäteilyn kanssa (kts. esim. Health Physics Societyn julkilausuma vuodelta 2016). Tämä tarkoittaa käytännössä myös kaikkia niitä ennusteita, jotka koskevat Tšernobylin ja Fukushiman laskeuma-alueilla asuvaa väestöä.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus jätti jälkeensä 2,600 neliökilometrin alueen, jonka sisällä säteilytaso on paikoitellen edelleen selvästi koholla. Alueen koko vastaan suunnilleen pääkaupunkiseudun ja ympäryskuntien yhteenlaskettua pinta-alaa. Evakuointivyöhyke jätettiin käytännössä täysin heitteille, ja vaikka alue muuttuisi muutaman Cs137:n puoliintumisajan kuluessa uudelleen asumiskelpoiseksi, vuosikymmenien saatossa rapistuneet rakennukset, tiet ja muu infrastruktuuri jouduttaisiin rakentamaan kokonaan uusiksi. Todennäköisempää on, että vuoteen 1986 pysähtynyt Pripjatin kaupunki jää lähialueineen pysyvästi lähinnä turistinähtävyydeksi.

Fukushiman osalta Japanin hallinnon suunnitelma on puhdistaa ja palauttaa alue uudelleen käyttöön. Alkuperäisen evakuointivyöhykkeen sisällä olevia kyliä on jo vapautettu evakuointimääräyksistä, ja esimerkiksi laskeuma-alueella sijaitsevassa Iitaten kylässä aloitettiin riisinviljely uudestaan kuuden vuoden tauon jälkeen toukokuussa 2017. Säteilytaso on monissa paikoissa Japanin luonnollisen säteilytaustan yläpuolella, mutta vastaavia annosnopeuksia on mitattu Suomesta korkean radonpitoisuuden alueilta. Pois muuttaneet asukkaat eivät kuitenkaan ole olleet tyytyväisiä viranomaisten tapaan hoitaa asioita. Monet menettivät onnettomuudessa omaisuutensa ja elinkeinonsa, ja odottavat edelleen korvauksia kärsimistään vahingoista. Asukkaat eivät myöskään täysin luota hallinnon lupauksiin kotiinpaluun turvallisuudesta. Alueen jälleenrakennusta tuskin saadaan toteutettua halutulla tavalla ennen kuin luottamus päättäjiin on saatu palautettua.


i) Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuteen liittyvät luvut ja tilastot ovat pääosin peräisin UNSCEAR:in vuoden 2008 raportista, ja Fukushiman luvut UNSCEAR:in raportista vuodelta 2013.

ii) Suojarakennuksen tarkoitus on estää kokonaan reaktorin primääripiiristä purkautuvien radioaktiivisten aineiden vapautuminen ympäristöön. Fukushiman laitokset edustivat tältä osin 1960-luvun turvallisuussuunnittelua, jossa oli varauduttu huonosti suureen sydänvaurioon ja pitkittyneeseen paine- ja lämpökuormaan. Suomen vanhoilla ydinvoimalaitoksilla vakavien reaktorionnettomuuksien hallintaan on tehty jälkikäteen useita parannuksia, ja uuden sukupolven laitoksissa sydämen sulaminen on otettu lähtökohtaisesti huomioon jo suunnitteluvaiheessa. Esimerkiksi Olkiluodon EPR-laitoksessa reaktorin alapuolelle on asennettu erityinen ”sydänsieppari”, jonka tehtävä on ottaa vastaan ja jäähdyttää sulanut polttoaine reaktoripaineastian puhkeamisen jälkeen.

iii) Aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, että säteilyn välittömiä terveysvaikutuksia aiheuttavaa absorboitunutta annosta mitataan gray-yksiköissä (Gy). Tämän rinnalla käytetään tavallisesti myös sievert-yksikköä, joka tosin täsmällisesti tulkittuna mittaa säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamaan terveysriskiin liittyvää efektiivistä annosta. Monissa yhteyksissä absorboitunut ja efektiivinen annos ovat sama luku, jonka yksikkönä käytetään yksinkertaisuuden vuoksi sievertiä. Samaa käytäntöä on noudatettu myös tässä blogikirjoituksessa. Kerrannaisyksikkö millisievert (mSv) tarkoittaa vastaavasti sievertin tuhannes-, ja mikrosievert (μSv) miljoonasosaa. Säteilysairauden oireita voi alkaa esiintyä kun lyhyellä aikavälillä saatu kokokehoannos on 1000 mSv:n suuruusluokkaa. Hengenvaaralliseksi luokiteltava annos on n. 5000 mSv, ja yli 10,000 mSv:n annos johtaa hoidosta riippumatta lähes varmasti kuolemaan.

iv) Np239 on voimakas beta- ja gammasäteilyn lähde. Se, että kaasumaisten päästöjen lisäksi myös neptuniumia ja muita vaikeasti vapautuvia lyhytikäisiä radionuklideja sisältäviä polttoainehiukkasia pääsi leviämään räjähdyksen vaikutuksesta laitosalueelle, saattoi olla merkittävä syy Tšernobylin onnettomuuden pelastustöihin osallistuneiden työntekijöiden suurille säteilyannoksille.

v) Aerosolit ja kuumat hiukkaset eroavat toisistaan hiukkaskoon ja syntytavan osalta. Aerosoleja muodostuu kaasumaisten radioaktiivisten aineiden jäähtyessä ja tiivistyessä yhteen mikroskooppisen pieniksi hiukkasiksi (kokoluokka kymmeniä tai satoja nanometrejä). Päästö koostuu erityisesti matalassa lämpötilassa kaasuuntuvista fissiotuotteista, kuten jodista, cesiumista ja telluurista. Kuumilla hiukkasilla puolestaan viitataan ydinpolttoaineesta mekaanisesti irronneisiin hiukkasiin, jotka ovat halkaisijaltaan vähintään kymmeniä mikrometrejä. Hiukkasten koostumus vastaa säteilytettyä polttoainetta, ja ne voivat sisältää myös sellaisia aineita, jotka eivät korkean kaasuuntumislämpötilansa vuoksi muodosta helposti aerosoleja (esim. strontium, neptunium ja plutonium). Yksittäisen kuuman hiukkasen aktiivisuus voi olla hyvin suuri. Tšernobylissä laitoksen lähiympäristöstä löydettiin onnettomuuden jälkeen hiukkasia, joilla oli aktiivisuutta miljoonia becquerelejä. Suomeen saakka kulkeutuneet hiukkaset olivat selvästi pienempiä, ja niiden aktiivisuus mitattiin tavallisesti sadoissa becquereleissä.

vi) Neuvostoviranomaisten IAEA:lle vuonna 1986 toimittamassa INSAG-1 -raportissa kerrottiin aluksi, että Pripjatin kaupungin asukkaat määrättiin suojautumaan sisätiloihin heti reaktorin räjähdyksen jälkeen, ja koulut ja päiväkodit pidettiin seuraavana päivänä suljettuna. Myöhemmin on kuitenkin selvinnyt, että mittaviin väestönsuojelutoimenpiteisiin ei todennäköisesti ryhdytty ennen päätöstä kaupungin evakuoimisesta. Raportissa esitetyt tahallisesti vääristellyt tiedot tekivät suurta vahinkoa onnettomuustutkinnalle, ja tiedotuksessa ja väestönsuojelutoimissa tehtyjen virheiden peittely söi myös kansainvälisten riippumattomien selvitysten uskottavuutta. Samassa INSAG-1 -raportissa onnettomuuden syy yritettiin vierittää laitoksen käyttöhenkilökunnan niskoille, ja myytti syyllisyydestä elää edelleen vahvana.

vii) Monissa medialähteissä on kerrottu, että Pripjatin asukkaat kärsivät pian reaktorin räjähdyksen jälkeen säteilysairauden oireista, kuten pahoinvoinnista ja palovammoista iholla. UNSCEAR:in raporteissa ei kuitenkaan ole mainintaa siitä, että väestön saamat säteilyannokset olisivat aiheuttaneet kuolemia tai välittömiä terveysvaikutuksia. Kun päätös Pripjatin evakuoimisesta tehtiin, ulkoisen säteilyn annosnopeus kaupungissa oli kohonnut noin sataan mikrosievertiin tunnissa, mikä on esimerkiksi suomalaisissa valmiusohjeissa sisälle suojautumisen raja. Säteilysairaus edellyttää kuitenkin lähes tappavan korkeaa kerta-annosta (> 1 Sv), eli vuorokauden aikaskaalassa altistumista satoja kertoja korkeammalle säteilytasolle. Uutisten taustalla saattaa olla se, että kaupungin sairaalaan tuotiin seuraavan päivän aikana hoitoon pelastustöihin osallistuneita palomiehiä ja työntekijöitä, jotka kärsivät vakavista säteilysairauden oireista. Tiedon kulkua rajoitettiin, eikä sairaalan henkilökunnalla välttämättä ollut tarkkaa käsitystä siitä, missä potilaat olivat altistuksensa saaneet.

viii) Fukushiman onnettomuutta seuranneilla evakuointitoimenpiteillä väestön säteilyaltistus saatiin pienennettyä noin kymmenesosaan. Viranomaisten toimintaa on kuitenkin myös arvosteltu, sillä evakuoinneissa kuoli yli 50 henkeä. Suurin osa kuolleista oli huonokuntoisia vanhuksia, joille ei puutteellisissa olosuhteissa kyetty tarjoamaan asianmukaista hoitoa. Tässä yhteydessä on kuitenkin syytä muistaa, että päätös evakuoinnista tehtiin valitsevan tilannekuvan mukaan, ja taustalla oli myös varautuminen vielä suurempaan radioaktiiviseen päästöön.

ix) UNSCEAR:in vuoden 2008 Tšernobyl-raporttiin on koottu yhteenvetoa eri väestöryhmille tehdyistä syöpätutkimuksista. Vaikka yksittäisissä tutkimuksissa on havaittu tilastollisia poikkeamia, ne ovat pääsääntöisesti jääneet luonnollisen satunnaisvaihtelun alapuolelle. Edellä mainittujen syöpätyyppien lisäksi korkea säteilyannos voidaan yhdistää kaihiin (silmän mykiön samentuminen), sekä sydän- ja aivoverenkierron sairauksiin, joiden esiintyvyys on pelastustyöntekijöiden joukossa koholla.

x) ICRP käyttää säteilysuojelutarkoituksissa pienille annosnopeuksille nimellistä todennäköisyyskerrointa 5%/Sv, mikä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi 100 mSv:n efektiivisen annoksen saaneella ihmisellä on laskennallisesti 0.5% todennäköisyys sairastua säteilystä aiheutuvaan kuolemaan johtavaan syöpään elämänsä aikana. Keskivertosuomalaisen Tšernobyl-laskeumasta saama 2 mSv:n elinikäinen annoskertymä antaa laskennalliseksi syöpäkuoleman riskiksi vastaavasti 0.01%. Keskimäärin syöpään sairastuu elämänsä aikana noin kolmannes ihmisistä, joten kokonaisriskiin suhteutettuna lisäys on varsin pieni. Vertailun vuoksi esimerkiksi päivittäisen tupakoinnin aiheuttama lisäys keuhkosyöpäriskiin voi olla suuruusluokkaa 2000%.

Ilmastonmuutos ja ydinvoima

Jaakko Leppänen – 5.10.2018

Helsingin Sanomat uutisoi syyskuussa kyselytutkimuksesta, jonka mukaan suomalaisista joka kymmenes, ja nuorista aikuisista lähes joka viides uskoo ydinvoiman olevan eniten hiilidioksidipäästöjä aiheuttava energiamuoto. Tulos ei oikeastaan yllätä. Energiasta ja ilmastonmuutoksesta puhutaan paljon, mutta aiheet ovat keskittyneet tuulivoiman ja muun uusiutuvan energiantuotannon ympärille. Kuumia keskusteluaiheita ovat myös energiajärjestelmän tehostaminen, tulevaisuuden älykkäät sähköverkot, sekä tuotantoylijäämän tasaamiseen tähtäävän akkuteknologian kehitys. Ydinvoima sen sijaan nostetaan ilmastoyhteyksissä keskusteluun harvoin. Ei siis liene lainkaan yllättävää, että suurelle yleisölle piirtyy ydinvoimasta mielikuva vahingollisena, tai vähintään marginaalisena keinona ilmastonmuutoksen torjunnassa.

Miten paljon ydinvoima sitten lopulta vaikuttaa Suomen kasvihuonekaasupäästöihin, ja mikä on sen tulevaisuuden rooli niiden vähentämisessä? Tuuli- ja aurinkoenergian tapaan perinteinen ydinvoimalaitos tuottaa energiaa sähkön muodossa, joten ensimmäinen kysymys on: mitkä ovat eri energialähteiden osuudet sähköntuotannosta ja sen aiheuttamista ilmastopäästöistä? Se, miten paljon sähköntuotanto ylipäänsä aiheuttaa päästöjä, ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen kysymys. Huomattava osa sähköstä syntyy yhteistuotantona teollisuuden prosessilämmön ja kaukolämmöntuotannon yhteydessä, joten myöskään kaikkia päästöjä ei ole syytä laskea yksin sähköntuotannon piikkiin. Toinen epävarmuutta aiheuttava tekijä on bioenergian suuri osuus, joka kumpuaa siitä, että Suomessa on paljon energiaomavaraista metsäteollisuutta. Prosessin sivutuotteena syntyvän biomassan polttaminen päästää ilmaan kasvihuonekaasuja, mutta hiilidioksidia sitoutuu samalla kasvavaan metsään. Bioenergian nettopäästöt riippuvat siitä, miten nopeasti tämä kierto tapahtuu. Merkittävä osa Suomessa käytettävästä sähköstä tuodaan ulkomailta, joten myös kotimaisen tuotannon vaihtelu on vuositasolla suurta.

Lähdin etsimään vastausta edellä esitettyyn kysymykseen käyttäen aineistona pääasiassa Tilastokeskuksen vuoden 2017 pikaennakkotietoja.i Laskennassa on tehty tiettyjä yksinkertaistuksia, esimerkiksi bioenergia on oletettu tilastoissa hiilidioksidineutraaliksi, ja turpeen osuuden olen itse lisännyt fossiilisiin polttoaineisiin. Nettopäästöihin pitäisi todellisuudessa laskea mukaan myös ns. LULUCF-sektori, joka kuvaa maankäytön ja metsätalouden sitomaa hiilidioksidia. Vaikka lopputulos ei tältä osin vastaa todellista nettovaikutusta, eri energialähteiden aiheuttamat päästöt asettuvat oikeaan mittakaavaan suhteessa toisiinsa.

Suomen kasvihuonekaasupäästöt voidaan jakaa niiden alkuperää kuvaaviin sektoreihin, joiden osuudet kokonaispäästöstä on esitetty kuvassa 1. Tilastokeskuksen käyttämässä jaossa merkittävimmän päästölähteen muodostaa energiasektori, joka kattaa fossiilisten polttoaineiden käytön sähkön ja lämmön tuotannossa, sekä liikenteen polttoaineina. Teollisuuden energiankäyttö lasketaan mukaan energiasektoriin, mutta teollisuusprosesseissa kuten teräksen ja sementin valmistuksessa vapautuvat suorat päästöt muodostavat kuvassa 1 oman sektorinsa. Maataloudessa päästöjä aiheuttaa erityisesti kotieläinten ruuansulatuksessa sekä lannan käsittelyssä vapautuva metaani, joka on hiilidioksidin tapaan kasvihuonekaasu. Jäljelle jäävä alle neljän prosentin osuus muodostuu jätteiden käsittelystä, sekä pienistä yksittäisistä lähteistä.

Kuva 1: Suomen kasvihuonekaasupäästöjen jakautuminen sektoreittain vuonna 2017 (kokonaispäästöt 56.1 Mt CO2-ekv.).

Energiasektorin päästöt voidaan edelleen jakaa pienempiin osiin kuvan 2 mukaisesti. Piirakan lohkoja vastaavat osuudet on havainnollisuuden vuoksi suhteutettu edellisen kuvan tapaan vuoden 2017 kokonaispäästöihin. Tilastokeskuksen käyttämässä jaottelussa energiateollisuudella tarkoitetaan sähkön- ja kaukolämmöntuotantoa, sekä öljynjalostusta. Liikenteen osuus kattaa Suomessa käytettyjen liikennepolttoaineiden päästöt, joista suurin osa aiheutuu maantieliikenteestä. Teollisuuden päästöillä tarkoitetaan tässä yhteydessä prosessilämmöntuotantoa esimerkiksi metalli- ja metsäteollisuudessa. Osuuteen on laskettu mukaan myös rakentamisesta aiheutuvat päästöt. Loppuosuus pitää sisällään esimerkiksi rakennusten lämmityksen (pois lukien energiateollisuuteen laskettu kaukolämpö), sekä työkoneiden polttoaineista aiheutuvat päästöt.

Kuva 2: Energiasektorin kasvihuonekaasupäästöjen osuus kokonaispäästöistä vuonna 2017 (yhteensä 41.6 Mt CO2-ekv.).

Energiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöt on jaettu edelleen sähköntuotantoa ja muita päästölähteitä vastaaviin sektoreihin kuvassa 3. Vuonna 2017 sähköntuotannon päästöt olivat 6.2 Mt CO2-ekv., eli vain 11% kaikkien sektorien yhteenlasketuista päästöistä.ii Pieneen osuuteen on kaksi syytä. Ensinnäkin, vain suhteellisen pieni osuus kaikesta tuotetusta energiasta kulutetaan sähkön muodossa. Toinen syy on se, että sähkön tuotantorakenne on Suomessa varsin puhdas.

Kuva 3: Energiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöjen osuus kokonaispäästöistä vuonna 2017 (yhteensä 17.9 Mt CO2-ekv.).

Vuoden 2017 sähköntuotantopaletti on esitetty kuvassa 4. Sähköä tuotettiin yhteensä 65 TWh, minkä lisäksi 20.5 TWh tuotiin ulkomailta. Suurimman yksittäisen energialähteen muodostaa ydinvoima, jolla katettiin kolmannes kotimaisesta sähköntuotannosta. Muita vähähiilisiä tuotantomuotoja ovat vesivoima (22.5%), biomassa (16.8%) ja tuulivoima (7.4%). Fossiilisten polttoaineiden osuus jää hieman alle viidennekseen, eli n. 12 terawattituntiin. Määrä vastaa suuruusluokaltaan Olkiluodon kolmosreaktorin vuosituotantoa.

Kuva 4: Kotimaisen sähköntuotannon jakautuminen energialähteittäin vuonna 2017 (yhteensä 65.0 TWh). Osuudet eivät pidä sisällään jätteiden polttoa (n. 1.4%) ja aurinkoenergiaa (< 0.1%).

Ydin-, vesi- ja tuulivoima eivät tuota lainkaan savupiippupäästöjä, ja bioenergian osalta päästövaikutusta neutraloi polttoaineen jatkuva uusiutuminen. Tuotantolaitosten ja niihin liittyvän infrastruktuurin rakentaminen, käyttö ja ylläpito kuluttavat kuitenkin energiaa ja fossiilisia polttoaineita. Energialähteiden hiilijalanjälkeä arvioitaessa onkin tarkasteltava tuotannon koko elinkaarta, joka ydinvoiman tapauksessa kattaa myös uraanin louhinnan ja väkevöinnin, polttoaineen valmistuksen, sekä ydinjätteen loppusijoituksen. Arviot elinkaaren yli lasketuista päästöistä vaihtelevat, mutta suurta eroa ydinvoiman ja uusiutuvien energiamuotojen välillä ei tässä suhteessa ole. Tämä selviää esimerkiksi Kansainvälisen ilmastopaneelin (IPCC) aineistosta. Käytännössä ykköspaikka riippuu vertailuanalyysien lähtöoletuksista, mikä kertoo pikemminkin siitä, että laskennassa käytettyjen mallien epävarmuudet ovat suurempia kuin todelliset erot tuotantomuotojen välillä.iii

Energiakeskustelussa uusiutuvat ja ydinvoima esitetään kuitenkin usein kilpailevina, tai jopa toisensa pois sulkevina vaihtoehtoina. Ei ole lainkaan poikkeuksellista, että esimerkiksi tuulivoimalla tuotettava sähkö liitetään vertailtavissa energiaskenaarioissa välillisiin päästövähennyskeinoihin, kuten autokannan sähköistymiseen tai lämpöpumppuihin, huomioimatta kuitenkaan sitä, että sama hyöty on saavutettavissa myös ydinvoimalla. Vastakkainasettelun seuraus on se, että pääasia, eli vertailu fossiilisiin polttoaineisiin jää tällöin vastaavasti vähemmälle huomiolle. Esimerkiksi maakaasulla tuotetun sähkön ominaispäästöt ovat suuruusluokkaa 50-kertaiset ydinvoimaan ja uusiutuviin verrattuna. Ero hiilivoimaan on vieläkin suurempi.iv

Merkittävin näköpiirissä oleva muutos Suomen sähköntuotantorakenteessa on Olkiluoto 3 -laitoksen käyttöönotto, jonka on määrä tapahtua loppuvuodesta 2019.v Laitoksen nimellisteho on 1600 megawattia. Reaktorin käynnistyminen kasvattaa Suomen ydinvoimalaitosten yhteenlaskettua kapasiteettia yli puolella, mikä nostaa ydinsähkön vuosituotannon yli 30 terawattituntiin. Fennovoiman ydinvoimalahankkeen tarkka aikataulu on edelleen avoin, mutta suunnitelmien mukaan laitos olisi määrä kytkeä verkkoon 2020-luvun aikana. Reaktorin teho on 1200 MW. Molempien uusien laitosten suunniteltu käyttöikä on 60 vuotta. Valtioneuvosto on myöntänyt Olkiluodon ykkös- ja kakkosreaktoreille käyttöluvat vuoden 2038 loppuun saakka. Loviisan reaktoreiden nykyiset luvat umpeutuvat vuosina 2027 ja 2030, mutta on mahdollista että Fortum hakee laitostensa käytölle vielä jatkoaikaa. Ydinenergian osuus sähköntuotannosta tulee siis lähivuosina kasvamaan, ja säilymään korkeana pitkälle tulevaisuuteen. Myös tuulivoiman osuus on kasvanut viime vuosina nopeasti. Vuonna 2017 tuulivoimalla tuotettiin sähköä 4.8 TWh, mikä oli lähes 60% edellisvuotta enemmän.

Suomessa ilmastotavoitteet on sidottu kasvihuonekaasupäästöihin, mutta monissa maissa kehitystä mitataan pikemminkin uusiutuvien energiantuotantomuotojen suhteellisella osuudella. Tähän lähestymistapaan liittyy tiettyjä ongelmia, sillä tuuli- tai aurinkoenergian osuuden kasvattaminen ei automaattisesti takaa kasvihuonekaasupäästöjen vähenemistä.

Kuvassa 4 Suomen sähköntuotantopaletin päästövähennyspotentiaalia edustaa fossiilisten polttoaineiden osuus, joka kattaa nykyisin hieman alle 20% tuotannosta. TVO:n ja Fennovoiman uudet laitoshankkeet tulevat aikanaan nostamaan ydinsähkön osuuden yli 50%:iin, jolloin muiden tuotantomuotojen suhteelliset osuudet vastaavasti pienenevät. Jos ilmastopoliittiseksi tavoitteeksi asetetaan absoluuttisten päästövähennysten sijaan esimerkiksi tuulivoiman osuuden nostaminen tiettyyn prosenttilukuun, vaarana on se, että tuon tavoitteen saavuttaminen edellyttää fossiilisten polttoaineiden käytön lisäksi myös jo olemassa olevan ydin- tai vesivoimakapasiteetin tai bioenergiantuotannon leikkaamista. Tällaisessa tilanteessa vähäpäästöiset energiamuodot alkavat kilpailla keskenään, jolloin nettohyöty jää nollaan.

Hyvä esimerkki ilmastonmuutoksen torjuntaan tähtäävän politiikan epäonnistumisesta on Saksa, jossa päästövähennysten sijaan edistystä on mitattu juuri uusiutuvan energiantuotannon osuuden kasvulla. Tuuli- ja aurinkoenergiaa voimakkaasti suosiva politiikka yhdistettynä ydinvoiman alasajoon on luonut monimutkaisen tukijärjestelmän, joka on osoittautunut kuluttajille äärimmäisen kalliiksi, ja sekoittanut maan sähkömarkkinat. Vaikka tuuli- ja aurinkoenergiaa on rakennettu ennennäkemättömään tahtiin, fossiilisilla polttoaineilla katetaan edelleen puolet Saksan energiantuotannosta. Myöskään kasvihuonekaasupäästöt eivät ole käytännössä laskeneet vuodesta 2010, jolloin maan hallitus julkaisi energiakäänteenä (saks. ”Energiewende”) tunnetun ilmasto-ohjelmansa. Myös vuodelle 2020 asetetusta 40% päästövähennystavoitteesta on sittemmin jouduttu luopumaan.

Saksan ilmastopolitiikan epäonnistumisen syy on pohjimmiltaan juuri se, että kasvanut tuuli- ja aurinkoenergiakapasiteetti ei ole korvannut fossiilista energiantuotantoa, vaan poliittisella päätöksellä alas ajettavaa ydinvoimaa. Saksan esimerkistä herääkin kysymys: jos ilmasto-ohjelma tähtää CO2-päästöjen vähentämiseen, niin miksi menestyksen mittariksi pitäisi ylipäänsä valita jotain muuta kuin se, miten paljon päästöt ovat vähentyneet?

Ydin- ja tuulivoiman välille lyödyn kuvitteellisen kiilan ja prosenttiosuuksiin sidottujen tuotantotavoitteiden lisäksi kolmas ongelma, johon energiapoliittisessa keskustelussa olisi syytä kiinnittää erityistä huomiota, liittyy sähkön roolin ylikorostumiseen. Kuvan 3 mukaan sähköntuotanto kattaa vain reilun kymmenyksen Suomen kasvihuonekaasupäästöistä, mikä on samaa suuruusluokkaa esimerkiksi maatalouden päästöjen kanssa. Tämä tarkoittaa samalla sitä, että kaikki ne toimenpiteet joilla sähkön tuotantorakennetta pyritään edelleen puhdistamaan tai loppukäyttöä tehostamaan, kohdistuvat lopulta varsin pieneen osaan kokonaisuudesta. Suhteelliset tuotanto- ja päästöosuudet tulevat varmasti vielä muuttumaan esimerkiksi sähköautojen yleistymisen myötä, mutta edellä esitetyt luvut näyttävät hyvin sen, että jossain vaiheessa vastaan tulee raja, jota ei ole edes teoriassa mahdollista ylittää. Tuuli- ja aurinkoenergian lisärakentamisella, älykkäillä sähköverkoilla tai varastointiteknologian kehittämisellä voidaan saada lisähyötyä ainoastaan niin kauan, kuin on jotain mistä vähentää. Sama pätee luonnollisesti ydinvoiman lisärakentamiseen, silloin kun kyse on yksinomaan sähköntuotannosta.

Sähköntuotannon puhdistaminen ja uudet jakeluverkkoteknologiat vievät siis kehitystä oikeaan suuntaan, mutta ylivoimaisesti suurin päästövähennyspotentiaali löytyy kaukolämmöntuotannosta, raskaasta teollisuudesta ja liikenteestä. Lämmön muodossa käytettävän energian puhdistamista koskevat suunnitelmat ovat toistaiseksi keskittyneet pääasiassa biopolttoaineilla tuotettavaan kaukolämpöön. Ratkaisu on teknisesti siinä mielessä hyvä, että hiilen korvaaminen esimerkiksi hakkuujätteillä ei edellytä uusien lämpövoimaloiden rakentamista, tai välttämättä edes suuria muutoksia voimalaitosprosessiin.

Tällaisiin suunnitelmiin liittyvissä keskusteluissa otetaan kuitenkin turhan harvoin kantaa uuteen teknologiaan liittyviin epävarmuuksiin, erityisesti silloin kun ratkaisuksi tarjotaan yhtä ainoaa vaihtoehtoa. Kaikkien tulevaisuuden energiaratkaisujen suunnittelu perustuu laskennallisiin malleihin ja skenaarioihin. Näihin malleihin puolestaan liittyy parametreja ja oletuksia, joiden arvoja ei tunneta sataprosenttisen tarkasti. Insinööritieteissä vastaavia epävarmuuksia pyritään huomioimaan esimerkiksi erinäisillä herkkyystarkasteluilla, eli lopputulosta arvioidaan myös siitä näkökulmasta, että yksi tai useampi lähtöparametreista onkin valittu väärin. Samaa periaatetta olisi hyvä soveltaa myös tulevaisuusskenaarioihin, varsinkin silloin kun lopputulos riippuu kriittisellä tavalla siitä, toteutuuko joku mallissa tehty oletus vai ei. Jos skenaariossa esimerkiksi luotetaan siihen, että teknologian kehitys ratkaisee aikanaan jonkun lopputuloksen kannalta kriittisen ongelman, niin johtopäätöksissä pitäisi pohtia myös vaihtoehtoa jossa tällaista ratkaisua ei tulekaan.

Biopolttoaineiden osalta epävarmuudet liittyvät ennen kaikkea teknologian skaalautuvuuteen. Suomen olemassa oleva bioenergiantuotanto hyödyntää pääasiassa metsäteollisuuden jätevirtoja, ja teknologian siirtäminen kaupungin lämpölaitokselle edellyttää polttoaineen osalta aivan uudenlaista hankintaketjua. Puupohjaisten polttoaineiden nettopäästö on nolla ainoastaan siinä tapauksessa, että biomassan kasvu sitoo hiilidioksidia vähintään yhtä nopeasti kuin polttaminen sitä vapauttaa. Hiilidioksidin sitoutuminen kasvavaan metsään on kuitenkin äärimmäisen monimutkainen kokonaisuus, josta ei suinkaan ole vielä sanottu viimeistä sanaa (kts. esim. BIOS-tutkimusyksikön ja Suomen ilmastopaneelin kannat metsänhakkuiden ilmastovaikutuksiin). On siis hyvin mahdollista, että puun energiakäytön lisääminen törmää ennemmin tai myöhemmin ristiriitaan luonnon monimuotoisuuden säilyttämisen tai metsien kasvulle asetettujen ilmastotavoitteiden kanssa. Ennen kuin kaikki munat laitetaan samaan koriin, olisikin syytä pysähtyä esittämään kysymys: mitä tapahtuu, jos bioenergiapohjaisen kaukolämmöntuotannon ilmastovaikutukset tai kasvupotentiaali onkin arvioitu väärin?

Epävarmuuksia voidaan pienentää hajauttamalla ratkaisu useammalle teknologialle. Kauko- ja teollisuuden prosessilämmön tapauksessa bioenergian rinnalla voidaan käyttää ydinvoimaa. Hieman yli sadan asteen lämpötilassa verkkoon syötettävän kaukolämpöveden tuottaminen onnistuu helposti nykyisellä kevytvesireaktoriteknologialla. Tekninen toteutus muuttuu lähes triviaaliksi, jos reaktorin ei tarvitse tuottaa lainkaan sähköä. Voimalaitosprosessista voidaan tällöin poistaa korkeaa käyttöpainetta edellyttävä turbiinikierto, mikä yksinkertaistaa huomattavasti esimerkiksi laitoksen turvallisuussuunnittelua. Teollisuuden prosessilämmöntuotantoon kevytvesireaktorit soveltuvat matalan toimintalämpötilansa vuoksi huonosti, mutta korkeampiin 700-1000°C lämpötiloihin päästään kaasujäähdytteisillä reaktoreilla.

Ajatus ydinenergialla tuotetusta kaukolämmöstä tai reaktorin pyörittämästä tehdasprosessista saattaa ensi alkuun kuulostaa yliampuvalta ratkaisulta ilmastonmuutosongelmaan. Kyse on kuitenkin olemassa olevasta teknologiasta, josta on maailmalla satojen reaktorivuosien käyttökokemus. Ydinlämmön päästövähennyspotentiaalia puolestaan kuvaa hyvin se, että jo pelkästään SSAB:n (ent. Rautaruukin) terästehdas Raahessa ja Nesteen öljynjalostamot Porvoossa ja Naantalissa tuottivat vuonna 2017 lähes yhtä paljon kasvihuonekaasupäästöjä kuin koko sähköntuotantosektori. Seuraavaksi suurimmat CO2-päästäjät löytyvät suurten kaupunkien: Helsingin, Espoon, Turun ja Vaasan kaukolämmöntuotannosta. Ydinenergiapohjaisen lämmöntuotannon mahdollisuuksia selvitetään parhaillaan varsin laajalla kentällä, ja aiheeseen liittyviin reaktoriteknologioihin tullaan vielä palaamaan myöhemmissä blogikirjoituksissa.


i) Suomen virallinen tilasto (SVT): Kasvihuonekaasut [verkkojulkaisu]. ISSN=1797-6049. 2017, Suomen kasvihuonekaasupäästöt 2017. Helsinki: Tilastokeskus [viitattu: 5.10.2018]. Saantitapa: http://www.stat.fi/til/khki/2017/khki_2017_2018-05-24_kat_001_fi.html.

ii) Tilastokeskuksen aineistossa ei ole eroteltu sähköntuotantoa omaksi sektorikseen. Esitetty luku on saatu summaamalla Energiateollisuus ry:n ylläpitämän kuukausitilaston päästöt yhteen vuoden 2017 osalta. Summa ei pidä sisällään biomassan poltosta syntyviä päästöjä. Aineisto löytyy osoitteesta https://energia.fi/ajankohtaista_ja_materiaalipankki/tilastot/sahkotilastot.

iii) Ydinvoiman elinkaaripäästöistä liikkuu internetissä paljon väärää tietoa, jopa väitteitä siitä, että uraanin väkevöinti kuluttaisi enemmän energiaa kuin mitä polttoaine kykenee reaktorissa tuottamaan. Uraanin väkevöinnin työmäärää kuvaa suure nimeltä erotustyö, jonka yksikkönä käytetään kirjainyhdistelmää SWU (Separative Work Unit, kts. määritelmä Wikipediasta). Kevytvesireaktoripolttoaineen U235-väkevöinti on tavallisesti 4-5%, jolloin yhden uraanikilon väkevöinti vaatii 5-7 SWU:ta. Väkevöintiin käytetään nykyisin kaasusentrifugimenetelmää, jonka energiankulutus on luokkaa 50 kWh/SWU. Väkevöinnin energiankulutus uraanikiloa kohden on siis suuruusluokkaa 250-350 kWh/kgU. Lukua voi verrata polttoaineen käyttöastetta mittaavaan palamaan, joka kertoo kuinka paljon fissioenergiaa polttoaine on tuottanut uraanin massayksikköä kohden. Nykyisin polttoaineen keskimääräinen poistopalama on luokkaa 40 MWd/kgU, eli kilowattituntiyksiköissä 960,000 kWh/kgU. Kevytvesireaktoreissa tuotetusta fissioenergiasta noin kolmannes saadaan ulos sähkönä.

iv) Toinen keskustelua ja vastakkainasettelua herättävä kysymys on tuuli- ja ydinvoiman lisärakentamisen hinta. Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtiin vuonna 2017 selvitys, jossa tarkasteltiin eri energiantuotantomuotojen hintaa ja sähköntuotannon kustannusrakenteen muutosta tulevaisuudessa. Selvityksen perusteella kokonaiskustannus riippuu monesta tekijästä, ja eri oletuksilla halvimmaksi vaihtoehdoksi valikoitui joko tuuli- tai ydinvoima. Tutkimukseen on sittemmin viitattu varsin laajasti. Useimmissa aihetta käsittelevissä kirjoituksissa huomio on kuitenkin kiinnittynyt selvästi yhteen tulokseen: jos tuotetun sähkön hinnassa arvioidaan ainoastaan suorat kustannukset, halvimmaksi vaihtoehdoksi osoittautuu maalle rakennettu tuulivoima 41.4 €/MWh kustannuksella. Olemassa olevalle laitospaikalle rakennetun ydinvoimalan tuotantokustannukseksi saatiin vastaavasti 42.4 €/MWh. Harvassa kirjoituksessa on sen sijaan otettu kantaa siihen, että luvut ovat itse asiassa hyvin lähellä toisiaan, saati siihen, että saman selvityksen mukaan systeemikustannusten, kuten tuulivoiman tuotantovaihtelun tasaamiseen tarvittavan varavoiman huomioiminen nostaa ydinvoiman edullisimmaksi vaihtoehdoksi.

v) Olkiluoto-3 -laitoksen rakennustyöt saatiin päätökseen viime vuonna, ja hanke on edennyt käyttöönottovaiheeseen. Järjestelmien testaus alkoi kylmäkokeilla kesäkuussa 2017. Viimeisimmän aikataulun mukaan laitos on määrä tahdistaa valtakunnanverkkoon ensimmäisen kerran huhtikuussa 2019, jolloin säännöllinen sähköntuotanto päästäisiin aloittamaan saman vuoden syksyllä. Lokakuussa 2018 TVO ilmoitti kuitenkin että käyttöönottotestit eivät ole edenneet laitostoimittajan ilmoittaman aikataulun mukaisesti. Käyttöönoton mahdollisesta viivästymisestä ei vielä tässä vaiheessa ollut tarkempaa tietoa.