Taishanin polttoainevuoto

Jaakko Leppänen – 24.7.2021

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

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

Vakava tilanne, joka ei vaaranna turvallisuutta?

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

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

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

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

Päästörajoja nostettu?

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

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

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

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

Vaikutukset Olkiluoto-3:n käyttöönottoon

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

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

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

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

Vielä kerran Tšernobyl

Jaakko Leppänen – 27.4.2021

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

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

Kenen syy?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Akateemikko Legasovin nauhoitukset

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

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

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

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

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

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

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

Päästöpilvi saapui Suomeen

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

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

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

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

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

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

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

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

Miksi RBMK?

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

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

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

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

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

Onnettomuuden aikajana

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

Päivämäärä

Tapahtumia

26.4.1986

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen nelosyksikön reaktori tuhoutuu voimakkaassa räjähdyksessä kello 01:23:45

Räjähdyksen aiheuttamia tulipaloja aletaan sammuttaa, ja laitoksen käyttöhenkilökunta yrittää saada reaktorin jäähdytysjärjestelmiä toimimaan. Työntekijät ja palomiehet altistuvat voimakkaalle säteilylle. Aamuun mennessä pahimmin sairastuneita on jo toimitettu sairaalahoitoon. Akuuttiin säteilysairauteen kuolee lopulta 28 ihmistä, joista suurin osa on laitoksen käyttöhenkilökuntaa, sekä vuosihuoltoon osallistuneita aliurakoitsijoita. Joukossa on myös 7 palomiestä ja 2 vartijaa. Kaikki kuolemaan johtaneet säteilyannokset saatiin ensimmäisen yön pelastustöissä.

Paikalliset palopesäkkeet laitoksen sisällä ja katoilla saadaan sammutettua aamuun mennessä. Päivän kuluessa reaktorikuilussa syttyy kuitenkin uusi tulipalo, joka alkaa nostaa radioaktiivisia aineita uudelleen ilmaan. Silminnäkijäkuvausten mukaan tulipalo näkyy illan hämärtyessä kilometrien päähän, kun taivas reaktorirakennuksen yläpuolella värjäytyy karmiininpunaiseksi.

Puolen päivän aikoihin Moskovassa aletaan kokoamaan hallituksen nimittämää komissiota hoitamaan hätätilannetta Tšernobylissä. Komission johtoon nimetään Neuvostoliiton varapääministeri Boris Sherbina. Ensimmäiset asiantuntijat saapuvat paikalle lauantai-iltana.

27.4.1986

Annosnopeudet kolmen kilometrin päässä laitoksesta sijaitsevassa 50,000 asukkaan Pripjatin kaupungissa alkavat kohota sen jälkeen, kun reaktorikuilussa syttyy tulipalo. Viranomaiset tekevät yön aikana päätöksen kaupungin evakuoimisesta. Pripjatiin lähetetään tuhansia linja-autoja, sekä armeijan kuljetuskomppanian käytössä olevaa kalustoa. Evakuointitoimet aloitetaan puoli kahdelta iltapäivällä, ja iltaan mennessä kaupunki on tyhjennetty kokonaan asukkaista.

Reaktorissa riehuvaa tulipaloa aletaan sammuttaa pudottamalla reaktorikuiluun hiekkaa ja muita sammutusaineita helikopterista käsin.

Tulipalon ilmaan nostama radioaktiivinen päästöpilvi saapuu Fennoskandiaan. Ensimmäiset havainnot poikkeuksellisesta säteilytilanteesta tehdään Suomessa ja Ruotsissa.

28.4.1986

Suomessa säteilyturvakeskus alkaa selvittää kohonneiden säteilylukemien alkuperää. Tilanteesta keskustellaan aamupäivän mittaan ruotsalaisten kanssa. Ensimmäinen julkinen tiedotus luetaan kello 16 radiouutisissa. Illalla Neuvostoliitto vahvistaa, että Ukrainassa on tapahtunut vakava ydinvoimalaonnettomuus. Korkeimmillaan ulkoisen säteilyn annosnopeus nousee Suomessa noin viiteen mikrosievertiin tunnissa, mikä vertautuu kosmisen säteilyn voimakkuuteen lentokoneessa. Maanantain jälkeen säteilytaso alkaa laskea.

29.4.1986

Helsingin sanomat kertoo onnettomuudesta otsikolla ”Ydinvoimalaonnettomuus NL:ssä, Tass kertoi loukkaantuneista – saastepilvi levisi Pohjolaan”.

Ensimmäisenä onnettomuusyönä korkean säteilyannoksen saanut reaktorin käyttöpäällikkö Leonid Toptunov lähettää säteilyvammoihin erikoistuneesta moskovalaisesta sairaalasta Tallinnassa asuvalle äidilleen sähkeen, jossa hän kertoo voivansa hyvin. 25-vuotias Toptunov kuolee säteilysairauteen kaksi viikkoa myöhemmin saamatta koskaan tietää, oliko hän itse aiheuttanut virheillään reaktorin räjähdyksen. Äidille lähetetystä viestistä päätyy kopio myös KGB:n arkistoon.

30.4.1986

Reaktorin ilmapäästöissä sammutuslentojen aloittamiseen jälkeen havaittu lasku pysähtyy, ja ilmasta mitatut radioaktiivisten aineiden pitoisuudet kääntyvät uudelleen nousuun. Vaihtoehtoisena keinona aletaan valmistelemaan tulipalon sammuttamista typpikaasulla.

2.5.1986

Sammutuslennot lopetetaan tuloksettomina, kun reaktorirakennuksen pelätään romahtavan päälle kasaantuneen painon alla. Myöhemmin on arvioitu, että suurin osa sammutusaineista ei edes päätynyt palavaan reaktorikuiluun saakka.

3.5.1986

Kolme suojavarusteisiin sonnustautunutta työntekijää käy avaamassa reaktorirakennuksen maanalaisessa huoltokäytävässä sijaitsevat venttiilit, jotta reaktorin alapuolella olevat lauhdutusaltaat saadaan tyhjennettyä vedestä. Kyse on varotoimenpiteestä, jolla halutaan välttää radioaktiivisen höyrypilven leviäminen laitosalueelle kuuman sydänsulan päästessä kosketuksiin veden kanssa.

5.5.1986

Reaktorikuilussa edelleen riehuvan tulipalon sammutusta varten asennettu typpiruiskutuslinja saadaan valmiiksi. Yhteys on vedetty vieressä sijaitsevan kolmosyksikön sisätilojen läpi ja betoniseiniin porattujen reikien kautta reaktorin alapuoliseen tilaan.

Sydänsula puhkaisee reaktorikuilun pohjan. Alapuolella sijaitsevat tilat kuuluvat reaktorin paineenhallintajärjestelmään. Sydänsula valuu höyryputkien ja suuttimien kautta kahteen kerrokseen sijoitettuihin lauhdutusaltaisiin. Levittäytyessään laajemmalle pinta-alalle massa jäähtyy ja jähmettyy. Ilmapäästöissä havaintaan ensin lyhyt nousu, kun sydänsula alkaa kiehuttaa altaissa jäljellä olevaa vettä, ja tämän jälkeen jyrkkä pudotus, kun lämpötilat laskevat ja tulipalo reaktorikuilussa sammuu.

6.5.1986

Reaktorin typpisammutus päästään aloittamaan. Tulipalo on tässä vaiheessa kuitenkin todennäköisesti sammunut jo omia aikojaan. Onnettomuuden aktiivinen vaihe katsotaan päättyneeksi. Laitosalueella ja lähiympäristössä aloitetaan tämän jälkeen mittava puhdistus- ja raivausoperaatio, joka jatkuu aina 1990-luvun puolelle saakka. Töihin osallistuu lopulta yhteensä noin 500,000 sotilasta ja siviilityöntekijää.

Syyskuu 1986

Neuvostoliitto esittää onnettomuuden syitä selvittäneen asiantuntijakomission raportin kansainväliselle atomienergiajärjestölle IAEA:lle. Tämä INSAG-1 -nimellä julkaistu raportti vierittää syyn onnettomuudesta laitoksen käyttöhenkilökunnan niskoille.

Lokakuu 1986

Räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen päälle rakennettu väliaikaiseksi suojaksi tarkoitettu sarkofagi valmistuu.

1991

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kakkosyksikkö ajetaan lopullisesti alas.

Neuvostoliitto hajoaa. Ukrainan itsenäistyttyä paljon onnettomuutta käsittelevää salaiseksi luokiteltua materiaalia vapautetaan julkisuuteen.

1992

Kansainvälisen riippumattoman asiantuntijaryhmän valmistelema INSAG-7 -raportti kumoaa neuvostoliittolaisten aiemmin esittämät väitteet onnettomuuden syistä. Reaktorin käyttöhenkilökunnan tekemien virheiden ja laiminlyöntien sijaan onnettomuuden tekniseksi syyksi todetaan reaktorityypille ominainen epästabiilisuus, sekä suunnitteluvirhe säätösauvarakenteessa. Raportissa kiinnitetään paljon huomiota myös inhimillisiin tekijöihin, sekä yleisesti ottaen Neuvostoliiton ydinenergia-alalla vallinneeseen huonoon turvallisuuskulttuuriin.

1996

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen ykkösyksikkö ajetaan lopullisesti alas.

2000

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kolmosyksikkö ajetaan lopullisesti alas. Sähköntuotanto laitospaikalla loppuu.

2016

Reaktorirakennuksen ympärille rakennettu uusi suoja valmistuu. Onnettomuudesta on tullut kuluneeksi 30 vuotta.

Ilta-Sanomat juhlistaa Tšernobylin 30-vuotispäivää julkaisemalla artikkelin, jossa toistetaan neuvostoliittolaisten vuonna 1986 IAEA:lle esittämästä selvityksestä peräisin olevia käsityksiä onnettomuuden syistä ja käyttöhenkilökunnan tekemistä virheistä. Sama lehtijuttu julkaistaan tästä eteenpäin joka vuosi onnettomuuden vuosipäivän tienoilla.

Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 3

Jaakko Leppänen – 14.3.2021

Runsas vuosi sitten julkaistussa blogikirjoituksessa kerrottiin VTT:llä käynnistyneestä hankkeesta, jossa kehitetään kaukolämmöntuotantoon tarkoitettua pientä ydinreaktoria. Suunnittelua lähdettiin aluksi edistämään laskennallisen mallinnuksen keinoin. Työssä käytettyjä menetelmiä ja laskentaohjelmistoja, sekä ydinreaktoreiden toiminnan mallinnukseen liittyviä yleisiä haasteita esiteltiin kirjoituksen jälkimmäisessä osassa. Hankkeen ensimmäisen vaiheen tavoitteena oli luoda konseptitason suunnitelma, jonka pohjalta teknistä kehitystä voidaan lähteä viemään eteenpäin.

Suunnittelutyön ensimmäinen vaihe saatiin päätökseen viime syksynä. Reaktorikonseptiin liittyvien patenttisuoja-asioiden selvittäminen vei kuitenkin aikansa, mikä vuoksi tuloksista päästään kertomaan laajemmin vasta nyt. VTT:n reaktorihanketta käsittelevien kirjoitusten lisäksi blogissa on käyty aikaisemmin yleisellä tasolla läpi ydinenergian roolia ilmastonmuutoksen torjunnassa, sekä kaukolämmöntuotantoon suunniteltujen ydinreaktoreiden historiaa ja erityispiirteitä. Kaikkia taustoja ei tässä kirjoituksessa käydä uudelleen läpi, mutta lyhyt kertaus lienee paikallaan.

Suunnittelun lähtökohdat ja tavoitteet

Energiantuotannon ilmastovaikutuksilla on aina viime vuosiin saakka viitattu erityisesti sähköntuotannon hiilidioksidipäästöihin, ja myös päästövähennystoimenpiteet ovat painottuneet tuuli- ja aurinkoenergian osuuden kasvattamiseen. Suomessa ilmastokeskustelun painopiste on kuitenkin jo siirtymässä sähköstä energiasektorin muille osa-alueille. Syy tähän on ainakin osittain se, että noin 85% kotimaisesta sähköstä tuotetaan jo nyt vähähiilisillä energiamuodoilla. Asuin-, toimisto- ja liikekiinteistöjen lämmityksessä käytetään kuitenkin edelleen paljon fossiilisia polttoaineita. Ylivoimaisesti suosituin lämmitysmuoto Suomessa on kaukolämpö, joten keskitetyn lämmöntuotannon puhdistamisessa piilee huomattavan suuri päästövähennyspotentiaali.

Yksi tapa tuottaa vähähiilistä lämpöä on ydinenergia, jonka soveltuvuudesta suomalaiseksi kaukolämpöratkaisuksi on tehty erinäisiä selvityksiä jo 1970-luvulta lähtien. Teknisesti ydinreaktori soveltuu lämmöntuotantokäyttöön varsin hyvin. Kaukolämpöverkkojen 65–120°C syöttölämpötilaan päästään tavanomaisella reaktoriteknologialla. Reaktorin toimintaan liittyvien haasteiden sijaan kyse onkin enemmän siitä, miten tuotanto ja kulutus saadaan kohtaamaan. Sähköstä poiketen kaukolämmölle ei ole olemassa koko maan kattavaa jakeluverkkoa, vaan lämpö sekä tuotetaan että kulutetaan paikallisesti. Perinteiset ydinvoimalaitokset ovat yksikkökooltaan suuria, ja jopa kehitteillä olevista pienreaktoreista on vaikea löytää sellaista teknologiaa, joka sopisi kokoluokkansa puolesta muualle kuin Helsingin kaukolämpöverkkoon.i VTT:n kehityshankkeen tavoitteena on suunnitella sellainen reaktori, joka soveltuu myös pienten ja keskisuurten suomalaiskaupunkien tarpeisiin.

Reaktorin suunnittelulle asetettiin jo alkuvaiheessa joukko erilaisia tavoitteita. Teknologiariskien pienentämiseksi kehityksessä pyritään hyödyntämään mahdollisimman yksinkertaisia ja hyvin tunnettuja ratkaisuja. Suunnittelussa haluttiin huomioida myös suomalaisen ydinenergiaosaamisen erityispiirteet. Suomen nykyiset ja suunnitteilla olevat ydinvoimalaitokset perustuvat kevytvesiteknologiaan, josta on käyttökokemusta yli neljän vuosikymmenen ajalta. Teknologian edut ja rajoitukset tunnetaan siis hyvin. Myös ydinenergian käyttöä ohjaava lainsäädäntö sekä käytetyn polttoaineen loppusijoitusratkaisu ovat rakentuneet saman teknologian ympärille. Tutusta linjasta ei ollut syytä poiketa, sillä perinteinen kevytvesireaktori soveltuu sähköntuotannon lisäksi myös lämmöntuotantokäyttöön.

Huomattava osa ydinvoimalaitosten toiminnoista liittyy turvallisuuden varmistamiseen. Kaukolämpöreaktorin turvallisuussuunnittelussa haluttiin hyödyntää passiivisia järjestelmiä, jotka pumppujen ja muiden aktiivisten toimilaitteiden sijaan nojaavat fysikaalisiin prosesseihin, erityisesti veden luonnolliseen kiertoon lämpötilaeron vaikutuksesta. Korkea turvallisuustaso on tällöin mahdollista saavuttaa yksinkertaisemmalla teknologialla, mikä näkyy myös laitoksen hinnassa. Passiivista teknologiaa hyödynnetään yleisesti muissakin pienreaktoreissa, mutta kaukolämpöreaktorin satoja asteita tavanomaista matalampi käyttölämpötila yksinkertaistaa järjestelmien toteutusta edelleen.

Perinteisen kevytvesireaktorin paineastian valmistus on teknisesti erittäin haastava prosessi, johon kykenee ainoastaan muutama valmistaja koko maailmassa. Vaatimattomien toimintaolosuhteiden ansiosta kaukolämpöreaktorin komponenttien valmistukseen voidaan sen sijaan soveltaa samoja menetelmiä kuin teollisuudessa käytetyille painelaitteille. Suunnittelun tavoitteeksi otettiinkin myös korkea kotimaisuusaste. Polttoainetta, säätösauvoja ja muita reaktorisydämen ydinteknisiä komponentteja lukuun ottamatta reaktoreiden valmistuksessa halutaan hyödyntää suomalaista teollisuutta.

Vaikka reaktori on suunniteltu erityisesti Suomen tarpeisiin, vähähiiliselle kaukolämmölle on suuri tarve myös ulkomailla. Suomessa kaukolämpöä tuotetaan vuosittain noin 40 terawattituntia. Euroopan mittakaavassa vuotuinen lämmitystarve on yli satakertainen. Potentiaalisia markkina-alueita ovat erityisesti Baltian maat, Puola sekä itäinen Keski-Eurooppa, missä kaukolämpö on Suomen tapaan yleinen lämmitysmuoto, eli lämmön jakeluun voidaan käyttää olemassa olevaa infraa.

Ydinkaukolämpölaitoksen yleiskuvaus

Kaukolämpöä tuottavan ydinlaitoksen suunnittelun perustaksi otettiin 50 megawatin reaktori, joka tuottaa 100–120°C asteista vettä verkkoon. Teho ja lämpötila ovat säädettävissä tarpeen mukaan. Reaktori kytkeytyy kaukolämpöverkkoon välipiirin ja kahden lämmönvaihtimen välityksellä. Tällä estetään lämmönvaihtimen vuotaessa primääripiirin veden pääsy kaukolämpöverkkoon. Reaktori ja välipiiri toimivat myös verkkoa matalammassa paineessa. Koska energian siirtyminen piiristä toiseen vaatii tietyn lämpötilaeron, reaktorin toimintalämpötilan on oltava jonkin verran kaukolämpöverkon syöttöveden lämpötilaa korkeampi. Lämpötilan nostaminen veden kiehumispisteen yläpuolelle edellyttää jäähdytyskierron paineistamista. Käyttöpaine jää silti alle kymmeneen baariin, joka on perinteisiin kevytvesilaitoksiin verrattuna varsin vähän.ii

VTT:n kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1. Vesi lämpenee reaktorin sydämessä. Lämpötilan noustessa sen tiheys pienenee, jolloin nostevoima saa virtauksen suuntautumaan ylöspäin. Reaktoriastian yläosassa virtaus kääntyy, ja ohjautuu astian ulkoreunaa kiertäviin lämmönvaihtimiin. Lämmön siirtyessä välipiiriin veden lämpötila laskee, ja tiheys vastaavasti kasvaa. Jäähtynyt vesi laskeutuu takaisin reaktoriastian pohjalle, mistä virtaus ohjataan uudelleen sydämeen. Vesi kiertää reaktoriastian sisällä pelkän lämpötilaeron vaikutuksesta, eli virtauksen ylläpitämiseen ei käytetä lainkaan pumppuja. Tällaisen luonnonkierron aikaansaaminen edellyttää kuitenkin tiettyä korkeuseroa kuuman reaktorin ja viileämmän lämmönvaihtimen välillä. Samasta syystä reaktoriastia on muodoltaan kapea ja korkea.

Reaktoriastia on edelleen suljettu suuremman teräksisen suoja-astian sisälle, ja koko reaktorimoduuli on upotettu vesialtaaseen. Reaktorimoduulin halkileikkaus on esitetty kuvassa 2. Suoja-astia vastaa perinteisen ydinvoimalaitoksen kaasutiivistä suojarakennusta, jonka tehtävänä on vastaanottaa onnettomuustilanteessa reaktorista purkautuvan höyryn aiheuttama painekuorma. Suoja-astia toimii myös nk. syvyyssuuntaisen puolustuksen uloimpana vapautumisesteenä, joka vakavan sydänvaurion sattuessa estää radioaktiivisen päästön ympäristöön. Yksittäinen reaktorimoduuli vastaa kooltaan suunnilleen linja-autoa.

Suurimmissa kaupungeissa lämmitystarve voi kovimmilla talvipakkasilla nousta tuhansiin megawatteihin. Suomesta löytyy kuitenkin yli sata sellaista paikkakuntaa, joissa kaukolämpöverkon kokonaiskapasiteetti on 50–200 MW. VTT:n reaktorikonseptissa skaalautuvuus toteutuu modulaarisella teknologialla. Kaukolämpölaitos voi rakentua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä. Reaktorirakennus on kaikille moduuleille yhteinen, ja se pitää sisällään myös yhteisiä tiloja, joita tarvitaan esimerkiksi polttoaineen vaihtoon ja määräaikaishuoltoihin, sekä erilaisille apujärjestelmille. Koska laitos ei tuota lainkaan sähköä, siihen ei kuulu myöskään turbiinia, generaattoria tai muita sähköntuotantoon tarkoitettua järjestelmiä.

Kaukolämpölaitoksen sijoitukseen on olemassa erilaisia vaihtoehtoja. Reaktorit voidaan sijoittaa esimerkiksi maanalaiseen kallioluolaan tai käytöstä poistetun kattilalaitoksen olemassa oleviin tiloihin. Alustavissa kustannusarvioissa on kuitenkin vielä yksinkertaisuuden vuoksi tarkasteltu maanpäällistä rakentamista uudelle laitospaikalle. Tällaisessa sijoitusvaihtoehdossa reaktoreiden vaatima pystysuuntainen tila louhitaan kallioon, ja reaktorirakennus ja laitoksen muut tilat rakennetaan maan päälle. Kahdesta moduulista muodostuvan sadan megawatin referenssilaitoksen poikkileikkaus on esitetty kuvassa 3.

Kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate.

Kuva 1: Kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate. Primääripiirin vesi virtaa reaktoriastian sisällä suljetussa kierrossa, ja lämpenee kulkiessaan sydämen läpi. Lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta suljettuun välipiiriin, ja sieltä edelleen toisen lämmönvaihtimen kautta kaukolämpöverkkoon.

Reaktorimoduulin läpileikkaus.

Kuva 2: Reaktorimoduulin läpileikkaus. Primääripiirin komponentit on suljettu kokonaisuudessaan reaktoriastian sisälle. Reaktoriastia on edelleen suljettu suuremman suoja-astian sisälle. Kuvasta on yksinkertaisuuden vuoksi jätetty pois lämmönvaihtimeen kytkeytyvät välipiirin putkiyhteydet, sekä muita pienempiä yksityiskohtia.

Kaukolämpölaitoksen läpileikkaus.

Kuva 3: Kahdesta 50 megawatin reaktorimoduulista muodostuvan kaukolämpölaitoksen läpileikkaus. Reaktoriyksiköt on sijoitettu lämpönieluna toimiviin vesialtaisiin. Välipiirin putkistot on vedetty reaktorihallin vieressä olevaan huoneeseen, missä ne kytkeytyvät lämmönvaihtimen välityksellä kaukolämpöverkkoon. Havainnekuva esittää, miltä lämpölaitos voisi näyttää teollisuusalueeksi kaavoitetulla tontilla. Maanalaisessa sijoitusvaihtoehdossa laitoksen tilat louhitaan kokonaisuudessaan kallion sisään.

Perinteistä kevytvesiteknologiaa

Reaktorin osalta kaukolämmöntuotanto ei vaadi suuria muutoksia olemassa olevaan kevytvesiteknologiaan. VTT:n konseptissa reaktorin sydän muodostuu tavanomaisista painevesireaktorin polttoainenipuista, jotka on lyhennetty 120–150 senttimetrin korkeuteen. Nippuja on sydämessä yhteensä 37 kappaletta, ja niissä olevan uraanin väkevöintiaste on vajaa 3%. Reaktorin säätöön käytetään liikuteltavia absorbaattorisauvoja. Polttoainelataus riittää kerralla noin 30 kuukauden yhtämittaiseen käyttöön täydellä teholla. Vuotuinen käyttökerroin voi kuitenkin jäädä sadan prosentin alapuolelle, sillä lämmitystarve laskee merkittävästi kesäkuukausien aikana. Esimerkiksi 75% käyttöasteella reaktorin latausväliksi tulisi reilu kolme vuotta.

Reaktorin sydänsuunnittelun tavoitteena on varmistaa, että reaktoria voidaan käyttää halutulla tehotasolla turvallisesti ja mahdollisimman taloudellisesti käyttöjakson alusta loppuun saakka. Reaktori on pystyttävä käynnistämään ja sammuttamaan, ja sen tehoa on kyettävä säätämään muuttuvan kulutuksen mukaan. Ydinenergian käyttöä ohjaavissa viranomaisvaatimuksissa reaktorin toiminnalle on asetettu erilaisia ehtoja, joilla varmistetaan käytön turvallisuus sekä normaalikäytön aikana että poikkeavissa käyttötilanteissa. Turvallisuusvaatimukset näkyvät suunnittelussa erilaisina rajoituksina ja reunaehtoina.

Yksi tärkeimmistä turvallisuusvaatimuksista on ketjureaktion stabiilisuus. Reaktorin teho ei saa lähteä itsestään kasvamaan, vaan ketjureaktion on hakeuduttava sellaiseen toimintatilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Stabiili toimintatila saavutetaan erilaisilla sisäsyntyisillä takaisinkytkennöillä, jotka lämpötilan noustessa saavat reaktorin fissiotehon laskemaan. Samojen takaisinkytkentöjen ansiosta reaktori sammuttaa ongelmatilanteessa itse itsensä.

Myös reaktorin säätöjärjestelmille on asetettu tiettyjä rajoituksia. Järjestelmävian tai ohjaajan tekemän virheen aiheuttama säätösauvojen tahaton ulosveto ei saa aiheuttaa sydämessä niin suuria tehonmuutoksia, että polttoaine ylikuumenee ja vaurioituu. Nämä vaatimukset on kyettävä täyttämään kaikissa käyttötilanteissa, eli suunnittelussa on huomioitava myös esimerkiksi polttoaineen isotooppikoostumuksen muuttuminen käyttöjakson edetessä.

Passiivinen turvallisuus

Koska kevytvesireaktorit toimivat luonnostaan stabiilissa tilassa, ketjureaktion hallinta ei myöskään ole riippuvainen automaatiojärjestelmistä tai ohjaajien toimenpiteistä. Huomattavasti suuremman haasteen turvallisuussuunnittelulle muodostavat erilaiset jäähdytysjärjestelmien häiriötilanteet, sekä polttoaineeseen kertyneiden radioaktiivisten isotooppien tuottama jälkilämpö. Polttoaineen jälkilämmön vuoksi reaktorin teho ei putoa välittömästi nollaan ketjureaktion katkaisemisen jälkeen, minkä vuoksi sydämessä on ylläpidettävä pientä vesikiertoa myös silloin, kun reaktori on sammutettu.

Kaukolämpöreaktorin matala käyttölämpötila ja -paine helpottavat ratkaisevasti jäähdytysjärjestelmien suunnittelua. Koska vesi kiertää reaktorin sydämestä lämmönvaihtimeen ilman sähkötoimisia pumppuja, myöskään poikkeuksellisiin käyttötilanteisiin ei liity rajuja nopeita muutoksia. Vesikierto on suljettu kokonaisuudessaan reaktoriastian sisälle, eikä primääripiiriin kytkeydy sellaisia putkia, joiden katkeaminen voisi aiheuttaa suuren jäähdytteenmenetysonnettomuuden. Vuototilanteisiin ei muutenkaan liity korkeapaineisia ilmiöitä.iii Koska reaktori on kooltaan pieni, myös polttoaineen jälkilämmöntuotto jää suhteellisen vähäiseksi. Sama pätee sydämen aktiivisuusinventaariin.

VTT:n reaktorikonseptissa jäähdytys ja jälkilämmönpoisto hoidetaan poikkeustilanteissa täysin passiivisesti ilman liikkuvia mekaanisia osia. Periaate on esitetty kuvassa 4. Reaktorimoduulin eri osat on erotettu fyysisesti toisistaan, mutta lämpö pääsee siirtymään johtumalla teräsrakenteiden läpi. Lämmönsiirron kannalta avainasemassa on reaktori- ja suoja-astian välinen tila, joka on täytetty osittain vedellä.

Reaktorin normaalissa toimintatilassa sydämessä muodostunut lämpö otetaan reaktoriastiasta ulos lämmönvaihtimen kautta. Häviöt pyritään vastaavasti minimoimaan. Kun primääripiirin vesi virtaa lämmönvaihtimen läpi, sen lämpötila laskee noin 85 asteeseen. Myös välitilassa reaktoriastian seinämän toisella puolella olevan veden lämpötila jää tällöin kiehumispisteen alapuolelle. Reaktorin toimiessa täydellä teholla alle prosentti sen tuottamasta lämmöstä pääsee karkaamaan ulkopuolella olevaan vesialtaaseen. Eristys ei ole täydellinen, mutta käyttötarkoitukseen riittävän hyvä.

Jos lämmönvaihtimen toiminta syystä tai toisesta katkeaa, lämpöenergia ei enää pääse kulkeutumaan reaktoriastiasta ulos normaalia reittiä pitkin. Veden lämpötila alkaa nousta, mikä kasvattaa myös lämpövirtaa reaktoriastian seinämän läpi. Välitilassa oleva vesi alkaa lämmetä, ja ennen pitkää myös kiehua. Muodostunut höyry täyttää suoja-astian ilmatilan, ja alkaa lauhtua viileää vesiallasta vasten olevalla seinämällä astian yläosassa. Tämä muodostaa tehokkaan lämmönsiirtoreitin ulos. Radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö saadaan näin siirrettyä polttoaineesta reaktori- ja suoja-astian läpi ilman sähkötoimisia pumppuja tai avautuvia venttiilejä. Lämpönieluna toimiva vesiallas kykenee vastaanottamaan jälkilämpöä vähintään useamman viikon ajan ennen kuin jäähdytykseen tarvitsee puuttua aktiivisin toimenpitein.iv

Pohjimmiltaan passiivisessa jäähdytyksessä on siis kyse siitä, että polttoaineessa syntyvälle lämmölle järjestetään luontainen reitti reaktorista ulos. Normaalissa toimintatilassa jäähdytykseen käytetään tehokkaampaa järjestelmää, tässä tapauksessa lämmönvaihdinta, jonka toisiopuolen vesikiertoa ylläpidetään sähkötoimisilla pumpuilla. Niin kauan kuin lämmönvaihdin on toiminnassa, energia saadaan reaktorista hyötykäyttöön. Myös passiivinen lämmönsiirtoreitti pysyy tällöin kiinni. Häiriötilanteessa reaktori palaa kuitenkin aina luontaiseen tilaansa, jossa lämpö siirtyy ulos ilman ulkoista käyttövoimaa.

Passiivinen jäähdytys.

Kuva 4: Passiivinen jäähdytys VTT:n kaukolämpöreaktorissa. Normaalissa toimintatilassa (vasen) lämmönvaihtimesta sydämeen virtaavan veden lämpötila on noin 85ºC. Reaktori- ja suoja-astian välisessä tilassa oleva vesi on tällöin kiehumispisteen alapuolella. Lämpövirta reaktorista altaaseen jää pieneksi. Häiriötilanteessa (oikea) lämmönvaihdin lakkaa toimimasta, jolloin lämpötila reaktoriastian alaosassa alkaa nousta. Lämmön siirtyessä reaktoriastian seinämän läpi myös välitilassa oleva vesi alkaa lämmetä, ja lopulta kiehua. Muodostunut höyry kohoaa suoja-astian ilmatilaan, ja lauhtuu takaisin vedeksi viileää ulkoseinämää vasten. Polttoaineessa muodostuva jälkilämpö pääsee tällöin kulkeutumaan reaktoriastian sisältä lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen.

Esimerkkejä turvallisuusanalyyseistä

Suunnitteluvaiheessa reaktorille tehtiin erilaisia laskennallisia analyysejä, joissa käytettyjä menetelmiä ja työkaluja on esitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Näillä analyyseillä haluttiin ennen kaikkea tarkastella passiivisen lämmönsiirtojärjestelmän toimivuutta erilaisissa käyttö- ja häiriötilanteissa. Yksi tarkastelluista skenaarioista oli täydellinen sähköverkon menetys (station black-out, SBO), joka oli myös kymmenen vuotta sitten tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden taustalla.v

Kaukolämpöreaktorin kannalta sähköverkon menetys tarkoittaa sitä, että välipiirin vettä kierrättävät pumput pysähtyvät, minkä jälkeen reaktori siirtyy itsestään passiiviseen lämmönsiirtomoodiin. Tilanne simuloitiin VTT:n Apros-ohjelmalla. Reaktorin toiminnan estävä käyttöhäiriö johtaa tavallisesti myös automaattiseen pikasulkuun, jossa ketjureaktio katkaistaan pudottamalla säätösauvat sydämeen. Sähköverkon menetys simuloitiin myös ilman pikasulkua nk. ATWS-tilanteena (Anticipated Transient Without Scram). Säätösauvojen pudottamisen sijaan reaktorin teho katkeaa tällöin omia aikojaan negatiivisiin takaisinkytkentöihin.

Analyysien tuloksia on esitelty kuvassa 5. Reaktorin teho putoaa pikasulun jälkeen nopeasti jälkilämmön tasolle. Sammuttamisen hetkellä polttoaineen radioaktiivinen hajoaminen lämmittää vettä reilun kolmen megawatin teholla. Parin tunnin kuluttua sammuttamisesta jälkilämpöteho on laskenut alle puoleen megawattiin. Koska polttoaineen tuottama energia ei siirry enää lämmönvaihtimen kautta ulos, veden lämpötila reaktoriastiassa alkaa nousta. Suoja-astian välitilassa olevan veden lämpötila seuraa perässä.

Lämpötilat jatkavat nousuaan noin kuuden tunnin ajan, aina siihen saakka, että välitilassa oleva vesi alkaa kiehua. Kun lämmönsiirto altaaseen tehostuu, lämpötila reaktoriastian sisällä kääntyy aluksi laskuun, ja asettuu sitten 115–120°C tienoille. Reaktori siis hakeutuu itsestään sellaiseen tilaan, jossa lämpö siirtyy passiivisesti ulos. Reilun kolmen vuorokauden jälkeen polttoaineen jälkilämmöntuotto on pudonnut jo niin alas, että lämpötilat reaktori- ja suoja-astian sisällä alkavat laskea. Simulaatio kestää yhteensä viikon. Tässä ajassa lämpönieluna toimivan vesialtaan lämpötila ehtii nousta 20 asteella.

ATWS-skenaariossa ketjureaktio ei katkea pikasulkuun. Negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta reaktori kuitenkin sammuttaa itse itsensä lämpötilojen kääntyessä nousuun. Polttoaineen lämmöntuotto putoaa tällöin jälkilämmön tasolle. Kuuden tunnin kuluttua lämpötilat ovat laskeneet niin alas, että ketjureaktio käynnistyy uudelleen. Tehokäyrässä näkyy muutama heilahdus, kun fissioteho seuraa veden lämpötilan muutoksia. Reaktori asettuu lopulta tilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Korkeampi tehotaso saa myös altaan veden lämpenemään nopeammin. Lämpötila ei viikon mittaisella tarkastelujaksolla silti kohoa niin korkeaksi, että polttoaineen jäähdytys vaarantuisi.vi

Esimerkkituloksia.

Kuva 5: Reaktorin teho ja lämpötilat täydellisen sähköverkon menetyksen jälkeen. (a) Reaktorin tuottama lämpöteho; (b) Veden lämpötila reaktoriastian sisällä; (c) Veden lämpötila reaktori- ja suoja-astian välisessä tilassa; (d) Veden lämpötila lämpönieluna toimivassa vesialtaassa. ATWS-skenaariossa reaktorin pikasulku epäonnistuu, ja ketjureaktio katkeaa omia aikojaan negatiivisiin takaisinkytkentöihin. Simulaatiot on tehty VTT:n Apros-ohjelmalla.

Suunnittelu jatkuu

VTT:n kaukolämpöreaktorin esisuunnitteluvaiheen tavoitteena oli ennen kaikkea kehittää toimiva peruskonsepti. Komponenttien suunnittelua ei vielä ole viety yksityiskohtaiselle tasolle, minkä vuoksi esimerkiksi lämmönvaihtimen suorituskykyyn liittyy edelleen tiettyjä epävarmuuksia. Tuntemattomia tekijöitä on huomioitu jättämällä suunnitteluun niin suuria marginaaleja, että reaktorin jatkokehitys ei vaarannu vaikka yksittäisten parametrien arvioinnissa olisi tehty virheitä. Työ jatkuu tarkentavilla analyyseillä ja suunnittelun optimoinnilla. Meneillään olevissa selvityksissä tarkastellaan esimerkiksi reaktorin toimintaa todellisessa käyttötilanteessa, jossa kaukolämpöverkon lämpötila seuraa sään ja ulkolämpötilan vaihtelua.

Kaukolämpöreaktorihankkeen toteuttamiskelpoisuus riippuu ratkaisevasti siitä, minkälaiselle tasolle tuotetun lämmön hinta asettuu. Teknistaloudellisissa tarkasteluissa ydinenergia on jo yleisellä tasolla todettu varteenotettavaksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille, joten perusedellytykset hankkeen onnistumiselle ovat olemassa. VTT:n reaktorikonseptin osalta pääoma- ja käyttökustannusten arviointi on edelleen käynnissä. Arviot tarkentuvat teknisen suunnittelun edetessä. Kilpailukykyyn vaikuttaa olennaisesti myös lämpömarkkinan kehitys. Hallituksen päätöksen mukaan kivihiilen energiakäytöstä tullaan luopumaan vielä tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Myös turpeen käytön nopeasta alasajosta on tehty kansalaisaloite. Lämpöenergian tuotantotavoissa on siis joka tapauksessa odotettavissa suuria muutoksia.

Yksi ydinkaukolämmön eduista on se, että lämmön jakeluun voidaan käyttää olemassa olevaa infrastruktuuria. Lämpöenergiaa ei kuitenkaan ole mahdollista siirtää pitkiä matkoja kustannustehokkaasti, vaan tuotanto on saatava lähelle kulutusta. Jotta reaktori voisi toimia kaupungin tai tiheästi asutun taajaman läheisyydessä, turvallisuus on saatava sellaiselle tasolle, että suuren radioaktiivisen päästön mahdollisuus voidaan käytännössä sulkea pois. Pieni yksikkökoko ja passiiviset järjestelmät edesauttavat tavoitteen saavuttamista, mutta korkean turvallisuustason osoittaminen vaatii silti paljon työtä.

Suurimmat haasteet eivät myöskään välttämättä liity turvallisuustekniseen luvitukseen, vaan ydinkaukolämmölle on saatava myös yleinen hyväksyntä. Ajatus kaupunkireaktorista voi tuntua vieraalta, sillä perinteiset sähköä tuottavat ydinvoimalaitokset elävät omaa elämäänsä jossain kaukana poissa kaupunkilaisten silmistä ja mielistä.

Aivan ennenkuulumattomasta ajatuksesta ei kuitenkaan ole kyse. Megawattiluokan ydinreaktoreita on nimittäin rakennettu esimerkiksi yliopistojen kampusalueille. Münchenin yliopiston kampuksella Saksan Garchingissa toimii 20 megawatin tutkimusreaktori. Kaupungissa on yli 15,000 asukasta, ja Münchenin lentokentälle ja lähimmille tiheästi asutuille esikaupunkialueille on reaktorilta alle kymmenen kilometrin matka. Ranskan Grenoblessa toimii vielä suurempi 58 MW:n reaktori. Reaktoria operoiva tutkimuslaitos sijaitsee aivan 160,000 asukkaan kaupungin keskustassa.vii


i) Ydinvoimalat ovat lämpövoimaloita, joissa reaktorin tuottama lämpöenergia muutetaan turbiinikierrossa mekaaniseksi energiaksi, ja generaattorissa edelleen sähköksi. Prosessin hyötysuhdetta rajoittavat termodynamiikan lait, minkä vuoksi tuotannon yhteydessä syntyy paljon hukkalämpöä. Suomen nykyinen kaukolämmöntarve olisi määrällisesti katettavissa jo Loviisan ja Olkiluodon nykyisten reaktoreiden hukkalämmöllä. Käytännössä ydinvoimaloiden yhteistuotantokäyttöä vaikeuttaa kuitenkin se, että laitospaikkakuntien läheisyydessä ei ole suuria kaupunkeja, jotka kykenisivät lämmön hyödyntämään. Ydinvoimalaitoksia käytetään sähkön ja lämmön yhteistuotantoon erityisesti Venäjällä. Viime vuosia ydinlämpöä on alettu hyödyntää myös Kiinassa. Shandongin provinssissa sijaitseva Haiyangin ydinvoimalaitos kytkettiin kaupungin kaukolämpöverkkoon marraskuussa 2020. Yhteistuotantokäytön lisäksi Kiinassa kehitetään myös erityisesti lämmöntuotantoon soveltuvaa matalan lämpötilan reaktoriteknologiaa.

ii) Perinteisissä kevytvesilaitoksissa reaktori tuottaa tuhansia megawatteja lämpötehoa, josta reilu kolmannes saadaan muunnettua sähköksi. Reaktorin käyttölämpötila on tavallisesti yli 300°C. Kiehutusvesireaktorit toimivat 70 baarin ja painevesireaktorit 120-150 baarin paineessa.

iii) Perinteisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa vesikiertoa ylläpidetään sähkötoimisilla pumpuilla, joiden toiminta voi estyä esimerkiksi sähköverkon vikaantuessa. Pumpun pysähtyessä veden virtaus sydämeen katkeaa. Onnettomuustilanne voi saada alkunsa myös putkivuodosta. Reaktorit toimivat niin korkeassa paineessa, että suuren jäähdytysvesiputken katketessa primääripiiri pyrkii avatun kuohuviinipullon tapaan tyhjentymään nopeasti vedestä. Tällaisten tilanteiden varalta reaktoreihin on suunniteltu erilaisia hätäjäähdytysjärjestelmiä, jotka ylläpitävät sydämen vesikiertoa ja estävät polttoaineen ylikuumenemisen. Korkean turvallisuustason varmistamiseksi hätäjäähdytysjärjestelmille on määritelty tiukkoja vikakriteerejä, eli myös varajärjestelmien vikaantuminen on huomioitava reaktorin turvallisuussuunnittelussa.

iv) VTT:n kaukolämpöreaktori muistuttaa ulkoisesti amerikkalaisen NuScale-yhtiön kehittämää pienreaktoria. Molemmissa konsepteissa primääripiirin virtaus toimii luonnonkierrolla, ja reaktorimoduuli muodostuu korkeista sisäkkäisistä paineastioista, jotka on sijoitettu lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen. Sähköntuotantokäyttöön suunnitellun NuScalen toimintalämpötila on kuitenkin sen verran korkea, että lämpöhäviöiden hillitsemiseksi reaktori- ja suoja-astian välinen tila on pidettävä tyhjänä vedestä. Reaktori toimii ikään kuin eristävän termospullon sisällä. Passiivinen lämmönsiirto käynnistetään avaamalla reaktoriastian ylä- ja alaosassa olevat venttiilit, jolloin välitila pääsee täyttymään vedellä ja lämpöeristys rikkoutuu.

v) Perinteisissä ydinvoimalaitoksissa reaktorin jälkilämmön poistoon käytetään erilaisia sähkötoimisia järjestelmiä. Koska kyse on turvallisuuden kannalta kriittisistä toiminnoista, vesikiertoa ylläpitävien pumppujen toiminta on varmistettu dieselgeneraattoreilla ja muilla varajärjestelmillä. Fukushimassa perimmäinen ongelma oli varajärjestelmien turvallisuussuunnittelu, joka edusti 1960-luvulta peräisin olevaa käsitystä riskeistä. Laitosalueelle vyörynyt maanjäristyksen aiheuttama tsunami tuhosi neljällä laitosyksiköllä kaikki dieselgeneraattorit, jotka oli sijoitettu rakennusten kellaritiloihin. Sähkönsyötön menetyksen jälkeen radioaktiivisen hajoamisen tuottamaa jälkilämpöä ei saatu enää siirrettyä reaktoreista ulos. Myöhemmin valmistuneissa laitoksissa sähkönsyötön varajärjestelmille on asetettu tiukempia vaatimuksia esimerkiksi erilaisten yhteisvikojen osalta. Yksittäinen alkutapahtuma ei saa johtaa kaikkien varajärjestelmien samanaikaiseen menetykseen. Passiivisesti turvallisissa laitoksissa sähkönsyötön ongelmat on kierretty suunnittelemalla jäähdytysjärjestelmät sellaisiksi, että jälkilämmön poistoon ei tarvita lainkaan ulkoista käyttövoimaa.

vi) Käytännössä pikasulun epäonnistuminen on erittäin epätodennäköistä. Säätösauvat putoavat reaktoriin painovoiman vaikutuksesta, kun niitä kannattelevien sähkömagneettien käämeissä kulkeva virta katkeaa. Reaktorin sammuttamiselle on asetettu lisäksi vikasietoisuusvaatimus, jonka mukaan ketjureaktion katkaisemiseen on varattava myös toisenlaiseen teknologiaan perustuva järjestelmä. Käytännössä tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi ruiskuttamalla neutroneita absrboivaa booria sisältävää vettä esipaineistetusta säiliöstä reaktorin jäähdytyskiertoon. ATWS-skenaariot ovat turvallisuusanalyyseissä eräänlaisia onnettomuustilanteiden laajennuksia. Vaikka tässä esitetty skenaario, jossa reaktori jää viikoksi käyntiin ilman hallintaa, ei välttämättä ole erityisen realistinen, se toimii hyvin esimerkkinä havainnollistamaan ydinreaktorin toiminnan perusluonnetta. Ketjureaktio on stabiili prosessi. Vaikka laitoksen hallinta menetetään täysin, reaktori asettuu tasapainotilaan, eikä teho lähde itsestään karkaamaan.

vii) Myös Aalto-yliopiston kampuksella Otaniemessä toimi vuoteen 2015 saakka VTT:n käytössä ollut FiR 1 -tutkimusreaktori. Garchingin ja Grenoblen reaktoreihin verrattuna FiR 1 oli kuitenkin kooltaan varsin pieni, sillä sen fissioteho oli vain 250 kilowattia.

Kymmenen vuotta Fukushimasta

Jaakko Leppänen – 11.3.2021

Fukushiman ydinvoimalaitoksella Japanissa 11.3.2011 tapahtuneesta onnettomuudesta tulee tänään kuluneeksi kymmenen vuotta. Onnettomuusketju sai alkunsa maanjäristyksen laukaisemasta tsunamiaallosta, joka laitosalueelle vyöryessään aiheutti täydellisen sähköverkon menetyksen, ja lopulta sydämensulamisonnettomuuden kolmella laitosyksiköllä. Kyse oli historian toiseksi vakavimmasta ydinvoimalaonnettomuudesta vuonna 1986 tapahtuneen Tšernobylin onnettomuuden jälkeen.

Onnettomuuden vuosipäivän tienoilla aihe nousee usein näkyvästi uutisotsikoihin, joten ajattelin että Fukushimaa on syytä käsitellä jälleen myös tässä ydinenergia-aiheisessa blogissa. Ensimmäiset kirjoitukset onnettomuuden syistä ja seurauksista ovat kolmen vuoden takaa. Mitään dramaattista Fukushimassa ei ole sen jälkeen tapahtunut, ja koska edelliset blogikirjoitukset menevät jo melko yksityiskohtaiselle tasolle, tästä kirjoituksesta tuli tilannepäivityksen sijaan enemmän tiivistelmä jo aikaisemmin käsitellyistä aiheista.

Onnettomuudesta ja sen vaikutuksista saadaan kyllä edelleen uuttakin tietoa. Aikaisemmissa blogikirjoituksissa lähdeaineistona on käytetty esimerkiksi YK:n alaisen UNSCEAR-järjestön (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) raporttia vuodelta 2014. Raportista on nyt julkaistu päivitetty versio.

Fukushiman laitosalue vuonna 2018

Kuva 1: Näkymä Fukushima Daiichin ydinvoimalaitosalueelta (kuva on todennäköisesti vuodelta 2018).

Onnettomuuden taustalla puutteellinen turvallisuuskulttuuri

Fukushiman onnettomuuden tekninen syy oli laitoksen sähköverkon täydellinen menetys. Ulkoinen verkkoyhteys katkesi maanjäristyksen kaadettua laitosalueelle johtavan voimalinjan pylväitä, ja tuntia myöhemmin mereltä vyörynyt lähes 15-metrinen tsunamiaalto tuhosi varavoimantuotantoon tarkoitetut dieselgeneraattorit. Samalla menetettiin myös laitosautomaation ja instrumentoinnin varmistukseen käytetyt akustot. Reaktorit olivat tässä vaiheessa jo maanjäristyksen aiheuttaman pikasulun jäljiltä sammutetussa tilassa, mutta polttoaineessa tapahtuva radioaktiivinen hajoaminen tuotti runsaasti lämpöä. Kun jäähdytysjärjestelmien hallinta menetettiin, tätä jälkilämpöä ei ollut enää mahdollista siirtää reaktoreista ulos. Seurauksena oli lopulta polttoaineen ylikuumeneminen, ja sydämensulamisonnettomuus kolmella laitosyksiköllä.

Vaikka tsunami oli alkutapahtumana poikkeuksellinen, Fukushiman onnettomuudessa oli kyse muustakin kuin epäonnisesta sattumasta. Ydinenergia-alalla turvallisuuden kannalta kriittisille järjestelmille sovelletaan erilaisia vikasietoisuuskriteerejä, joihin kuuluu esimerkiksi sähkönsyötön varajärjestelmien hajauttaminen siten, että mikään yksittäinen alkutapahtuma ei voi vaurioittaa samanaikaisesti kaikkia rinnakkaisia järjestelmiä. Loviisassa ja Olkiluodossa sähkönsyöttö on poikkeustilanteissa varmistettu dieselgeneraattoreiden lisäksi myös kaasuturbiineilla toimivilla varavoimalaitoksilla ja liikuteltavilla aggregaateilla, minkä lisäksi sähköä saadaan valtakunnan verkosta riippumattomien kaapeliyhteyden välityksellä muilta voimalaitoksilta. Fukushimassa vastaava turvallisuussuunnittelu petti täysin. Kaikki laitosyksiköiden 1–4 dieselgeneraattorit oli sijoitettu turbiinirakennusten kellaritiloihin, jotka jäivät hyökyaallon iskiessä veden alle.

Turvallisuussuunnittelun puutteet menevät osittain laitoksen korkean iän piikkiin. Fukushiman ydinvoimalaitos oli yksi Japanin vanhimmista, ja poikkeustilanteiden varalle suunniteltujen järjestelmien toteutus vastasi edelleen 1960-luvulta peräisin olevaa käsitystä riskeistä. Suomessa ydinenergian käyttöä ohjaavaan läinsäädäntöön on kirjattu nk. jatkuvan parantamisen periaate, joka velvoittaa luvanhaltijoita kehittämään ydinvoimalaitosten turvallisuutta sitä mukaa kun käyttökokemukset ja turvallisuustutkimus antavat siihen aihetta. Japanissa ei Fukushiman onnettomuuden aikaan vastaavaa käytäntöä ollut, vaan vuosien varrella kiristyneet turvallisuusvaatimukset koskivat lähinnä uusia laitoksia.

Onnettomuuden syitä selvittäneen komission loppuraportissa ongelmaksi nostetaan myös puutteet turvallisuuskulttuurissa. Komission puheenjohtaja toteaa raportin esipuheessa, että onnettomuus oli monella tavalla ”made in Japan”. Kommentti viittaa siihen, että korkeasta koulutuksesta ja osaamistasosta huolimatta yksi japanilaisen työkulttuurin ongelmista on se, että turvallisuuspuutteista ei välttämättä ole tapana raportoida organisaatiossa ylöspäin. Tällaiset käytännöt sopivat erityisen huonosti ydinenergia-alalle. Jos tulvasuojauksen ja sähkönsyötön ongelmiin olisi reagoitu ajoissa asianmukaisella tavalla, onnettomuus olisi ollut helposti vältettävissä.

Käyttöhenkilökunnan säteilyannokset jäivät pieniksi

Tsunamin iskiessä Fukushimaan laitoksella oli noin 6000 työntekijää ja aliurakoitsijaa. Kun tilanne alkoi kehittyä onnettomuudeksi, ylimääräinen henkilöstö evakuoitiin, ja laitosalueelle jäi vain välttämätön miehitys. Myöhemmin töihin saapui myös henkilökuntaa pelastuslaitokselta ja puolustusvoimilta. Onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana pelastustöihin osallistui 600–700 työntekijää. Suurin osa työntekijöistä voitiin siitää väliaikaisesti suojaan pahimpien päästöpiikkien ajaksi, jolloin laitosalueelle jäi lähinnä valvomohenkilökuntaa.

Käyttöhenkilökunnan säteilyaltistuksen kannalta merkittävin ero Fukushiman ja vuonna 1986 tapahtuneen Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden välillä oli se, että sulanut polttoaine jäi kaasutiiviiden suojarakennusten sisälle. Eristys ei ollut täydellinen, mutta suojarakennustoiminnolla oli merkittävä päästöä hillitsevä vaikutus. Säteilyn annosnopeus laitosalueella ei missään vaiheessa noussut hengenvaaralliselle tasolle, eikä onnettomuustilanteen hallinta edellyttänyt pitkäaikaista oleskelua sellaisissa tiloissa, missä säteilytaso oli pysyvästi korkea.

Työntekijöiden joukossa suurin raportoitu säteilyannos oli 679 millisievertiä. Onnettomuustilanteissa ylärajaksi asetettu 250 mSv:n annos ylittyi kuudella työntekijällä, ja Japanissa säteilytyöntekijöille normaaleissa työtehtävissä käytetty sadan millisievertin raja 168 työntekijällä. Annokset eivät olleet niin korkeita, että niistä olisi aiheutunut säteilysairauden oireita tai muitakaan välittömiä terveysvaikutuksia.

Laitosalueen säteilytilanne oli siis ratkaisevasti erilainen kuin Tšernobylissä, missä reaktorin räjähdys levitti korkea-aktiivista polttoainetta ja sydämen kappaleita sadan metrin säteelle laitoksesta. Parin vuoden takaisessa HBO:n Tšernobyl-minisarjassa kuvattiin, kuinka laitoksen henkilökunta sekä pelastustoimiin saapuneet palomiehet altistuivat heti onnettomuuden alkuvaiheessa tappavan voimakkaalle säteilylle. Vastaavaa tilannetta ei Fukushimassa missään vaiheessa päässyt syntymään. Tšernobylissä yli sadan millisievertin annoksen sai lopulta noin 100,000 pelastus- ja raivaustyöihin osallistunutta ihmistä.

Päästöt olivat peräisin vaurioituneista reaktoreista

Fukushiman onnettomuuden ensimmäinen radioaktiivinen päästö tapahtui ykkösyksikön reaktorista lauantaiaamuna 12.3., eli hieman alle vuorokausi onnettomuuden alkamisen jälkeen. Reaktorin kaasutiiviin suojarakennuksen sisältä jouduttiin ylipaineistumisen estämiseksi päästämään höyryä ulos. Ykkösyksikön päästö jäi kuitenkin vielä suhteellisen pieneksi. Tilanteen kehittyessä kakkos- ja kolmosyksiköiltä pääsi seuraavalla viikolla ilmaan suurempia määriä radioaktiivisia aineita. Ongelmia aiheutti myös polttoaineen suojakuorimateriaalin oksidoitumisessa muodostunut vety. Ykkös- ja kolmosyksiköillä tapahtuneet vetyräjähdykset vaurioittivat reaktorirakennuksia, jolloin myös rakennusten sisätiloihin kertyneitä radioaktiivisia aineita pääsi vapautumaan ilmaan. Kakkosyksiköllä päästöjä aiheutti suojarakennuksen vaurioituminen paineenalennuksen epäonnistuttua.

Väestönsuojelun kannalta ongelmallisimmat radionuklidit ovat jodin isotooppi I131 sekä cesiumin isotooppi Cs137. Edellinen aiheuttaa väestölle suurimman välittömän säteilyriskin, ja jälkimmäinen ympäristön pitkäaikaista saastumista. Cesiumin ja jodin kokonaispäästöiksi on arvioitu noin 10 ja 120 petabecquereliä. Luvut ovat kymmenesosan luokkaa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden vastaavista päästöstä. Arvioihin liittyy kuitenkin edelleen suuria epävarmuuksia. Valtaosa päästöstä kulkeutui tuulen mukana merelle. Pahin mantereen puolelle päätynyt laskeuma muodostaa kapean kaistan, joka suuntautuu noin 40 kilometrin etäisyydelle laitosalueesta luoteeseen. Päästötilanne kesti kaikkiaan muutaman viikon.

Ilmapäästöjen lisäksi radioaktiivisia aineita päätyi myös suoraan mereen. Reaktorirakennuksiin kertyi onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana paljon kontaminoitunutta vettä, jota pääsi vuotamaan vaurioituneiden rakenteiden läpi ulos. Kaikkien päästöreittien paikantaminen ja tukkiminen kesti huhtikuun puolelle saakka. Merivesipäästöt loppuivat kun suljettu jäähdytyskierto reaktorirakennusten sisällä saatiin toimimaan heinäkuussa 2011, minkä jälkeen saastuneiden vesien käsittely helpottui.

Ensimmäisen onnettomuusviikon jälkeen median huomio keskittyi reaktoreiden yhteyteen rakennettuihin vesialtaisiin, joissa säilytettiin käyttöikänsä päähän tulleita polttoainenippuja. Polttoainealtaiden mahdollisesti kärsimistä vaurioista ei onnettomuuden alkuvaiheessa ollut varmaa tietoa, joten altaisiin alettiin jäähdytyksen turvaamiseksi ruiskuttamaan vettä. Vaikka kyse oli varotoimenpiteestä, operaatio sai osakseen mahdollisesti jopa enemmän mediahuomiota kuin aikaisemmin tapahtuneet radioaktiiviset päästöt reaktoreilta.

Osittain kyse oli siitä, että yhdysvaltain ydinturvallisuusviranomainen NRC antoi virheelliseen tilannekuvaan perustuen USA:n kansalaisille suosituksen siirtyä vähintään 50 mailin päähän Fukushimasta. Suositus poikkesi selvästi japanilaisviranomaisten antamista evakuointimääräyksistä. NRC:n suosituksen taustalla oli oletus siitä, että kolmos- tai nelosyksikön polttoaineallas olisi tyhjentynyt kokonaan vedestä, ja altaassa tapahtunut vetyräjähdys olisi levittänyt polttoainenippujen kappaleita ympäri laitosaluetta. Japanilaisten tiedotteissa ei tällaisista tapahtumista kuitenkaan kerrottu, mikä herätti sosiaalisessa mediassa ja internetin keskustelupalstoilla epäilyksiä siitä, että onnettomuuden todellinen vakavuus yritettiin salata.

Käsitykset polttoainealtaissa tapahtuneista räjähdyksistä elävät edelleen, vaikka altaiden kuntoa ei NRC:n virhearviota lukuun ottamatta missään vaiheessa varsinaisesti edes kyseenalaistettu. Nelosyksikön allas tyhjennettiin polttoaineesta vuonna 2014, ja kolmosyksiköllä vastaava operaatio saatiin päätökseen tämän kuun alussa. Polttoainenipuissa ei näkynyt merkkejä vuodoista tai vaurioista.

Väestönsuojelutoimilla merkittävä vaikutus säteilyannoksiin

Tšernobylistä poiketen tilanne Fukushimassa kehittyi suhteellisen hitaasti, tuntien ja päivien kuluessa onnettomuuden alusta. Kun radioaktiivisia aineita pääsi ensimmäisen kerran ilmaan ykkösyksikön suojarakennuksen paineenalennuksen yhteydessä, lähialueella sijaitsevien kylien evakuointitoimenpiteet oli jo saatu päätökseen. Seuraavalla viikolla tapahtuneiden suurempien päästöjen aikaan evakuointivyöhykettä oli laajennettu jo 20 kilometrin etäisyydelle laitosalueesta. Koska väestö siirrettiin päästön tieltä turvaan, myös säteilyannokset jäivät pieniksi.

Laajoja väestönsuojelutoimia on jälkikäteen myös arvosteltu. Evakuointi aiheutti useita kuolemantapauksia, kun pitkäaikaissairaita ja huonokuntoisia vanhuksia ei saatu toimitettua riittävän nopeasti hoitoon. Toimenpiteiden psykososiaalisten vaikutusten on arveltu ylittäneen säteilystä aiheutuneet haittavaikutukset moninkertaisesti. Evakuointipäätökset tehtiin kuitenkin onnettomuustilanteen ollessa käynnissä, ja riskiarvoissa oli varauduttava myös päästötilanteen pahenemiseen.

Arviot lähialueen asukkaiden saamista säteilyannoksista ovat tarkentuneet kuluneiden vuosien aikana, mutta myöskään UNSCEAR:in uusimman raportin mukaan onnettomuuden vaikutukset eivät ole näkyneet esimerkiksi syöpätilastoissa. Myös suurin osa työntekijöiden saamista annoksista jäi selvästi riskirajojen alapuolelle.

Jälkihoito kestää vielä pitkään

Onnettomuustilanne julistettiin virallisesti päättyneeksi joulukuussa 2011, minkä jälkeen laitosalueella on tehty paljon puhdistus- ja raivaustöitä, sekä valmisteltu tuhoutuneiden reaktorirakennusten purkamista. Laitosyksiköiden 1–3 reaktoreissa ollut polttoaine suli, ja jähmettyi suojarakennusten pohjalle. Jähmettynyt sydänmassa tuottaa edelleen jälkilämpöä, joten reaktoreissa ylläpidetään pientä vesikiertoa. Kierto on suljettu, eli radioaktiivisia jätevesiä ei lasketa ympäristöön.

Vedenpinnankorkeus rakennusten kellaritiloissa pidetään pohjaveden tason alapuolella, jolloin vuoto suuntautuu paine-eron vaikutuksesta ulkoa sisään eikä päin vastoin. Rakennusten sisältä pumpattu vesi puhdistetaan radioaktiivisista aineista. Puhdistuksen jälkeen veteen jää vielä vedyn radioaktiivista tritium-isotooppia, minkä vuoksi vesi joudutaan varastoimaan laitospaikalle. Jätevesien hallinta sitoo huomattavasti resursseja, minkä vuoksi laitoksen omistava TEPCO-yhtiö on ehdottanut tritiumia sisältävän veden hallittua vapauttamista mereen.

Polttoainealtaiden tyhjentämiseksi vaurioituneiden reaktorirakennusten ympärille on rakennettu erilaisia tukirakenteita ja suojia (kuva 1). Tšernobylistä poiketen reaktoreita ei kuitenkaan ole tarkoitus sulkea pysyvästi betonisten sarkofagien sisälle, vaan tavoitteena on reaktoreiden ja rakennusten purkaminen. Vastaavasta operaatiosta on kokemusta yhdysvaltalaiselta Three-Mile-Islandin ydinvoimalaitokselta, missä tapahtui vuonna 1979 vakava sydämensulamisonnettomuus. Fukushimassa tilanne on kuitenkin haastavampi, sillä reaktorit kärsivät onnettomuudessa suurempia vaurioita. Purkaminen etenee vaiheittain, ja tulee kokonaisuudessaan kestämään 30–40 vuotta.

Onnettomuuslaitoksen lähellä sijaitsevia kyliä on vapautettu evakuointimääräyksistä. Alueita on puhdistettu, minkä lisäksi aktiivisuustaso on laskenut radioaktiivisen hajoamisen myötä. Pitkäikäisen cesiumin pitoisuudet ovat laimentuneet päästön painuessa sadeveden mukana syvemmälle maaperään. Pahimmalla laskeuman kaistaleella on silti alueita, joilla asuminen on edelleen kielletty.

Onnettomuuden vaikutukset ydinenergia-alan tulevaisuuteen

Helsingin Sanomat kertoo onnettomuuden vuosipäivää juhlistavassa artikkelissaan, että ”Fukushiman ydinonnettomuus jakoi maailman varakkaisiin kehittyneisiin maihin, jotka enimmäkseen välttelevät ydinvoimaa sekä Kiinan johtamaan kehitysmaiden ryhmään, jossa toiveet ydinteollisuuden kasvusta ovat yhä elossa.” Onnettomuudella oli toki merkittäviä vaikutuksia alan kehitykseen, mutta ydinvoiman lisärakentamiseen satsannutta Suomea en kyllä itse näillä perusteilla menisi kehitysmaiden ryhmään niputtamaan. Hesarin jutun tekstikin muuttui hieman asiallisempaan muotoon pian julkaisun jälkeen.

Eniten Fukushiman vaikutukset ovat tuntuneet Japanissa. Ennen onnettomuutta lähes kolmannes Japanissa käytetystä sähköstä tuotettiin ydinvoimalla. Fukushiman jälkeen maan kaikki ydinvoimalaitokset ajettiin alas turvallisuuden uudelleen arviointia varten. Yhteensä 33:sta käyttökunnossa olevasta reaktorista vasta yhdeksän on saatu käynnistettyä uudelleen. Japanin hallituksen tavoitteena on nostaa ydinenergian osuus sähköntuotannosta 20–22%:iin vuoteen 2030 mennessä. Kaikesta huolimatta ydinvoimaa ei siis Japanissakaan ole täysin hylätty.

Japanin ulkopuolella Fukushiman onnettomuudella on ollut vaikutusta lähinnä niissä maissa, missä ydinvoiman suosio on muutenkin ollut heikko. Saksassa tehtiin pian onnettomuuden jälkeen päätös palata 1990-luvulta peräisin olevaan suunnitelmaan ydinvoiman alasajosta vuoteen 2025 mennessä. Italia luopui ydinvoiman käytöstä ensimmäisen kerran jo Tšernobylin onnettomuuden jälkeen, ja Fukushima laittoi suunnitelmat uusien laitosten rakentamisesta toistamiseen jäihin. Myös Sveitsissä tehtiin päätös ydinvoimaloiden alasajosta. Yhdysvalloissa Fukushimaa suurempi vaikutus oli samoihin aikoihin kivihiilen korvaajaksi lobatulla halvalla liuskekaasulla, joka söi pahasti uusien ydinvoimahankkeiden kannattavuutta.

Kuluneen kymmenen vuoden aikana ydinenergia-alalla on tapahtunut myös kehitystä. Kuten Hesarin jutussa todetaan, uusien laitosten rakentaminen on tällä hetkellä nopeinta Kiinassa. Asian voi kuitenkin nähdä myös siltä kantilta, että Kiina on maailman maista se, missä myös kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiselle on kaikkein suurin tarve. Uusien reaktorityyppien kehityksessä painopiste on selvästi siirtynyt suurista laitosyksiköistä pienreaktoreihin. Ydinenergia-alan uutiset ylittävät harvoin valtamedian uutiskynnyksen, mutta esimerkiksi alan kehitystä seuraavaa World Nuclear News -sivustoa selaamalla voi hyvin todeta, että erilaisista pienreaktorihankkeista on kerrottavaa viikoittain. Kiinan lisäksi uutisissa puhutaan paljon esimerkiksi Yhdysvalloissa, Venäjällä, Kanadassa, Iso-Britanniassa, Puolassa ja Virossa vireillä olevista hankkeista.

Kehittyneiden ja kehitysmaiden sijaan jakaisin itse maat ydinvoima-asenteiden perusteella niihin, jotka näkevät ydinvoiman osana ongelmaa, ja niihin, joille se on osa ratkaisua. Yhä useammassa maassa päättäjät ovat heräämässä siihen, että ilmastonmuutosongelmaa ei tulla ratkaisemaan yksinomaan uusia tuulivoimaloita ja aurinkopaneeleja rakentamalla. Sähköntuotannon puhdistamisen lisäksi ilmastotavoitteiden saavuttaminen edellyttää koko energiajärjestelmän perusteellista uudistamista. Esimerkiksi laajamittaiseen vetytalouteen siirtymisessä ydinenergia voisi näytellä hyvinkin merkittävää roolia.

Olkiluodon käyttöhäiriö

Jaakko Leppänen – 11.12.2020

Olkiluodon ydinvoimalaitoksen kakkosyksiköllä tapahtui torstaina 10.12.2020 poikkeuksellinen käyttöhäiriö, joka johti reaktorin automaattisten suojaustoimintojen käynnistymiseen. Tapahtumien taustalla oli reaktorin vedenpuhdistusjärjestelmään tullut vika, jonka seurauksena suodattimiin kertyneitä radioaktiivisia aineita pääsi vuotamaan takaisin jäähdytyskiertoon. Häiriö ei aiheutunut radioaktiivista päästöä tai uhkaa ydinturvallisuudelle. Lyhyestä kestostaan huolimatta tilanne keräsi kuitenkin suuren mediahuomion, kun perhe- ja peruspalveluministeri Krista Kiuru sekä sosiaali- ja terveysministeri Aino-Kaisa Pekonen järjestivät tapahtuneesta virallisen tiedotustilaisuuden. Paikalle kutsuttiin myös Säteilyturvakeskuksen pääjohtaja Petteri Tiippana.

Mitä Olkiluodossa sitten oikeastaan tapahtui, ja miten poikkeuksellisesta ja vakavasta tilanteesta oli kyse? Esitän tässä oman käsitykseni tapahtumien kulusta. TVO:n ja STUK:in selvitykset ovat edelleen käynnissä, joten yksityiskohdat voivat vielä muuttua.

Reaktorin vedenpuhdistusjärjestelmä

Olkiluodon ykkös- ja kakkoslaitokset ovat tyypiltään kiehutusvesireaktoreita. Reaktori lämmittää vettä, joka alkaa kiehua kulkiessaan polttoainenippujen läpi. Muodostunut höyry ohjataan putkia pitkin turbiinille, joka muuttaa lämpöenergian mekaaniseksi pyörimisenergiaksi, ja edelleen sähköksi. Jäähdytyskierto on suljettu, eli reaktorin läpi virtaavaa vettä ei lasketa missään vaiheessa kierrosta ulos.

Vesi virtaa reaktorissa korkeassa lämpötilassa ja korkean paineen alla. Sydämen rakenteista, putkista ja muista jäähdytyskierron komponenteista irtoaa käytön aikana erilaisia korroosiotuotteita, jotka aktivoituvat reaktorissa neutronisäteilytyksen vaikutuksesta. Veteen vapautuu toisinaan myös pieniä määriä fissiotuotteita polttoainesauvojen vuotaessa. Jäähdytteen mukana kiertävien radioaktiivisten aineiden määrä ei ole niin suuri, että sillä olisi turvallisuuden kannalta merkitystä. Kohonnut säteilytaso voi kuitenkin hankaloittaa esimerkiksi reaktorin määräaikaishuoltoja, minkä vuoksi jäähdyte pyritään pitämään mahdollisimman puhtaana.

Veden puhdistukseen käytetään mekaanisia ja kemiallisia suodattimia. Osa jäähdytyskierron virtauksesta ohjataan puhdistusjärjestelmään, joka poistaa vedestä fissio- ja aktivoitumistuotteita ja epäpuhtauksia. Suodatuksen jälkeen vesi palautetaan takaisin kiertoon. Koska radioaktiiviset aineet kerääntyvät suodattimiin, niiden aktiivisuustaso voi reaktorin käydessä olla suhteellisen korkea. Käytöstä poiston jälkeen suodattimissa käytetyt ioninvaihtohartsit luokitellaan keskiaktiiviseksi jätteeksi.

Suodattimet toimivat reaktorin jäähdytyskiertoa matalammassa lämpötilassa, minkä vuoksi puhdistusjärjestelmään ohjattua vettä joudutaan jäähdyttämään. Olkiluodon käyttöhäiriötilanteessa oli ilmeisesti kyse suodatusjärjestelmän jäähdytykseen tulleesta viasta. Suodattimiin pääsi tavallista kuumempaa vettä, joka irrotti niihin kertyneitä radioaktiivisia aineita takaisin kiertoon.

Suojaustoimintojen käynnistyminen

Suodattimista irronneet aineet näkyivät reaktorin jäähdytysjärjestelmässä hetkellisesti kohonneena aktiivisuutena. Laitoksen suojausjärjestelmät haistelevat jatkuvasti jäähdytteen aktiivisuutta, sillä myös sydämessä tapahtunut polttoainevaurio aiheuttaa samalla tavalla nopean aktiivisuustason nousun. Kohonnut lukema laukaisi laitoksen suojaustoiminnot, joihin kuului reaktorin pikasulku ja suojarakennuksen eristys.

Pikasulussa reaktori sammutetaan työntämällä neutroniabsorbaattoria sisältävät säätösauvat nopeasti sydämeen. Kiehutusvesireaktoreissa säätösauvoja käytetään sydämen alapuolelta, ja nopea sammutus saadaan aikaiseksi nostamalla sauvat ylös typpikaasun paineella. Ketjureaktio katkeaa, ja reaktorin tuottama lämpöteho kääntyy laskuun. Pikasulku on reaktorin käyttöhäiriötilanteissa varsin tavanomainen toimenpide, joita tapahtuu toisinaan Suomenkin laitoksilla.

Suojarakennuksen eristyksessä on kyse astetta rankemmasta suojaustoiminnosta. Reaktorilta turbiinille kulkevien höyrylinjojen venttiilit sulkeutuvat, ja reaktorin jäähdytyskierto jää kokonaisuudessaan eristyksiin kaasutiiviin suojarakennuksen sisälle. Onnettomuustilanteessa suojarakennuksen tehtävä on toimia uloimpana vapautumisesteenä radioaktiiviselle päästölle, joten reaktorin sydämestä ulos johtavan päästöreitin katkaiseminen on varsin luonnollinen varotoimenpide.

Suojarakennuksen eristys oli toimenpiteenä siinä mielessä poikkeuksellinen, että vastaavaa ei ole Suomessa aikaisemmin tapahtunut. Tässä tapauksessa eristyksen syy oli siis se, että reaktorin suojausjärjestelmä tulkitsi kohonneen aktiivisuusmittauksen suureksi polttoainevaurioksi, ja pyrki estämään radioaktiivisten aineiden päätymisen laitoksen turbiinille. Vaikka kyse ei ollutkaan polttoainevauriosta, järjestelmä toimi juuri niin kuin sen oli tarkoituskin.

Miten vakavasta tapahtumasta oli kyse?

Monissa uutisissa todettiin, että Olkiluodossa selvittiin tällä kertaa säikähdyksellä. Vastaavaa ilmaisua käytetään usein kuvaamaan myös erilaisia läheltä piti -tilanteita, joissa on ollut onnea matkassa. Kun lentokone joutuu tekemään moottorivian vuoksi hätälaskun, voidaan sanoa, että matkustajat selvisivät tilanteesta säikähdyksellä.

Olkiluodossa ei kuitenkaan ollut kyse tuurilla vältetystä ydinkatastrofista, vaan juuri siitä, mitä ilmaisulla aivan kirjaimellisesti tarkoitetaan. Puhdistusjärjestelmän häiriö ei aiheuttanut radioaktiivista vuotoa tai päästöä ympäristöön, eikä laitoksen käyttöhenkilökunta altistunut säteilylle. Reaktorin jäähdytyskierrosta kerättyjä radioaktiivisia aineita yksinkertaisesti vapautui takaisin kiertoon. Häiriötilanne ei myöskään vaarantanut reaktorin jäähdytystä tai muita turvallisuuden kannalta tärkeitä toimintoja. Reaktorin pikasulku ja suojarakennuksen eristys toimivat suunnitellulla tavalla.

Ydinvoimalaitostapahtumien vakavuutta mittaavalla INES-asteikolla häiriötilanne luokiteltiin nollakategoriaan, eli tapahtumaksi, jolla ei ole ydinturvallisuuden kannalta merkitystä. TVO:n arvion mukaan laitos saadaan takaisin tuotantoon sunnuntaina.

Viestinnän haaste

Tässä blogissa on kirjoitettu aikaisemminkin ydinvoimaviestinnän vaikeudesta (osa 1, osa 2). Kyse ei ole (ainakaan tarkoituksellisesta) kritiikistä toimittajakunnan suuntaan, vaan siitä, että ydinenergia-alalla viestintä on aivan todellinen haaste. Olkiluodon käyttöhäiriötilanne ei käynnistänyt ainoastaan reaktorin suojaustoimintoja, vaan myös mittavan valmiusoperaation. Laitoksella alettiin toteuttaa poikkeustilanteiden varalta tarkkaan laadittua suunnitelmaa. Tieto välitettiin Säteilyturvakeskukseen, joka käynnisti oman valmiusoperaationsa. Tällaiset järjestelyt ovat osa ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelua, ja valmiustoiminnan käynnistyminen kertoo siitä, että turvallisuusasioihin suhtaudutaan vakavasti. Tietoa välitettiin myös valtiovallan suuntaan, sekä kansainvälisille yhteistyöorganisaatioille.

Kolikon kääntöpuoli on se, että valmiustoiminnan käynnistyessä tilanne näyttää helposti ulospäin huolestuttavan vakavalta. Median kiinnostus heräsi välittömästi, ja toimittajat halusivat tietää tarkkaan mistä on kyse. TVO:n ja STUK:in tiedotteissa kerrottiin ne faktat, mitä tapauksesta sillä hetkellä tiedettiin. Toimittajat kirjoittivat asioista omalla tavallaan, jolloin myös sanoma jossain määrin vääristyi. Ensimmäisissä uutisissa kerrottiin esimerkiksi kohonneesta säteilytasosta, mainitsematta kuitenkaan sitä, että mittaukset oli tehty reaktorin suljetusta jäähdytysjärjestelmästä, eikä esimerkiksi laitosalueen pihalta. Tämä viestin kannalta ratkaisevan tärkeä yksityiskohta ei ehkä ollut riittävän helposti poimittavissa alkuperäisistä tiedotteista.

Eräs toimittaja oli huolissaan siitä, että reaktori on nyt pitkään pois tuotantokäytöstä, sillä suojarakennuksen eristyksen korjaaminen vie varmasti aikansa. Suojaustoimintoon viittaava verbi oli ilmeisesti tulkittu substantiiviksi olettaen, että kyse oli vuodosta suojarakennuksen eristeissä. Myös ammattikielestä lainattu terminologia aiheutti tiettyjä viestintähaasteita. Ydintekniikassa esimerkiksi termille ”käyttöhäiriö” on varattu oma suhteellinen täsmällinen merkitysensä. Vakavakaan käyttöhäiriötilanne ei tarkoita sitä, että kyse olisi ydinvoimalaonnettomuudesta. Suurin osa ihmisistä ei kuitenkaan tätä eroa ymmärrettävästi näe.

Hämmennystä aiheutti varmasti myös se, että uutisissa kerrottiin ettei yhtä rajuihin suojaustoimintoihin ole Suomessa jouduttu aikaisemmin turvautumaan. Suojarakennuksen eristyksessä oli kuitenkin kyse automaattisesta varotoimenpiteestä, ei siitä, että toiminnolla olisi estetty tilanteen kehittyminen onnettomuudeksi. Suomalaisilla ydinvoimalaitoksilla odottamattomia alasajotilanteita tapahtuu harvoin, joten jokaisessa tapauksessa on kyse tavalla tai toisella poikkeuksellisesta tapahtumasta.


Päivitys (13.12.2020): Laitoksen uudelleen käynnistämisen aikataulu on päivitetty ensi viikon lopulle.

Päivitys (13.12.2020): TVO:n uusimman tiedotteen mukaan kohonnut aktiivisuustaso olisi suodattimesta irronneiden fissio- ja aktivoitumistuotteiden sijaan ollut peräisin suodatinmateriaalista jäähdytysveteen liuenneista aineista, jotka aktivoituivat kulkiessaan reaktorin sydämen läpi. Päähöyrylinjoissa kulkevan höyryn aktiivisuustaso nousi hetkellisesti 3-4 -kertaiseksi normaaliin verrattuna, mikä aiheutti reaktorin suojaustoimintojen laukeamisen. Tekstissä kuvatun selityksen kannalta tällä yksityiskohdalla ei ole suurta merkitystä, sillä aktivoitumistuotteet syntyivät joka tapauksessa reaktorin suljetun jäähdytyskierron sisälle.

Päivitys (16.12.2020): STUK on antanut laitokselle käynnistysluvan. TVO suorittaa laitoksella vielä tarkastuksia ennen ylösajon aloittamista. Käynnistyslupapäätöksen esittelymuistiossa kerrotaan tarkemmin myös häiriötilanteen taustoista. Suodattimesta irronneiden radionuklidien tai aktivoituneen suodatimassan sijaan suojaustoiminnon laukaissut aktiivisuustason nousu oli seurausta muutoksesta jäähdytyskierron vesikemiassa. Reaktorin käydessä veteen muodostuu typen lyhytikäistä 16N-isotooppia (puoliintumisaika 7 sekuntia), joka nostaa säteilytasoa primääripiirin putkistojen läheisyydessä. Radioaktiivista typpeä kulkeutuu höyryn mukana myös turbiinille. Suodattimeen päässyt lämmin vesi liuotti suodatinmateriaalista aineita, jotka vaikuttivat typen liukoisuuteen. Suurempi osuus veteen syntyneestä 16N:sta siirtyi höyryyn, mikä nosti aktiivisuustasoa myös turbiinille kulkevassa höyrylinjassa.

Päivitys (20.12.2020): Laitos kytkettiin uudelleen verkkoon viime yönä. Tehon nosto tapahtuu vaiheittain. Aikataulun mukaan reaktori saadaan täydelle teholle tiistaina.

Vetyä ydinenergialla

Ville Tulkki – 8.11.2020

Vety on kevein alkuaine, joka reaktio hapen kanssa muodostaa vettä ja vapauttaa energiaa. Vetyä käytetään myös monissa kemiallisissa prosesseissa, esimerkiksi lannoitteiden valmistuksessa tarvittava typpi tuotetaan reaktiossa, jossa vety yhdistyy ilman typen kanssa. Yhdistämällä vety hiileen voidaan tuottaa synteettisiä hiilivetyjä, esimerkiksi nestemäisiä polttonesteitä. Vety on käytössä puhdas energian kantaja, mutta haasteeksi tuleekin sen tuottaminen ilman hiilidioksidipäästöjä, sillä nykyään suurin osa maailman vedystä tuotetaan maakaasusta höyryreformoimalla

Vedystä maalaillaan nyt ratkaisua moneen tulevaisuuden vähäpäästöisen energiajärjestelmän haasteeseen, kuten tuuli- ja aurinkovoiman vaihtelevuuden kompensointiin, pitkän aikavälin energiavarastoksi, puhdistamaan lento- ja laivaliikennettä ja moneen muuhun. Vetyyn ollaan panostamassa lähiaikoina niin globaalisti kuin lähialueillammekin. Euroopan komissio arvioi Euroopassa uusiutuvaan vetyyn investoitavan 470 miljardin euron verran seuraavan kolmen vuosikymmenen aikana, ja aivan viime aikoina esimerkiksi Ranska ja Saksa ovat ilmoittaneet panostavansa 6 ja 7 miljardia euroa vedyntuotantoon lähivuosina. EU:n tavoitteena olisi 6 GW elektrolyyserikapasiteettia vuoteen 2025 mennessä ja 40 GW kapasiteettia vuoteen 2030 mennessä.  

Nykyiseen vedyntuotantoon kuluu noin prosentti-pari maailman primäärienergiasta, joten sen muuttaminen vähäpäästöiseksi toisi suunnilleen vastaavat päästövähenykset. Niin laiva- kuin lentoliikennekin tuottavat molemmat pari prosenttia maailman päästöistä (liikenne kokonaisuudessaan neljänneksen), kun taas esimerkiksi terästuotanto, jonka vedyllä voisi puhdistaa, taas kattaa 7-9% fossiilisista polttoaineista tulevista päästöistä. Siirtyminen vähäpäästöiseen vetytalouteen voisikin kattaa suuren osan näistä päästöistä, riippuen tietenkin vetytalouden laajuudesta. Vety on kuitenkin vain energian kantaja, ei sen lähde, ja vesimolekyyli voidaan halkaista monella tapaa. Blogin teeman mukaisesti tässä keskitytään vedyn tuottamiseen ydinenergialla.

Vedyn tuottaminen ydinenergialla

Vedyn tuottamista ydinenergian avulla on tutkittu vuosikymmeniä, ja esimerkiksi kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n sivuilla on sekä paljon raportteja kiinnostuneille sekä prosessin mallintamiseen tehtyjä työkaluja. Maailmalla ydinvedyn suuria maita ovat perinteisesti olleet kaasujäähdytteisten reaktoreiden kehittäjät, kuten Yhdysvallat, Japani, ja Saksa. Myös Ranskassa ja Iso-Britanniassa on nyt aloitteita ydinvedyn valmistamiseen.

Ydinenergiaa käytettäisiin veden hajottamiseen vaaditun energian tuottamiseen, joko sähkön, lämmön, tai molempien muodossa. Veden hajottamiseen käytetty teknologia vaikuttaa siihen millaista ydinteknologiaa energian tuottaminen vaatii.

Elektrolyysi

Yksinkertaisimmillaan ydinvetyä voisi tuottaa käyttämällä ydinvoimalan tuottamaa sähköä elektrolyysereissa, joilla vettä hajotetaan vedyksi ja hapeksi matalassa lämpötilassa. Matalan lämpötilan elektrolyysereitä on kaupallisessa käytössä paria eri teknologiaa, mutta käytännössä niillä hajotetaan nestemäisestä vedestä vetyä ja happea sähkövirran avulla. Näiden käyttäminen olisi ydinvoimalan kannalta yksinkertaista, sillä vedyntuotanto olisi ulkoistettu sähköverkon puolelle, eikä laitoksiin tarvitsisi tehdä muutoksia. Demonstraatioprojekteja on valmisteilla useita, esimerkiksi Yhdysvalloissa sekä Isossa-Britanniassa, mutta ne ovat yleisesti ydinvoimaloiden mittakaavoilla pieniä, 1-2 MW, ja enemmän teknologiademoja joilla on erityissovelluksia. Ensimmäiset pienet demot esimerkiksi tuottavat vetyä laitoksen omaan käyttöön (sähkögeneraattoreita jäähdytetään vedyllä), jatkossa suuremman mittaluokan sovellukset olisivat toisia. Esimerkiksi tilanteissa joissa verkossa on ylituotantoa ja sähkön hinta maissa voisi vetylaitoksella tuottaa enemmän vetyä, toisaalta suurimittainen vedyntuotanto toisi uuden myytävän tuotteen sähkön lisäksi ydinvoimaloille. 

Korkean lämpötilan höyryelektrolyysi

Jos vesihöyryä on saatavissa korkeassa lämpötilassa, vetyä voitaisiin tehokkaasti tuottaa kiinteäoksidielektrolyysereillä (solid oxide electrolyzer cell, SOEC). Näillä hyötynä ovat matalan lämpötilan elektrolyysereitä halvemmat materiaalit ja se että osa prosessin vaatimasta energiasta voidaan tuoda lämpönä. Matalan lämpötilan elektrolyysiin verrattuna tässä tulee hyötysuhde-etu, silloin kun molekyylin pilkkomiseen tarvittava energia tulee lämpövoimalaitoksesta. Sähköntuotannossa hyötysuhde on rajoitettu, mutta lämmöntuotannossa ei. Mitä suurempi osuus energiasta saadaan lämpönä, sitä suuremman kokonaishyötysuhteen se mahdollistaa. Vastaava periaate ei kuitenkaan päde tuuli- ja aurinkosähkölle mihin ei vastaavaa termodynaamisen hyötysuhteen rajoitusta liity. Lämmön käyttäminen on eduksi jos reaktioon voidaan käyttää puhtaasti tuotettua lämpöä ulkoisesta lähteestä, kuten esimerkiksi vetyä käyttävästä synteesiprosessista tai sitten vaikka ydinreaktorista. Haasteena on SOECin tarvitsema lämpötila, joka on välillä 550 – 850 C. Näin korkealämpöistä höyryä ei kuitenkaan välttämättä tarvitsisi esimerkiksi ydinreaktorilla tuottaa, sillä suurin energia vesihöyryn tuottamiseen vaaditaan veden kiehuttamiseen. Lämpö otettaisiin ydinlaitoksen sekundääripiiristä tai turbiinin väliotosta, mikä tuo omat selvityksen tarpeensa jos vedyntuotantolaitos olisi kiinteästi yhteydessä ydinvoimalaan. Samanlaisia selvitettäviä kysymyksiä tulee tosin kaikissa ydinlämmön käyttösovelluksissa.

SOECit ovat teknologiana varhaisemmassa vaiheessa kuin matalan lämpötilan elektrolyyserit, mutta demonstraatioprojekteja on käynnissä. Esimerkiksi Yhdysvalloissa julistettiin vastikää projekti ydinvoimalan yhteyteen soveltuvan 250 kW höyryelektrolyyserin testaamisesta, jonka pitäisi mahdollistaa satojen megawattien elektrolyyserisovellus tämän vuosikymmenen loppupuolella. SOECien yhdistämistä korkean lämpötilan ydinreaktoreihin on esitetty yhtenä mahdollisuutena suurimittaiseen puhtaan vedyntuotannon polkuun, mutta tämä vaatisi vielä panostuksia sekä vetyteknologiaan että ydinteknologiaan.

Katalyyttinen termolyysi

Vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi myös lämpötilan vaikutuksesta. Ilman katalyyttejä tähän tarvittaisiin monen tuhannen celsiusasteen lämpötiloja, mutta erilaisilla katalyyteilla voidaan vettä hajottaa paljon matalammissa lämpötiloissa. Tarkoituksenmukaisissa kemiallisissa kierroissa katalyytteja voidaan kierrättää prosessissa siten että lopulta prosessiin laitetaan vettä ja energiaa ja ulos saadaan vetyä ja happea. Erilaisia kiertoja on kehitetty niin ydinlämmön kuin keräävän aurinkolämmön hyödyntämiseen. Hyöty termolyysissa olisi se että se käyttäisi suoraan lämpöä sähkön sijaan, ja myös energiatehokkuus olisi korkeampi kuin elektrolyysissä. Haasteena ovat korkeat vaaditut lämpötilat ja vetylaitoksen sijoitus ydinlaitoksen läheisyyteen. Lämpö otettaisiin ydinreaktorista useamman lämmönvaihtimen kautta, ja sen takia itse reaktorissa lämpötilat olisivat korkeammat kuin mitä kemialliset prosessit vaativat.

Hyvin klassinen vedyn tuotannon kemiallinen kierto on rikki-jodikierto, jota on kehitetty hyödyntämään hyvin korkean kaasujäähdytteisen ydinreaktorin tuottamaa lämpöä. Japanissa on kehitetty sekä kemiallista kiertoa että korkean lämpötilan testireaktoria HTTR:ää, tarkoituksena lopulta yhdistää nämä kaksi teknologiaa ydinvedyn tehokasta tuottamista varten. Edellisen vetybuumin aikaan Yhdysvalloissa oli projekti Next Generation Nuclear Plant hyvin korkean lämpötilan ydinreaktorin kehittämiseksi jolla olisi voitu tuottaa vetyä tällä prosessilla, mutta teknologiset haasteet sekä vetykiinnostuksen hiipuminen vesisärötyksellä saatavan maakaasun yleistyttyä ajoivat projektin alas.

Rikki-jodisykli koostuu kolmesta reaktiosta, jossa ensimmäisessä jodi, rikkidioksidi ja vesi reagoivat muodostaen vetyjodidia rikkihappoa, toisessa reaktiossa rikkihappo hajotetaan lämmöllä rikkidioksidiksi, vedeksi ja hapeksi (prosessin tästä vaiheesta saadaan ulos puhdasta happea), ja kolmannessa vetyjodidi hajotetaan lämmöllä vedyksi ja jodiksi (jolloin saadaan prosessista vety). Rikkioksidi, vesi ja jodi kierrätetään taas ensimmäiseen reaktioon, ja tuloksena on suljettu kierto jossa kaikki komponentit ovat joko nestemäisiä tai kaasumaisia. Haasteena on se, että vetyjodidi ja rikkihappo ovat molemmat voimakkaita happoja, ja se että reaktiot vaativat lämpötiloja välillä 120 – 830 astetta Celsiusta. Vastaavasti ydinreaktoria jäähdyttävän kaasun olisi kuumimmillaan oltava luokkaa 950 C. Tällä hetkellä vedyntuotanto tällä syklillä on demonstroitu pienen vetymäärän (30 litraa vetyä tunnissa) noin viikon yhtäjaksoisella tuotannolla. Määrien kasvattaminen teolliseen mittakaavaan vaatii korkeita lämpötiloja ja korroosiota kestävien terästen kehittämistä, ja tämä voi olla pitkää T&K-panostusta vaativa tie. 

Rikki-jodisykli. Kuvan lähde.

Hybridisyklit

Vedyn tuottamiseen on esitetty myös erilaisia hybridisyklejä, jotka pohjaisivat osittain katalyyttisiin reaktioihin ja osittain elektrolyysiin. Näiden hyödyt olisivat elektrolyysiä suurempi lämmön hyödyntäminen ja matalammat lämpötilat kuin puhtailla lämpöprosesseilla. Yksi hybridiprosessi olisi kuparikloorisykli, jossa tosin ylimääräisenä haasteena on se että osa prosessin aineista ovat kiinteässä muodossa. 

(Ydin)vedyn tulevaisuus vielä auki

Vety on mahdollinen keino puhdistaa monia vaikeasti hiilidioksidipäästöistä irrotettavia aloja. Teknologian puolesta puhdasta tai vähäpäästöistä vetyä voidaan tuottaa monin tavoin, ja se ehkä on myös syy miksi nimistä ja leimoista väännetään voimakkaasti kättä. Tässä tekstissä olen käyttänyt termejä vähäpäästöinen tai puhdas vety, joille yksi määritelmä on esimerkiksi Hydrogen Europen tiekartassa. Sielläkin jo “puhdas” on rajattu tarkoittamaan yhden sertifikaatin määritelmää, joten näissä kannattaisi olla tarkkana.

Myös värikoodeja on käytetty, vihreä on vakiintunut uusiutuvalla energialla tuotetulle vedylle, harmaa fossiilisille vedylle, sininen ilmeisesti maakaasuvedylle josta hiili on kaapattu ja varastoitu. Ydinvedyn väriä ei ole missään virallisesti määritelty, viime aikoina yleistynyt väri on pinkki, joka mahdollisesti on saksalaista alkuperää. Toisaalta ydinvety on ajoittain myös yhdessä muiden kestävästi tuotettujen vetyjen kanssa vihreää, ja jossain on ydinvedylle esitetty myös keltaista väriä. Nämä leimat eivät ole tarkkaan määriteltyjä, omasta puolestani väri voisi olla vaikka fuksianpunainen.

EU on valmistellut vetystrategiaa, mutta ainakin virallisen tiedotteen osalta jatkaa perinteisellä ydinvoimavastaisella linjalle. Termi “puhdas vety” on rajattu tarkoittamaan vain uusiutuvilla tuotettua vetyä ja “vähäpäästöinen vety” viittaa fossiilisista polttoaineista tuotettuun vetyyn jonka hiilidioksidipäästöjä on rajoitettu hiilen sieppaamisella ja varastoinnilla. Toisaalta EU:n jäsenmaat kuten Ranska ja Puola ovat pitäneet esillä vedyn tuotantoa myös ydinenergialla, joten tässäkin EU-tason strategia pikemminkin pyrkii rajoittamaan jäsenmaiden ilmastotoimia kuin tukemaan niitä.

Vetytalouteen panostetaan nyt paljon, mutta vähäpäästöisen teknologian käyttöönotto on vasta edessä. Vuonna 2019 elektrolyysereita otettiin käyttöön 25 MW edestä, kun lähivuosikymmenten tarpeissa puhutaan kymmenien ellei satojen gigawattien määristä. Teknologian määrän pitäisi siis kasvaa useilla dekadeilla ennen kuin päästään nyt asetettuihin tavoitteisiin. Esimerkiksi kirjoituksen alussa mainittujen EU:n tavoitteiden saavuttaminen yksinään vaatisi elektrolyysereiden vuotuisen asennusvauhdin satakertaistumista seuraavan muutaman vuoden kuluessa. Lisäksi vety tarvitsee varastointi- ja siirtoinfrastruktuurin, loppukäytön vaatimuksista puhumattakaan. Mutta tällaisia uuden infrastruktuurin rakentamisvauhteja ilmastonmuutos tarvitsee. Toisaalta vetytalouden kanssa kilpailevat myös teollisuuden, lämmityksen ja liikenteen sähköistyminen, joten vaadittavan vedyn määrä tulevaisuudessa jää myös nähtäväksi. Voi myös perustella näkemystä jonka mukaan energiakentässä vety jää marginaaliin ja lähinnä kemianteollisuuden raaka-aineeksi.

Mikä rooli vähäpäästöisellä ydinenergialla tuotetulla vedyllä on tulevaisuudessa on vielä epäselvää. Ydinenergia mahdollistaisi vedyn tuotannon suureen paikalliseen tarpeeseen, kuten palvelemaan teollisuuslaitoksia keskitetysti ilman tarvetta suuriin varastoihin tai sähkön massiiviseen siirtoon. Sekä vedyn tuotannon että käytön osalta on vielä paljon epävarmuuksia. Mutta juuri tuon epävarmuuden takia tarvitsemme myös vaihtoehtoisia teknisesti mahdollisia polkuja kohti vähäpäästöistä yhteiskuntaa, ja ydinenergialla tuotettu vety on yksi näistä tulevaisuuden suurista mahdollisuuksista.

Isoja panostuksia pieniin reaktoreihin

Ville Tulkki – 18.10.2020

Pienreaktoreista on nyt puhuttu muutaman vuoden julkisuudessa suhteellisen taajaan, ja yksi iso kysymys on ollut että milloin ne päätyvät tutkimuksen ja konseptien kehityksen tasolta käyttöönottoon. Kysymys on aiheellinen, sillä konseptien suunnittelu ja hiominen on vielä halpaa, mutta varsinkin ensimmäisen laitoksen rakentaminen voi olla hyvinkin kallista. Monilla aloilla uusien teknologioiden käyttöönottoa ja kansainvälistä markkinointia on joudutettu valtion tuella, ja viime viikkoina on alkanut näyttää siltä että Atlantin toisella puolella tähän ollaan myös todella ryhtymässä. 

Nyt Yhdysvaltojen energiaministeriö on myöntänyt yli miljardin dollarin sitoumuksen ensimmäisen NuScale-voimalaitoksen rakentavalle konsortiolle kymmenelle seuraavalle vuodelle; ilmoittanut panostavansa ensi vaiheessa yhteensä 160 miljoonaa dollaria kahden pienreaktorin kehittäjälle, TerraPowerille ja X-Energylle, tavoitteena voimaloiden käyttöönotto seuraavan seitsemän vuoden aikana (jonka aikana liittovaltio on varautunut panostamaan enimmillään 3,2 miljardia dollaria näihin demonstraatioprojekteihin); ja varautuu uuden materiaalitutkimusreaktorin rakennusprojektin käyntiin laittamiseen yli 200 miljoonalla dollarilla

Nämä summat kuvaavat panostuksia, joita vaaditaan uusien teknologioiden ja uusien voimalaitosten käyttöönottoon. Nämä projektit eivät kuitenkaan ole ponnistaneet tyhjästä, vaan niillä on ollut pitkä ja väliin mutkainenkin historia.

NuScale

NuScale-voimalaitos on ollut pitkään pienreaktorikehityksen kasvot. Kaksitoista reaktorimoduulia rivissä vesialtaassa, jokainen tuottaen höyryä pyörittämään 60 MW sähkötehoista turbiinia. Se pohjautuu 2000-luvun alussa kehitettyyn Multi Application Small Light Water Reactor -konseptiin, jota kaupallistamaan perustettiin NuScale Power -niminen yritys. NuScale sai aikanaan ilmaa siipiensä alle ison rakennustoimiston Fluorin ostettua valtaomistuksen siitä, ja pääsi ensimmäisenä “uuden sukupolven” reaktorina osaksi Yhdysvaltojen viranomaisen NRC:n lisensoinnin modernisaatiota tähtäävään projektiin. NuScale saikin viranomaisen suunnittelusertifikaation tänä syksynä.

Ensimmäinen laitos olisi tarkoitus rakentaa Idahoon tämän vuosikymmenen aikana. Aiemmin energiaministeriö oli ollut mahdollisesti projektissa mukana ostamassa yhden reaktorimoduulin tuotantoa testaus- ja koulutuskäyttöön, mutta sen suunnitelman kaaduttua nyt on ilmeisesti päädytty suorempaan valtion tukeen vähentämään ensimmäisen laitoksen rakentamiseen liittyviä kustannuksia ja riskejä.

Yhdysvallat on ilmeisesti myös lähtenyt tukemaan ydinvoiman vientiä. Yhdysvaltojen kansainvälinen kehitysrahasto muutti tänä vuonna sääntöjään sallimaan ydinvoimaviennin tukemisen, ja on nyt esimerkiksi tehnyt aieilmoituksen NuScalen tukemisesta Etelä-Afrikan ydinvoimaprojektissa. Tällainen valtion tuki rahoitukselle on ollut tärkeä ehto ydinvoimaprojekteille monissa maissa, ja syy sille miksi venäläiset ja kiinalaiset yhtiöt ovat olleet vahvoja ydinvoimaloiden toimittajia monissa maissa.

X-Energy

X-Energyn Xe-100-reaktori on kaasujäähdytteinen kuulakekoreaktori, jossa ydinpolttoaine on pinnoitettuina hippuina (ns TRISO-partikkelit) tennispallon kokoisissa grafiittikuulissa. Jaakko kirjoitti viime vuonna laajemmin itse teknologiasta ja sen historiasta. Xe-100 olisi 80 MW sähkötehoinen laitos joita olisi tarkoitus voida sijoittaa neljän reaktorin paketeissa yhteensä 360 MW tehoiseksi voimalaksi. X-Energyn tarkoituksena on myös rakentaa tehdas valmistamaan TRISO-kuulia, kilpailemaan kansallisesti ainakin BWXT:n kanssa.

Yhdysvalloissa kaasujäähdytteisten reaktoreiden kehityksen edellinen ponnistus sijoittui 2000-luvun alkuun, kun siellä oli päätetty kansallisen neljännen sukupolven reaktorikonseptiksi kaasujäähdytteinen hyvin korkean lämpötilan reaktori joka soveltuisi vedyntuotantoon. Tämä suunnitelma oli kuitenkin hyvin kunnianhimoinen, ja vesisärötysteknologian tuotua markkinoille paljon halpaa maakaasua koko tarve vetytaloudelle katosi – sillä kertaa. Liittovaltio ja yritykset eivät päässeet yhteisymmärrykseen demonstraatiolaitoksen rakentamisen kustannusten jakamisesta, ja lopulta hanke jonka tarkoituksena oli ollut rakentaa toimiva ydinlaitos vuoteen 2021 mennessä päätyi keskittymään TRISO-polttoaineen valmistuksen laadun takaamiseen. Yksi historiikki tästä Next Generation Nuclear Plant (NGNP) -projektista on luettavissa open access -artikkelina. Tätä työtä nyt X-Energy hyödyntää pyrkiessään kaupallistamaan omaa laitoskonseptiaan.

Toisin kuin NGNP, joka pyrki yli 900 C asteen hyödynnettäviin lämpötiloihin vedyn tuottamiseksi katalyyttisella termolyysilla, Xe-100 tuottaa 565-asteista höyryä jota käytetään yleisesti sähköntuotantoon moderneissa konventionaalisten voimalaitosten turbiineissa. Tuo lähes neljänsadan asteen ero hyödynnettävässä lämpötilassa tarkoittaa sitä että NGNP:n kaataneet haasteet materiaalien kestävyydelle ovat paljon pienemmät Xe-100:ssa. Mikä ei tietenkään tarkoita etteikö Xe-100:llakin voisi ilmetä erilaisia mutkia kaupallisen ratkaisun tielle.

TerraPower

Terrapower sai tuen Natrium-nimisen reaktorikonseptinsa demonstroimiseen. Natrium on yhteistyössä GE-Hitachin kanssa kehitettävä natriumjäähdytteinen reaktori, johon on liitetty sulasuolalämpövarasto. Suolaa on käytetty lämpövarastona myös esimerkiksi keräävissä aurinkovoimaloissa, ja Natrium-voimalassa sen tarkoitus olisi mahdollistaa verkon kuormanseuranta ilman että reaktorin tehoa joudutaan säätämään. Koko voimalaitoskonsepti on verrattain uusi, sillä se julistettiin viime elokuussa. Suomalaisittain toistolta kuulostava natriumjäähdytteinen Natrium-reaktori selittyy sillä että englanniksi natrium on “sodium”, joten nimeämisessäkin vain ehkä haettiin halpaa ja helppoa eksotiikan tuntua.

TerraPower on alunperin perustettu kehittämään Travelling Wave -reaktoria, jossa suuressa reaktorissa fissiiliä polttoainetta sekä kuluisi että hyödettäisiin “aalloissa”, mahdollistaen todella pitkän käytön ilman polttoaineen vaihtoa. Tämä kuitenkin on ilmeisesti osoittautunut hyvin haastavaksi ja konsepti on ajan myötä muokkautunut lähemmäksi perinteistä natriumjäähdytteistä hyötöreaktoria. TerraPowerilla oli myös varasuunnitelmana kloridipohjainen sulasuolareaktori.

Natrium-konsortion toinen osapuoli GE-Hitachi on jo pidemmän aikaa pyrkinyt löytämään rahoitusta PRISM-reaktorilleen, joka juontaa juurensa natriumjäähdytteisten hyötöreaktoreiden kehitystyöstä ja 1964 käynnistyneestä EBR-II:sta. PRISMiä pyrittiin mm. Markkinoimaan Britteihin polttamaan heidän ylijäämäplutoniumiaan, ja GEH on solminut monia eri yhteistyösopimuksia eri reaktorikehittäjien kanssa pyrkien hyödyntämään PRISM-kokemustaan. Natrium-reaktoriyhteistyö voinee olla yksi näistä. 

Natrium-konsortiossa on TerraPowerin ja GEHin lisäksi muutama energiayhtiö sekä iso insinööri- ja projektiyhtiö Bechtel.

Versatile Test Reactor

Ydinreaktoreissa lämmöntuotanto pohjautuu neutroneihin (Jaakko on ketjureaktion perusteista ja seurauksista kirjoittanut esimerkiksi täällä) jotka ketjureaktion ylläpitämisen lisäksi vaikuttavat reaktorissa oleviin materiaaleihin, sekä ydinpolttoaineeseen että reaktorin ympärillä oleviin teräsrakenteisiin. Näitä vaikutuksia tutkitaan sitä tarkoitusta varta vasten rakennetuissa materiaalitestausreaktoreissa, joissa on säteilytyspaikkoja ydinpolttoaineiden testaukseen ja rakennemateriaalien säteilytykseen. Viime vuosikymmeninä tarve on kohdistunut lähinnä kevytvesireaktoreiden materiaalitutkimukseen, ja tutkimusreaktorit joissa olisi mahdollisuus simuloida esimerkiksi hyötöreaktoreiden olosuhteita on ajettu alas. Kun moni uusi reaktorikonsepti pohjautuu johonkin muuhun kuin kevytvesiteknologiaan, Yhdysvalloissa on herätty tarpeeseen rakentaa uusi materiaalitestausreaktori näiden tarpeita varten. Tämä on Versatile Test Reactor (VTR), jonka tarkempaa suunnittelua varten Yhdysvaltojen energiaministeriö on hakenut 295 miljoonaa dollaria rahoitusta vuodelle 2021, ja jonka suunniteltaisiin olevan käyttöönotossa vuonna 2026. Muualla vastaavaa koevalmiutta suunnitellaan Venäjälle (MBIR-koereaktori), kun taas Euroopassa uudessakin koereaktorikannassa ollaan pitäytymässä kevytvesiteknologiassa (ranskalainen Jules Horowitz -reaktori). 

Virallinen valinta käytetyn teknologian ja sijoituspaikan suhteen tehdään ensi vuoden lopulla, mutta alustavien puheiden mukaan VTR olisi todennäköisesti natriumjäähdytteinen ydinreaktori Idahossa. Sen varsinaisesta suunnittelusta ja rakentamisesta vastaisi Bechtelin johtama konsortio jossa ovat mukana GE-Hitachi sekä TerraPower. Tällä saattaa olla joitain synergiaetuja aiemmin mainitun Natrium-reaktorin kaupallistamiseen, jota tekee sama konsortio samaan teknologiaan perustuen.

Uuden teknologian käyttöönotto vaatii panostuksia

Tässä kirjoituksessa kuvatut Yhdysvaltojen panostukset uusien ydinreaktorikonseptien käyttöönottoon alkavat olla sitä mittaluokkaa siitä mitä ensimmäiset markkinoille tulevat laitokset vaativat. Kyseessä on teollisuuspoliittinen päätös jolla pyritään tukemaan kansallista teollisuutta ilmastonmuutoksen hillinnän lisäksi. Varmaa mikään ei tietenkään ole, sillä projektit vaativat sekä tulevien hallintojen että yksityisten yritysten pitkäaikaista sitoumusta. Vastaavanlaisia panostuksia tehtäneen myös esimerkiksi Venäjällä ja Kiinassa, mutta siellä ydinenergiatoimijoiden ollessa valtiollisia yhtiöitä liikkuvat rahasummat eivät ole välttämättä niin selviä. Kanada puolestaan tarjoaa eri kehittäjille joustavaa lisensointiprosessia sekä testialuetta koereaktoreille.

Euroopassa kansallisia pienreaktoriprojekteja on Ranskassa sekä Briteissä. Ranskan koronaelvytyspakettiin suunnitellaan 470 miljoonan euron osuutta ydinvoimalle josta iso osa olisi kohdistettu ranskalaisen NuWard-pienreaktorin kehittämiseen. Briteissä keskustellaan mahdollisesti 1,5-2 miljardin punnan panostuksesta Rolls Roycen vetämän konsortion pienreaktorin kaupallistamiseen. Toisaalta EU-tasolla ei ole osattu päättää edes siitä onko ydinvoima osa kestävää tulevaisuutta.

Noita summia kun katsoo voi myös kysyä, miksi lähteä edes pohtimaan suomalaista kaukolämpöreaktoria, meillä tuskin koskaan kun olisi odotettavissa moisia panostuksia julkista rahaa aiheeseen. Yhtäältä kyse on eri ydinreaktoreiden kunnianhimosta, siinä missä kansainväliset laitokset joita on kuvattu yllä ovat järjestään lämpöteholtaan gigawattiluokassa ja vaativat materiaaleja joita nykyisissä laitoksissa ei ole (tai jopa suljettua polttoainekiertoa), eurooppalaiseen verkkoon sopiva kaukolämpöreaktorilaitos olisi lämpöteholtaan kymmenistä muutamaan sataan megawattiin, tuottaisi vain kuumaa vettä, ja voitaisiin tehdä nykyisin käytetyin materiaalein. Eli kyseessä olisi paljon yksinkertaisempi tapaus kuin yksikään kansainvälisistä reaktoreista. Kuvatut kansainväliset reaktorit eivät myöskään ole suunniteltuja kaukolämpökäyttöön, vaan pääasiassa sähkön tai korkean prosessilämmön tuotantoon. Kaukolämmön tuotantoa pidetään myös helposti niche-markkinana, joka ei niin suurten kansainvälisten toimijoiden huomion piirissä ole. Käynnissä olevalla suunnittelutyöllä voimme myös tuoda esille paikalliset tarpeet puhtaan energian tuotannolle, kun harvemmin muut sitä puolestamme tekevät.

Fukushiman jätevesiongelma

Jaakko Leppänen – 17.10.2020

Vuonna 2011 onnettomuudessa tuhoutuneen Fukushiman ydinvoimalan omistava Tepco-yhtiö on saamassa Japanin hallitukselta luvan laskea laitosalueelle varastoitua radioaktiivista vettä mereen. Suunnitelma on ollut vireillä jo vuosia, ja se on ymmärrettävästi herättänyt paljon huolta ja keskustelua. Aiheesta uutisoi värikkäin sanankääntein myös esimerkiksi Iltalehti.

Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden syitä ja seurauksia on käsitelty yksityiskohtaisesti aikaisemmissa blogikirjoituksissa. Laitosalueelle kerääntynyt radioaktiivinen vesi on ollut ongelma jo alusta lähtien, ja myös nyt tehty päätös sen hallitusta vapauttamisesta on ollut odotettavissa jo pitkään. Onnettomuudesta on kuitenkin ehtinyt kulua jo sen verran aikaa, että aihetta käsittelevissä uutisissa monet asiat menevät helposti keskenään sekaisin. Esimerkiksi edellä mainitussa Iltalehden jutussa kerrotaan, että ”merivesi nuolee yhä tänä päivänä sulanutta reaktoria”. Tämä, kuten moni muukaan uutisessa esitetty asia, ei pidä paikkansa. Yritän tässä blogikirjoituksessa tuoda vähän selvyyttä siihen, mitä Fukushimassa on tällä hetkellä tekeillä.

Mistä radioaktiivinen vesi on peräisin?

Maaliskuussa 2011 tapahtuneessa onnettomuudessa oli kyse sydämensulamisonnettomuudesta kolmella laitosyksiköllä. Sulamisen yhteydessä vaurioituneesta ydinpolttoaineesta vapautui radioaktiivisia aineita, jotka sekoittuivat polttoainetta jäähdyttävään veteen. Koska onnettomuuden aiheuttanut tsunami oli tuhonnut laitoksen jäähdytysjärjestelmien sähkönsyöttöön tarkoitetut diesel-generaattorit, reaktoreita jouduttiin jäähdyttämään pumppaamalla merivettä reaktorirakennusten sisälle. Radioaktiivisia aineita mukanaan kuljettavaa vettä päätyi erilaisten vuotokohtien kautta reaktori- ja turbiinirakennusten maanalaisiin tiloihin. Onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana vettä pääsi vuotamaan myös suoraan mereen. Pahimmat vuotokohdat saatiin tukittua huhtikuun aikana, ja päästö mereen käytännössä loppui kun suljettu jäähdytyskierto saatiin toimimaan heinäkuussa 2011. Kellaritiloihin valunutta vettä alettiin kierrättää puhdistamisen jälkeen takaisin reaktoreihin, jolloin ulkopuolinen vedensyöttö voitiin lopettaa.

Sen jälkeen kun onnettomuustilanne saatiin hallintaan, suurin ongelma on ollut reaktorirakennuksiin vuotava pohjavesi. Jotta radioaktiivisia aineita ei pääsisi vuotamaan enempää ympäristöön, maanalaisten tilojen vedenpinnankorkeus on pidettävä pohjaveden tason alapuolella. Paine-ero takaa tällöin sen, että vuoto tapahtuu ulkoa sisään eikä päinvastoin. Koska pohjavettä tihkuu jatkuvasti sisään, tilanteen ylläpitämiseksi vettä on pumpattava kellaritiloista jatkuvasti ulos. Veteen sekoittuneiden radioaktiivisten aineiden vuoksi sitä ei voida laskea mereen, joten kaikki saastunut vesi on varastoitu laitospaikalle.

Vesisäiliöitä Fukushiman Daiichin ydinvoimalaitosalueella.

Kuva 1: Google maps -kuvakaappaus Fukushima Daiichin ydinvoimalaitosalueesta. Pyöreät rakennelmat ovat säiliöitä, joihin on varastoitu radioaktiivista vettä. Tähän mennessä laitosalueelle on kertynyt säiliöitä reilu tuhat kappaletta.

Ongelmana tritium

Onnettomuustilanteessa ydinpolttoaineesta vapautuu monenlaisia radioaktiivisia aineita. Aikaisemmassa blogikirjoituksessa ongelmallisiksi radionuklideiksi mainittiin erityisesti jodin isotooppi I131, joka muodostaa lähialueen väestölle suurimman välittömän säteilyriskin, sekä cesiumin isotooppi Cs137, joka aiheuttaa ympäristön pitkäaikaista saastumista. Jodin puoliintumisaika on sen verran lyhyt, että se häviää ympäristöstä jo muutamassa kuukaudessa. Cesium sen sijaan jää maaperään pitkäksi aikaa, ja sen pitoisuudet pienenevät lähinnä laimenemalla laskeuman painuessa syvemmälle maahan.

Näitä samoja aineita liukenee myös veteen. Cesiumia ja monia muita fissiotuotteita pystytään kuitenkin poistamaan tehokkaasti erilaisilla suodattimilla. Näin on toimittu myös Fukushimassa. Laitosalueelle varastoitu vesi on jo puhdistettu pahimmista radionuklideista. Ongelmaksi muodostuu kuitenkin yksi isotooppi, tritium, joka ei tartu minkäänlaisiin suodattimiin. Tritium on vedyn radioaktiivinen isotooppi (H3), joka muodostaa toisen vetyatomin ja yhden happiatomin kanssa vesimolekyylin. Tritiumia sisältävä vesi ei poikkea kemiallisesti millään tavalla puhtaasta vedestä, minkä vuoksi myöskään sen erottaminen ei onnistu kemiallisin menetelmin.

Radioaktiivisena aineena tritium ei ole pahimmasta päästä. Radioaktiivisen isotoopin säteilymyrkyllisyyteen vaikuttaa esimerkiksi sen emittoiman säteilyn laatu, sekä hajoamisessa vapautuva energia. Korkeaenerginen alfasäteilijä vaikuttaa elimistöön päästyään eri tavalla kuin matalaenerginen beetasäteilijä, vaikka aineen määrä olisikin molemmissa tapauksissa sama. Tritium on beeta-aktiivinen isotooppi, jonka hajoamisessa vapautuva energiamäärä on pieni.i Tritium ei myöskään tuota lainkaan radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä tavallisesti esiintyvää läpitunkevaa gammasäteilyä. Koska tritium liukenee veteen täydellisesti, se ei cesiumista ja muista radioaktiivisista päästöistä poiketen pääse rikastumaan ravintoketjuun. Kyse on silti ympäristölle vaarallisesta aineesta, jolle on asetettu ydinenergiantuotantoa ohjaavassa lainsäädännössä päästörajat.

Paljonko on paljon?

Tritiumin puoliintumisaika on 12 vuotta, joten sen määrä Fukushiman laitosalueelle kerätyissä vesisäiliöissä ei putoa itsestään kovinkaan nopeasti. Koska veden määrä kasvaa jatkuvasti, varastokapasiteetti tulee ennemmin tai myöhemmin täyteen. Ratkaisuksi Tepco on jo pitkään esittänyt tritiumin hallittua vapauttamista mereen. Vettä laskettaisiin pienissä erissä, jotta pitoisuudet meressä ehtisivät laimentua ja tasaantua. Perusteluna ratkaisulle on ollut erityisesti se, että radioaktiivisen veden varastointi sitoo paljon resursseja, joille olisi parempaakin käyttöä onnettomuuden jälkihoidossa.

Maaliskuussa 2020 laitosalueelle oli kerääntynyt tritiumia noin 2.4 grammaa, joka on sekoittuneena yli miljoonaan kuutioon vettä. Määrä voi kuulostaa mitättömän pieneltä. Radioaktiivisten aineiden määrää tai pitoisuutta ei kuitenkaan ole mielekästä mitata massayksiköissä, sillä myös ytimien hajoamisnopeus vaikuttaa ratkaisevasti aineen emittoiman säteilyn voimakkuuteen. Lyhytikäisestä isotoopista koostuva radioaktiivinen aine voi säteillä miljoonia kertoja voimakkaammin kuin vastaava määrä ainetta, joka koostuu pitkäikäisistä ytimistä. Paremman vertailuluvun antaa hajoamisen nopeutta kuvaava aktiivisuus. Fukushimassa tritiumin kokonaisaktiivisuus on noin 860 terabecquereliä (TBq), joka tarkoittaa 860 biljoonaa radioaktiivista hajoamista sekunnissa.

Myöskään aktiivisuus ei vielä ilman järkevää vertailukohtaa kerro kovinkaan paljon ongelman mittakaavasta. Fukushiman tapauksessa mittatikkuna voidaan käyttää esimerkiksi sitä, miten paljon radioaktiivisia aineita pääsi vapautumaan ympäristöön onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana. Ilmapäästön suuruusluokaksi on arvioitu 340,000 – 800,000 TBq, minkä lisäksi mereen pääsi vuotamaan suoraan vähintään 10,000 TBq radioaktiivisia aineita. Nämä päästöt koostuivat pääosin jodista, cesiumista ja muista tritiumia ikävämmistä isotoopeista.

Tritiumia vapautuu ympäristöön myös ydinvoimaloiden normaalikäytön aikana. Päästölukuja on kerätty esimerkiksi YK:n alaisen UNSCEAR-järjestön raportteihin. Olkiluodon ykkös- ja kakkosyksiköiden yhteenlaskettu vuosittainen tritiumpäästö on suuruusluokkaa 1–2 TBq, ja Loviisan laitosten päästö noin 10 TBq. Normaalikäytön aikaiset päästöt riippuvat monesta tekijästä, mutta mitä useammasta reaktoriyksiköstä laitos koostuu, sitä suuremmiksi myös päästöt nousevat. Fukushiman Daiichi- ja Daini-voimalaitoksilla oli ennen onnettomuutta käytössä yhteensä kymmenen reaktoria. Hitaasti päästämällä meriveden tritiumpitoisuus saataisiin pysymään käytännössä onnettomuutta edeltäneellä tasolla, ja juuri tähän hallitulla päästämisellä myös pyritään. Kevytvesityyppisiä paine- ja kiehutusvesireaktoreita suurempia tritiumpäästöjä aiheutuu raskasvesireaktoreista, joita on käytössä esimerkiksi Kanadassa. Maan kaikkien ydinvoimaloiden yhteenlaskettu tritiumpäästö on ollut korkeimmillaan lähes 8000 TBq vuodessa.ii

Ydinvoimaloita selvästi suurempi tritimin päästölähde on kuitenkin historiallisesti ollut ydinaseteollisuus. Tritiumia käytetään vetypommien fuusiopolttoaineena, sekä tavanomaisissa fissiopommeissa räjähdysvoiman kasvattamiseen. Ydinasemateriaalien tuotantolaitoksessa valmistettavan tritiumin määrä ylittää monella kertaluokalla aktiivisuusinventaarin, joka syntyy ydinreaktorin jäähdytteeseen. Myös päästöt skaalautuvat samassa suhteessa. Yhdysvaltalaisen Savannah River Site -tuotantolaitoksen on arvioitu vuosien 1954–1992 välisenä aikana päästäneen ympäristöön lähes miljoona terabecquereliä tritiumia.iii

Vielä suurempia päästöjä on aiheutunut ilmakehässä tehdyistä ydinkokeista. Ennen vuonna 1963 solmittua osittaista ydinkoekieltosopimusta suurvallat ehtivät tehdä yli 500 maanpäällistä ydinräjäytystä, joista huomattava osa oli suuria vetypommeja. Räjäytysten yhteydessä ilmakehään vapautui yli 100 miljoonaa terabecquereliä tritiumia. Jo yksittäisen megatonniluokan vetypommin räjähdyksessä vapautuneen tritiumin määrä ylittää Fukushiman laitosalueen kokonaisinventaarin noin 200-kertaisesti.

Miten suuria ympäristöhaittoja on odotettavissa?

Kun kyse on ympäristön tietoisesta saastuttamisesta, vertailu vielä pahempaan saastuttajaan on yleisesti ottaen heikko perustelu toiminnalle. Vaikka päästö voitaisiin tehdä hallitusti ja ylittämättä meriveden tritiumpitoisuudelle asetettuja raja-arvoja, Tepcon valitseman ratkaisun voidaan tavallaan katsoa olevan ristiriidassa myös ydinenergia-alalla yleisesti sovellettavan ALARA-periaatteen (As Low As Reasonably Achievable) kanssa. Tämän periaatteen mukaan ympäristön ja ihmisten säteilyaltistus on pyrittävä mahdollisuuksien rajoissa minimoimaan silloinkin, kun päästöt alittavat jo valmiiksi niille asetetut rajat, tai jäävät muuten merkityksettömän pieniksi.

Oli asiasta mitä mieltä tahansa, keskustelun järkevyyden kannalta ongelman mittakaava olisi kuitenkin hyvä kyetä hahmottamaan. Kyse ei ole siitä, että reaktorirakennusten sisällä olevaa pahasti saastunutta vettä haluttaisiin päästää sellaisenaan ympäristöön. Laitosalueen säiliöihin varastoitu vesi on jo käynyt perusteellisen puhdistusprosessin läpi, ja ongelmana on lähinnä yksittäinen isotooppi, jota on kemiallisesti mahdoton erottaa vedestä. Parempaakaan ratkaisua ei siis ole odotettavissa. Onnettomuuslaitoksen purkaminen on joka tapauksessa pitkä, 30–40 vuotta kestävä prosessi. Tritiumin päästön on määrä tapahtua vaiheittain tänä aikana siten, että ympäristön tila on samalla jatkuvassa seurannassa.

Edellä esitettyjen vertailujen perusteella tritiumpäästön suuruudesta voidaan tehdä ainakin seuraavia johtopäätöksiä:

  1. Tritiumin laskeminen mereen edustaa muutaman prosentin kymmenyksen lisäystä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöön. Pahin vahinko on siis jo joka tapauksessa päässyt tapahtumaan.
  2. Maailman ydinvoimalaitoksista pääsee myös normaalikäytön aikana mereen tritiumia, eikä määrien katsota aiheuttavan ympäristöongelmia. Vaikka kaikki Fukushiman laitosalueella oleva tritium laskettaisiin kerralla mereen, määrä jäisi noin kymmenesosaan kanadalaisten raskasvesireaktoreiden yhteenlasketuista vuosipäästöistä.
  3. Ydinaseteollisuudesta ja ydinkokeista vapautuneen tritiumin määrä ylittää Fukushiman tritiuminventaarin yli 100,000-kertaisesti. Suunniteltu tritiumpäästö ei siis yllä lähellekään sitä tasoa, mille maailman meret ovat kylmän sodan vuosina joutuneet altistumaan.

Iltalehden uutisessa kerrotaan, että myrkkyveden laskeminen mereen tuhoaa kalastusvedet ja ihmisten elinkeinon Korean rannikkoa myöten. Vastaavaa viestiä välitetään monissa muissakin uutislähteissä. Kyse on kaikin puolin ikävästä asiasta. Onnettomuus aiheuttaa edelleen ympäristövaikutuksia, tai vähintään huolta lähialueen väestössä. Perusteettomien kauhukuvien maalailu ei kuitenkaan auta asiaa sen enempää kuin seurausten vähättelykään.


Päivitys (17.10.2020): Blogitekstissä viitatun Iltalehden uutisen otsikkoa ja sisältöä on sittemmin korjattu.

Päivitys (13.3.2021): Tritiumin hallitusta päästöstä on nyt tehty virallinen päätös. Uutisen mukaan vuosittain veteen vapautettavan tritiumin määrän tulee jäädä alle laitoksen normaalikäytön aikaisen 22 terabecquerelin vuosipäästörajan. Päästö on samaa suuruusluokkaa kuin Suomen käyvillä laitoksilla.


i) Esimerkki radioaktiivisten aineiden säteilymyrkyllisyydestä saadaan vertaamalla tritiumia poloniumin Po210-isotooppiin, joka edustaa säteilymyrkyllisyydeltään toista ääripäätä. Tritiumin hajoamisessa vapautuvat beetahiukkaset syntyvät keskimäärin noin 5.7 kiloelektronivoltin energialle. Po210 on alfa-aktiivinen isotooppi, jonka emittoimilla alfahiukkasilla on energiaa 5.4 megaelektronivolttia. Yhtä Po210:n hajoamista kohden tritiumin hajoamisreaktioita pitäisi siis tapahtua lähes tuhat, jotta esimerkiksi elävään kudokseen absorboituneen energian määrä olisi sama.

ii) Kevytvesilaitoksilla tritiumia syntyy pääasiassa fissiotuotteena reaktorin polttoaineeseen. Fukushiman onnettomuudessa tritium pääsi muiden radioaktiivisten aineiden tapaan vapautumaan jäähdytteeseen polttoaineen vaurioituessa. Tritiumia vapautuu pieniä määriä veteen myös laitoksen normaalikäytön aikana, esimerkiksi polttoainesauvojen vuodoissa. Painevesireaktoreissa isotooppia syntyy myös suoraan jäähdytteeseen reaktiivisuuden säätöön käytetyn boorihapon neutronikaappausreaktioissa. Tämä selittää myös eron Loviisan ja Olkiluodon laitosten tritiumpäästön välillä: Loviisan reaktorit ovat tyypiltään painevesireaktoreita. Boorin lisäksi tritiumia syntyy veteen vedyn raskaan deuterium-isotoopin neutronikaappausreaktioissa. Tavallisessa vedessä tällaiset reaktiot ovat harvinaisia, sillä isotoopin atomiosuus on alle 0.02%. Raskasvesireaktoreissa vesimolekyylien vetyatomit koostuvat lähes 100%:sti deuteriumista, joten myös tritiumia tuottavia neutronikaappausreaktioita tapahtuu paljon enemmän.

iii) Tritiumin valmistuksesta ja käsittelystä aiheutuu väistämättä suuria päästöjä, sillä pienen molekyylikokonsa vuoksi isotooppi pääsee tunkeutumaan helposti tiivisteiden ja jopa kiinteiden metallirakenteiden läpi. Vastaavaan ongelmaan tullaan vielä törmäämään, jos tritiumia polttoaineenaan käyttävistä fuusioreaktoreista tulee joskus teknologian valtavirtaa. Tuhannen megawatin fuusioreaktori tarvitsisi toimiakseen reilu sata kiloa tritiumia vuodessa. Polttoaineen valmistuksen ja käsittelyn yhteydessä päästöjä vapautuisi muutaman gramman verran. Jo yksittäisen kaupallisen kokoluokan fuusiolaitoksen normaalikäytön aikaiset vuosipäästöt vertautuisivat siihen tritiumin määrään, jonka vapauttamista Tepco-yhtiö parhaillaan suunnittelee.

Radioaktiivisia aineita taas ilmassa

Jaakko Leppänen – 2.7.2020

Säteilyturvakeskuksen ilmakeräimet havaitsivat 16.-17.6. pieniä määriä keinotekoisia radioaktiivisia aineita Helsingin ilmassa. Vastaavia havaintoja tehdään useamman kerran vuodessa, mutta tällä kertaa myös media tarttui aiheeseen. Viimeisimmät lukemat saatiin Kotkan mittausaseman suurtehokeräimeltä, ja kohonneita pitoisuuksia on mitattu myös Ruotsissa. Päästölähteen arvellaan sijaitsevan Venäjällä, mutta tarkempaa tietoa radioaktiivisten aineiden alkuperästä ei toistaiseksi ole.

Tässä lyhyt katsaus siihen, mitä mittauksissa on havaittu, ja minkälaisia arvauksia niiden pohjalta voidaan päästölähteestä tässä vaiheessa esittää. Ympäristön säteilyhavaintoja sekä säteilytilanteen seurantaan liittyvää tekniikkaa on käsitelty tarkemmin vuoden takaisessa blogikirjoituksessa.

Mitä havainnot kertovat päästön lähteestä?

Helsingin mittausaseman ilmakeräin havaitsi kolmen alkuaineen (koboltin, ruteniumin ja cesiumin) neljää isotooppia: Co60, Ru103, Cs134 sekä Cs137. Kotkan näytteistä löytyi lisäksi zirkoniumin ja niobin isotooppeja Zr95 ja Nb95. Kobolttia syntyy aktivoitumistuotteena ydinreaktorin teräsrakenteisiin, ja muita radionuklideja fissiotuotteina uraanipolttoaineeseen reaktorin käydessä. Kahta jälkimmäistä syntyy pieniä määriä myös polttoaineen suojakuoriputkimateriaalin aktivoituessa neutronisäteilytyksen vaikutuksesta.

Kun kyse on fissiotuotteista, päästö voisi periaatteessa olla lähtöisin myös ydinkokeesta. Ydinräjähdyksessä vapautunut energia on peräisin samasta uraanin tai plutoniumin halkeamisreaktiosta kuin mihin reaktorin energiantuotanto perustuu, joten reaktion sivutuotteena syntyy myös paljon samoja tytärytimiä. Ydinräjähdyksessä ja reaktorionnettomuudessa vapautuneen päästön isotooppijakaumat eivät kuitenkaan kaikilta osin vastaa toisiaan. Reaktorissa lyhytikäiset fissiotuotteet muuttuvat toisiksi ytimiksi radioaktiivisella hajoamisella, mutta ydinräjähdyksessä kaikki fissiot tapahtuvat niin lyhyellä aikavälillä, ettei vastaavia muutoksia ehdi tapahtua. Erot näkyvät esimerkiksi cesiumin isotooppien Cs134 ja Cs137 keskinäisissä suhteissa. Jos havaittu päästö olisi peräisin ydinräjähdyksestä, isotoopin Cs134 suhteellisen osuuden pitäisi olla huomattavasti mitattua pienempi.

Keräimen mittaama alkuainekoostumus ei vastaa myöskään reaktorionnettomuudessa tyypillisesti vapautuvaa päästöä. Onnettomuustilanteessa radioaktiivisia aineita pääsee ilmaan kun polttoaine vaurioituu tai sulaa. Eri alkuaineet poikkeavat toisistaan kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksiensa osalta, ja käyttäytyvät siksi myös onnettomuustilanteissa eri tavoin. Osa fissiotuotteista vapautuu helposti, ja osa jää vakavissakin onnettomuuksissa sulaneeseen polttoaineeseen.

Edellä mainituista alkuaineista cesium kaasuuntuu jo suhteellisen matalassa lämpötilassa, mikä vuoksi myös sen vapautumisaste on verrattain suuri. Ruteniumia ei sen sijaan vastaavia määriä tavallisesti vapaudu. Ru103:n havaitseminen ilmanäytteessä viittaisi siis siihen, että päästö olisi peräisin jostain muualta kuin vaurioituneesta reaktorista.

Ydinvoimalaonnettomuudesta peräisin olevalle päästölle tyypillisiin alkuaineisiin kuuluu cesiumin lisäksi jodi, erityisesti sen isotooppi I131. Jodi kaasuuntuu vielä cesiumiakin matalammassa lämpötilassa, ja isotooppia I131 syntyy reaktorin polttoaineeseen Cs137:ään verrattuna moninkertainen määrä. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että jos vaurioituneesta polttoaineesta pääsee karkaamaan cesiumia, päästössä on väistämättä mukana myös jodia. Tällainen päästö ei jää helposti huomaamatta, mistä kertoo esimerkiksi se, että Japanissa vuonna 2011 tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttama jodipäästö pystyttiin herkillä mittalaitteilla havaitsemaan Suomessa saakka. Se, että ilmanäytteistä ei ole tällä kertaa löytynyt lainkaan jodia, viittaisi myös päästölähteen olevan jokin muu kuin toiminnassa ollut ydinreaktori.

Mistä muualta päästö sitten voisi olla peräisin? Suomessa reaktorista poistettu polttoaine siirretään sellaisenaan välivarastolle odottamaan geologista loppusijoitusta. Vaihtoehtoinen jätehuoltoratkaisu on polttoaineen jälleenkäsittely, jossa jäljellä oleva uraani sekä polttoaineeseen reaktorin käytön aikana syntynyt plutonium erotetaan jätteeksi päätyvistä fissiotuotteista. Uraani voidaan väkevöidä uudelleen, ja plutoniumista valmistetaan esimerkiksi nopeiden reaktoreiden käyttämää sekaoksidi- eli MOX-polttoainetta. Polttoaineen jälleenkäsittelyä tehdään esimerkiksi Venäjän Majakissa.

Jos päästö olisi reaktorin sijaan peräisin jälleenkäsittelylaitoksesta, kahdeksan päivän puoliintumisajalla hajoavan I131:n puuttuminen selittyisi sillä, että polttoainetta on ennen käsittelyä välivarastoitu useamman vuoden ajan. Tällainen päästöskenaario ei kuitenkaan täysin selitä mittauksissa löytynyttä kobolttia. Isotoopin Co60 osuus on muihin radionuklideihin verrattuna epäilyttävän korkea. Ongelmaksi muodostuu myös rutenium. Isotoopin Ru103 puoliintumisaika on sen verran lyhyt (39 päivää), että sen voisi olettaa hävinneen kokonaan jälleenkäsiteltävästä polttoaineesta.

Energiantuotannon lisäksi ydinreaktoreita käytetään radioaktiivisten isotooppien valmistukseen. Sopivaa lähtöainetta sisältävää näytekapselia säteilytetään reaktorin sydämessä, ja näytteeseen syntynyt radioaktiivinen aine erotetaan jälkeenpäin kemiallisesti. Teollisuudessa ja terveydenhuollossa käytettyjä radionuklideja on kymmeniä. Yksi yleisimmistä on juurikin päästöstä löytynyt koboltin isotooppi Co60. Myös cesiumia käytetään säteilylähteenä, ja ruteniumilla on käyttöä tiettyjen syöpätyyppien sädehoidossa. Koska havaitussa päästössä on kyse kaupallisessa käytössä olevista isotoopeista, oma veikkaukseni on, että lähde liittyy tavalla tai toisella niiden valmistusketjuun.

Havaintoja radioaktiivisesta ruteniumista tehtiin viimeksi vuonna 2017. Päästölähde paikannettiin tällöinkin Venäjälle. Kyse oli isotoopista Ru106, mutta nyt havaittua lyhytikäistä Ru103:a syntyy saman valmistusprosessin yhteydessä. Se, että havainto koostuu ainoastaan jälkimmäisestä isotoopista voisi selittyä esimerkiksi sillä, että matala-aktiivisemman Ru106:n pitoisuus jää havaitsemisrajan alapuolelle.

Miten suurista pitoisuuksista on kyse?

Säteilyturvakeskuksen mittausasemilla tehdyt havainnot löytyvät verkosta. Helsingissä 16.-17.6. mitattu Cs137 pitoisuus oli n. 16 mikrobecquereliä kuutiossa ilmaa. Kuluvan vuoden aikana cesiumia on havaittu ilmassa kolmesti aikaisemminkin, eli siinä mielessä kyse ei ole mitenkään poikkeuksellisesta säteilyhavainnosta. Useimmiten päästöjen alkuperä jää hämärän peittoon, eivätkä vastaavat tapaukset tavallisesti ylitä uutiskynnystä.

Ilmakeräimien mittaamat aktiivisuudet on ilmoitettu pitoisuuksina kuutiossa ilmaa. Aktiivisuuden yksikkönä käytetään becquereliä, joka kuvaa radioaktiivisen hajoamisen nopeutta, eli välillisesti sitä, miten paljon ilmassa säteilee. Yksi becquerel vastaa yhtä hajoamisreaktiota sekunnissa. Miljoonasosaa tarkoittavan mikro-etuliitteen kanssa käytettynä kyse on siis hyvin pienistä pitoisuuksista. Käytännössä 16 µBq/m3 aktiivisuuspitoisuus tarkoittaa sitä, että yhdessä kuutiossa ilmaa tapahtuu yksi Cs137-ytimen radioaktiivinen hajoaminen keskimäärin 17 tunnin välein.

Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyviä suureita voi olla toisinaan vaikea hahmottaa, sillä kyse on atomitason ilmiöistä, joissa lukuarvojen vaihteluväli on suuri. Tässä tapauksessa sopivana mittatikkuna voidaan käyttää huoneilman radonia, jonka aiheuttamaa säteilyaltistusta on käytännössä mahdoton välttää. Keskimääräisessä suomalaisasunnossa huoneilman radonpitoisuus on luokkaa 100 Bq/m3 (huom. ilman mikro-etuliitettä). Tämä tarkoittaa sitä, että yhdessä kuutiossa ilmaa tapahtuu yhden sekunnin aikana sata radioaktiivisen Rn222-ytimen hajoamisreaktiota. Jos radonin hajoamisessa syntyneen säteilyn voisi nähdä, ilma olisi kirjaimellisesti täynnä sitä. Havaittu Cs137-aktiivisuus jää alle miljoonasosaan radonin luonnollisesta aktiivisuustaustasta.

Seuraavaa uutista odotellessa

Kuten edellä todettiin, STUK:in seurantamittauksissa havaitaan säännöllisesti pieniä määriä keinotekoisia radioaktiivisia aineita, mutta havainnot ylittävät vain harvoin uutiskynnyksen. Tämänkertainen havainto oli kuitenkin siitä poikkeuksellinen, että siitä uutisoitiin myös ulkomailla (mikä oli mahdollisesti syy siihen, miksi myös kotimainen media tarttui aiheeseen). Amerikkalainen Popular Mechanics -lehti ehti viedä hypoteesinsa jo astetta pidemmälle toteamalla, että havainnot viittaavat Venäjällä tehtyyn asekokeeseen. Vihjailevasta otsikosta huolimatta tekstissä ei tosin väitetä että kyse olisi varsinaisesta ydinasekokeesta, vaan kirjoituksessa haetaan lähinnä yhtäläisyyksiä viime kesänä tapahtuneeseen Arkangelin räjähdykseen.

Toimittaja viittaa tekstissään Suomessa ja Ruotsissa tehtyihin isotooppihavaintoihin. Jutussa kerrotaan myös, että Norjan Finnmarkin ja Svalbardin mittausasemilla otetuista ilmanäytteistä on löytynyt jodin radioaktiivista isotooppia I131. Vaikka jodin löytyminen vaikuttaisi olevan se palapelin viimeinen palanen joka osoittaisi päästön olevan kuitenkin peräisin reaktorionnettomuudesta (tai tässä tapauksessa ydinkäyttöisestä risteilyohjuksesta), tilanne ei todellisuudessa ole aivan näin yksinkertainen. Norjan jodihavainnot tehtiin nimittäin jo kesäkuun alussa, eli lähes kaksi viikkoa ennen Suomessa ja Ruotsissa mitattuja kohonneita pitoisuuksia. Norjan mittausten yhteydessä ei myöskään raportoitu muista radioaktiivisista aineista.

Mitä tästä kaikesta sitten pitäisi päätellä? Kesäkuun alussa Huippuvuorilla ja Pohjois-Norjassa mitattiin radioaktiivista jodia, mutta päästössä ei ollut mukana lainkaan toista yleistä fissiotuotetta – cesiumia. Pari viikkoa myöhemmin Etelä-Suomessa mitattiin cesiumia ja muita radioaktiivisia aineita, mutta ei jodia. Mittausasemat sijaitsevat satojen kilometrien päässä toisistaan, ja säteilymittausverkko Suomessa, Ruotsissa ja Norjassa kattaa koko niiden välisen alueen. Muilla asemilla vastaavia havaintoja ei kuitenkaan ole tehty.

Todennäköisesti kyse onkin kahdesta eri päästöstä, jotka ovat vain sattumalta osuneet lyhyen ajan sisälle toisistaan. Radioaktiivista jodia käytetään kilpirauhasen liikatoiminnan hoitoon, ja sitä päätyy toisinaan polttamalla hävitettävän sairaalajätteen joukkoon, ja sitä kautta ilmaan. STUK:in seurantamittauksissa I131:ä havaitaan keskimäärin noin kerran vuodessa.

Se, että Norjan aikaisemmat jodihavainnot eivät todennäköisesti ole yhteydessä Suomessa ja Ruotsissa mitattuihin radionuklidipitoisuuksiin, todettiin jo ensimmäisissä aihetta käsittelevissä uutisissa. Nähtäväksi jää, ulottuuko median muisti viikkoa pidemmälle, vai tullaanko Suomessakin lähipäivinä pohtimaan havaintojen yhteyttä itärajan takana mahdollisesti tehtyihin ydinasekokeisiin? Vaikka medialla on tapana käsitellä ydinvoimaan ja säteilyyn liittyviä aiheita varsin huolimattomasti, syy siihen, että ydinkokeen mahdollisuutta tarvitsee edes pohtia, löytyy ennen kaikkea Venäjän valitsemasta tiedotuslinjasta. Kun asioista ei kerrota avoimesti, erilaisille spekulaatioille jää vastaavasti enemmän tilaa.


Päivitys (2.7.2020): Ranskan ydinturvallisuusviranomaisen tekninen tukiorganisaatio IRSN on esittänyt, että päästö voisi olla peräisin ydinvoimalaitoksen vedenpuhdistusjärjestelmään liittyvästä prosessista. Reaktoreiden vesikiertoa puhdistetaan jatkuvasti, jolloin veden mukana kulkeutuvat radioaktiiviset aineet kertyvät suodattimiin. Joukossa on polttoainesauvojen vuodoissa vapautuneita fissiotuotteita, sekä rakenteista irronneita korroosiotuotteita, jotka ovat aktivoituneet neutronisäteilytyksen vaikutuksesta kulkiessaan reaktorin sydämen läpi. Suodattimissa käytetyt ioninvaihtohartsit ovat keskiaktiiviseksi luokiteltavaa radioaktiivista jätettä, jonka tilavuutta voidaan pienentää polttamalla. Tällaisen prosessin yhteydessä ilmaan voi päästä niihin kertyneitä radioaktiivisia aineita.

Tällainen päästöskenaario vastaisi moneen edellä esitettyyn kysymykseen. Koboltin Co60-isotoopin suuri aktiivisuusosuus selittyisi sillä, että kyse on aktivoituneesta korroosiotuotteesta, joita kiertää reaktorin jäähdytteessä määrällisesti enemmän kuin polttoaineesta vapautuneita fissiotuotteita. Saman kategoriaan kuuluvat myös zirkoniumin ja niobin isotoopit Zr95 ja Nb95. Jos käytöstä poistettuja suodattimia on ennen jatkokäsittelyä säilytetty useamman kuukauden ajan, niihin kertynyt jodi olisi myös ehtinyt hajota kokonaan ennen päästöä.

Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 2

Jaakko Leppänen – 24.5.2020

Edellinen blogikirjoitus käsitteli Teknologian tutkimuskeskus VTT:llä aiemmin keväällä käynnistettyä suunnitteluhanketta, jonka tavoitteena on kehittää kaukolämmöntuotantoon räätälöity matalassa lämpötilassa toimiva pieni ydinreaktori. Kirjoituksessa käytiin läpi hankkeen taustoja, sekä reaktoriteknologian valintaa. Uutinen keräsi jonkin verran myös mediahuomiota. Aiheeseen tarttui mm. Kauppalehti.

Työ on kevään mittaan edennyt aikataulun mukaan, joten tässä vaiheessa lienee paikallaan kertoa jotain tähänastisista kokemuksista. Tämänkertainen blogikirjoitus liittyy ydinreaktorin laskennalliseen mallinnukseen, jossa case-esimerkiksi on valittu meneillään oleva lämmitysreaktorihanke (varsinaisiin tuloksiin palataan myöhemmin). Jotta käsiteltävät asiat muodostaisivat yhtenäisen kokonaisuuden, kirjoituksessa on jonkin verran toistoa aikaisemmin käsitellyistä aiheista.

Heti alkuun täytyy vielä todeta, että ydinreaktorin suunnittelu yhdistää erittäin laajan kirjon erilaisia fysiikan ja tekniikan osa-alueita, kemiaakaan unohtamatta. Yksikään asiantuntija ei hallitse täydellisesti koko kenttää, ja tästäkin kirjoituksesta paistaa taatusti läpi vahva painotus omaan erityisosaamisalueeseeni, joka liittyy reaktorisydämen neutroniikkaan. Jäähdytteen virtaukseen tai voimalaitostekniikkaan erikoistunut kirjoittaja olisi ehkä painottanut vastaavasti muita, itselleen mieluisampia osa-alueita.

Reaktorimallinnuksen haasteet

Aikaisemmissa blogikirjoituksissa on käsitelty paljon reaktoriturvallisuutta, joka ketjureaktion hallinnan osalta liittyy olennaisesti fysikaalisiin negatiivisiin takaisinkytkentöihin. Tällaisten takaisinkytkentöjen ansioista ketjureaktio toimii stabiilissa tilassa, eli reaktori pyrkii luontaisesti hakeutumaan sellaiseen toimintatilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Kyse ei ole teknisistä ratkaisuista, vaan reaktorin toiminnalle sisäsyntyisistä ilmiöistä, joita ei voi kiertää tai kytkeä pois päältä.

Kevytvesireaktoreissa takaisinkytkentöjen taustalla vaikuttaa vahvasti se, että reaktori on suunniteltu toimimaan matalasti väkevöidyllä polttoaineella ja matalaenergisillä neutroneilla. Jotta fissiossa syntyneellä neutronilla olisi riittävän korkea todennäköisyys jatkaa reaktioketjua eteenpäin uudella fissiolla, sen on ensin menetettävä huomattava osa liike-energiastaan törmäilemällä kevyisiin atomiytimiin. Tämä tapahtuu neutronihidasteessa eli -moderaattorissa, jonka virkaa toimittaa polttoainesauvojen välissä virtaava vesi. Koska sama vesi toimii myös reaktorin jäähdytteenä, muutokset toimintatilassa vaikuttavat nopeasti reaktorissa vaeltavien neutronien energiajakaumaan.

Kun reaktorin teho nousee, polttoaineen ja jäähdytteen lämpötilat seuraavat perässä. Veden lämpölaajeneminen saa aikaa sen, että sydämeen mahtuu aikaisempaa vähemmän kevyitä moderaattoriytimiä. Pienempi osuus neutroneista pääsee hidastumaan uuden fissioreaktion kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle, ja reaktorin teho pyrkii kääntymään laskuun. Jäähdytteen lämpenemiseen liittyy siis sisäsyntyinen fysikaalinen mekanismi, joka vastustaa toimintatilan muutosta.

Samat takaisinkytkennät, jotka saavat reaktorin käyttäytymään stabiilisti, tekevät myös sen laskennallisesta mallinnuksesta haasteellisempaa. Hiilivoimalaitoksen höyrykattilassa virtaava vesi ei vaikuta ratkaisevasti palamisprosessin kulkuun. Ydinvoimalassa tilanne on kuitenkin toinen. Reaktorin toiminnan ymmärtämiseksi ei riitä, että analyyseissä tarkastellaan ainoastaan neutronien kulkeutumista, lämmön siirtymistä polttoainesauvojen läpi, tai jäähdytteen virtausta sauvojen välissä. Reaktorisydämen fysiikan eri osa-alueet kytkeytyvät niin voimakkaasti toisiinsa, että niitä on tarkasteltava yhtenä kokonaisuutena. Matemaattisesti tällaista laskentatehtävää kutsutaan kytketyksi ongelmaksi, ja sen ratkaisu edellyttää tavallisesti iterointia eri osatehtävien välillä.

Reaktorimallinnuksen haasteet eivät myöskään rajoitu sydämen fysiikkaan. Jäähdytteen virtaus kytkeytyy edelleen voimalaitosprosessin, tai tässä tapauksessa kaukolämpölaitoksen toimintaan. Jäähdytyspiireihin kuuluvien pumppujen, putkien, lämmönvaihtimien ja venttiilien ominaisuudet vaikuttavat välillisesti myös reaktorin käyttäytymiseen. Ydinvoimalaitoksen toiminnan mallinnus on siis ulotettava paljon reaktoria suurempaan mittakaavaan.

Myös ilmiöiden erilaiset aikaskaalat tuovat mallinnukseen omat haasteensa. Reaktorin käyttöjakso on pitkä, ja yksittäiset polttoaineniput tuottavat energiaa sydämessä tavallisesti kolmen tai neljän vuoden ajan. Tänä aikana polttoaineen isotooppikoostumuksessa tapahtuu paljon sellaisia muutoksia, jotka vaikuttavat reaktorin toimintaan. Toisaalta käyttöjakson aikana tapahtunut poikkeustilanne, kuten putkivuoto tai pääkiertopumpun pysähtyminen, voi aiheuttaa reaktorin toiminnassa sekuntien tai minuuttien aikaskaalassa eteneviä muutoksia. Säätöjärjestelmän häiriöistä aiheutuneiden tehotransienttien kesto voi olla vielä lyhyempi.

Tehtiin itse ja säästettiin

VTT:llä on 1970-luvulle saakka ulottuva historia omien reaktorimallinnustyökalujen käytöstä ydinvoimaloiden turvallisuusanalyyseihin. Perinne sai alkunsa käytännön tarpeesta. Suomeen oli tilattu ydinvoimalaitos Neuvostoliitosta, mutta turvallisuussuunnittelussa haluttiin soveltaa länsimaisia käytäntöjä. Yksikään läntinen reaktorivalmistaja ei kuitenkaan tarjonnut laitostyypille soveltuvia laskentaohjelmistoja, joten ne piti kehittää itse. Kehitystyön myötä Suomeen syntyi vahvaa reaktorianalyysiosaamista, ja menetelmäkehityksellä on edelleen tärkeä rooli uusien asiantuntijoiden kouluttamisessa.

Laskentajärjestelmät ovat vuosien saatossa vaihtuneet ja uudistuneet. Kehitykseen on vaikuttanut ratkaisevasti esimerkiksi tietokoneiden laskentakapasiteetin huima kasvu. Huomattava osa talon sisällä käytettävistä ohjelmistoista on vielä tänäkin päivänä omaa tuotantoa. Samat laskentatyökalut, joita on käytetty Loviisan ja Olkiluodon turvallisuusanalyyseissä, palvelevat myös meneillään olevaa kehityshanketta.

Lämmitysreaktorin sydämen neutroniikan mallinnukseen on käytetty Monte Carlo -menetelmään perustuvaa Serpent-ohjelmaa. Kehitys alkoi VTT:llä vuonna 2004, ja nykyisin ohjelma on käytössä yli 200 yliopistossa ja tutkimuslaitoksessa. Serpent mallintaa käytännössä yksittäisten neutronien satunnaiskulkua, joka etenee törmäyksestä toiseen kunnes hiukkanen absorboituu tai karkaa reaktorin ulkopuolelle.

Monte Carlo- menetelmän etuja ovat sen tarkkuus ja monipuolisuus. Neutronien kuljettaminen perustuu eräänlaiseen ray tracing -algoritmiin, joka mahdollistaa geometrian yksityiskohtaisen kuvauksen. Neutronivuorovaikutusten fysiikka ilmenee simulaatiossa erilaisina todennäköisyysjakaumina, joista törmäysten lopputulos arvotaan satunnaisesti. Nämä jakaumat edustavat tavallaan parasta olemassa olevaa tietoa siitä, mitä yksittäisen neutronin ja atomiytimen välisessä kohtaamisessa tapahtuu. Kun simulaatio toistetaan suurelle määrälle neutronihistorioita, tuloksena saadaan tilastollinen kuvaus populaation kokonaiskäyttäytymisestä.

Monipuolisuuden ja korkean laskentatarkkuuden kääntöpuoli on Monte Carlo -menetelmän hitaus. Käyttökelpoisten tulosten saaminen edellyttää miljoonien tai jopa miljardien neutronihistorioiden simulointia, mikä vaatii paljon laskenta-aikaa. Menetelmä rinnakkaistuu varsin hyvin, eli useampia neutroneita voidaan kuljettaa geometriassa samanaikaisesti eri prosessoriytimillä. Tietokoneiden laskentakapasiteetti on silti edelleen yksi Monte Carlo -menetelmän sovellusalueita rajoittavista tekijöistä.

Lämmitysreaktorihankkeessa Serpent-ohjelmaa on hyödynnetty esimerkiksi reaktorin käyttöjakson mallintamiseen. Rutiininomaisiin suunnitteluanalyyseihin menetelmä on kuitenkin turhan raskas. Tuloksia joudutaan usein odottamaan vähintään seuraavaan työpäivään saakka. Yksittäisten simulaatioiden kannalta tämä ei ole ongelma, mutta esimerkiksi polttoaineen käytön optimoinnissa samaa laskua voidaan joutua toistamaan kymmeniä kertoja pienillä variaatioilla.

Reaktorifysiikassa perinteinen lähestymistapa käyttöjakson ja poikkeustilanteiden mallintamiseen nojaa monivaiheiseen laskentaketjuun. Neutronien kulkeutumisen fysiikkaa ei tarkastella suoraan reaktorisydämen mittakaavassa, vaan laskentatehtävä jaetaan ensin pienempiin osatehtäviin. Yksittäinen ratkaisu tuottaa joukon paikalliseen toimintatilaan liittyviä vakioita, jotka kuvaavat neutronien kulkeutumista esimerkiksi polttoainenipun sisällä. Kun laskut on toistettu kaikille nipputyypeille reaktorin eri toimintaolosuhteissa, niiden tuottamista parametreista voidaan lopulta rakentaa reaktorisydämen kokonaiskäyttäytymistä kuvaava matemaattinen malli.

VTT:llä aloitettiin vuonna 2017 uuden Ants-neutroniikkaratkaisijan kehitys. Ohjelma mallintaa reaktorisydämen fysiikkaa edellä mainittuun lähestymistapaan perustuvaa nodaalidiffuusiomenetelmää hyödyntäen. Kun kokosydänmalli on kerran luotu, sillä voidaan simuloida erilaisia käyttötilanteita, ja tehdä muutoksia sydämen rakenteeseen. Laskenta-ajat mitataan korkeintaan minuuteissa, jolloin myös suunnittelutyö etenee huomattavasti jouhevammin.

Kytketyn ongelman ratkaisuun kehitetään uutta Kraken-laskentaympäristöä, jonka päällä myös Serpent ja Ants toimivat. Kyse on eräänlaisesta multifysiikkarajapinnasta, jonka kautta eri ratkaisijat vaihtavat dataa keskenään. Polttoaineen lämmönsiirron ja mekaanisen käyttäytymisen mallinnukseen on käytetty vuodesta 2013 lähtien kehitettyä Finix-polttoainekoodia, ja jäähdytteen virtauksen mallinnukseen uutta Kharon-termohydrauliikkaratkaisijaa. VTT:n omien työkalujen lisäksi Kraken-ympäristö mahdollistaa myös muiden fysiikkaratkaisijoiden kytkemisen osaksi laskentaketjua. Ydinreaktoreiden virtausmekaniikan mallintamiseen käytetään paljon esimerkiksi avoimen lähdekoodin OpenFOAM-ohjelmistoa.

Kuten edellä todettiin, reaktorisydämen fysiikan ratkaiseminen on vain osa mallinnushaastetta. Laitostason laskentatehtäviin käytetään Apros-ohjelmistoa, jonka kehityshistoria ulottuu 1980-luvulle saakka. Apros on VTT:n ja Fortumin yhteistyönä kehittämä prosessisimulaattori, jonka sovelluskohteet eivät rajoitu ainoastaan ydintekniikkaan. Lämmitysreaktorihankkeessa rakennettu Apros-malli kattaa koko kaukolämpölaitoksen toiminnan, eli reaktorin primäärikierron lisäksi lämmönvaihtimet ja välipiirin, sekä näihin kytkeytyvät pumput, venttiilit ja laitosautomaation. Malli voidaan tarvittaessa ulottaa kaukolämpöverkkoon saakka, jolloin reaktorin toimintaa voidaan tarkastella muuttuvissa tuotanto-olosuhteissa.

Lämmitysreaktorin sydän

Kuva 1: Serpent Monte Carlo -ohjelmalla mallinnettu lämmitysreaktorin sydän. Punertavat lämpimät värisävyt kuvaavat fissiotehoa, ja sinertävät viileät sävyt termisten (matalaenergisten) neutronien vuojakaumaa. Sydämen läpimitta on vajaa puolitoista metriä, ja se rakentuu lyhennetyistä painevesireaktorin polttoainenipuista. Osa sauvapaikoista on korvattu metallisilla ohjausputkilla, joihin reaktorin säätösauvat työntyvät. Tässä sydänkonfiguraatiossa joka toisen polttoainenipun säätösauvaputkiin on asennettu kiinteitä WABA-absorbaattorisauvoja (Wet Annular Burnable Absorber), joita käytetään kompensoimaan ylimääräistä reaktiivisuusreserviä käyttöjakson alussa. Absorbaattorisauvat näkyvät kuvassa himmeinä sinisinä renkaina.

Suunnittelun reunaehtoja

Lämmitysreaktorin suunnittelutehtävää voisi luonnehtia esimerkiksi seuraavasti: miten suunnitella ydinreaktori, joka kykenee tuottamaan noin 100-asteista vettä turvallisesti, ja mahdollisimman kustannustehokkaasti? Vaikka turvallisuus ja taloudellisuus eivät ole tavoitteina keskenään ristiriidassa, niiden yhteensovittaminen tarkoittaa sitä, että suunnittelutyössä on otettava huomioon suuri määrä erilaisia reunaehtoja. Turvallisuuden osalta vaatimukset ovat ehdottomia, ja ne on myös kirjattu varsin yksiselitteisesti ydinenergian käyttöä ohjaavaan lainsäädäntöön.

Reaktorin on esimerkiksi toimittava kaikissa käyttötilanteissa stabiilisti, ilman että ketjureaktion hallintaan tarvitsee jatkuvasti puuttua aktiivisilla säätötoimenpiteillä. Jos tehon säädössä tapahtuu häiriö, fissiotehon kasvun on katkettava fysikaalisiin takaisinkytkentöihin. Reaktorin on siis paitsi kyettävä ylläpitämään toimintatilansa itsenäisesti, myös ongelmatilanteessa sammutettava itse itsensä. Vaatimusten taustalla on ajatus siitä, että turvallisen toimintatilan säilyttäminen ei saa olla kriittisellä tavalla kiinni automatiikasta tai valvomohuoneessa tehdyistä päätöksistä.

Turvallisen toiminnan rajat on määritelty melko yksityiskohtaisesti viranomaisohjeissa. Esimerkiksi polttoainesauvojen suojakuoriputkien lämpötilalle on asetettu tiettyjä rajoituksia, joilla varmistetaan polttoaineen eheys. Tällaisia rajoituksia sovelletaan paitsi reaktorin normaalille toimintatilalle, myös käyttöhäiriöille ja onnettomuuksille. Poikkeustilanteissa on varauduttava myös monimutkaisempiin vikaketjuihin. Monissa käyttöhäiriötilanteissa suunnittelun lähtökohdaksi on otettava se, että sinänsä äärimmäisen toimintavarmaksi rakennettu reaktorin pikasulku kuitenkin syystä tai toisesta epäonnistuu.

Suunnittelutyön kannalta turvallisuusvaatimukset näkyvät esimerkiksi jäähdytysjärjestelmien mitoituksessa. Jäähdytteen virtauksen on kyettävä pitämään polttoaineen lämpötila suunnittelurajojen sisällä. Mitoituksessa on otettava huomioon se, että reaktorin tuottama lämpöteho ei ole jakautunut tasaisesti sydämen sisällä. Tämä on samalla hyvä esimerkki kytketyn ratkaisun tarpeellisuudesta – polttoainesauvojen lämmöntuotto ja jäähdytys riippuvat toisistaan, eli tehojakauma ja jäähdytteen virtaus on ratkaistava samanaikaisesti.

Ketjureaktion stabiilisuus puolestaan asettaa omat ehtonsa polttoaineen käytön suunnittelulle. Stabiili toimintatila edellyttää riittävän voimakkaita negatiivisia takaisinkytkentöjä. Koska polttoaineen koostumus ja fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat käyttöjakson kuluessa, myös takaisinkytkentöjen voimakkuus on varmistettava koko jakson yli.

Laskennallisista analyyseistä saatavia tuloksia ovat esimerkiksi erilaiset virtausnopeudet ja lämpötilat, sekä takaisinkytkentäkertoimet, jotka kertovat miten ketjureaktio vastaa toimintatilan muutokseen. Varsinaisissa turvallisuusanalyyseissä tarkastellaan reaktorin normaalikäytön lisäksi myös erilaisia onnettomuusskenaarioita. Miten reaktori käyttäytyy esimerkiksi putkivuototilanteessa, tai sähköjärjestelmän häiriössä, kun kaikki hallintalaitteet menettävät samanaikaisesti toimintakykynsä?

Passiivinen jäähdytys

Aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, että fissiotehon hallinta ei itse asiassa ole suinkaan merkittävin haaste kevytvesireaktoreiden turvallisuussuunnittelussa. Paljon enemmän päänvaivaa suunnittelijoille aiheuttaa polttoaineen jälkilämpö. Uraanipolttoaineeseen kertyneiden lyhytikäisten isotooppien radioaktiivinen hajoaminen tuottaa niin paljon lämpöenergiaa, että reaktorissa on ylläpidettävä pientä vesikiertoa vielä pitkään fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Kaukolämpöreaktorissa tehotaso on vain murto-osa suuresta paine- tai kiehutusvesireaktorista, mutta jälkilämmönpoisto on silti huomioitava suunnittelussa.

Useimmissa pienreaktorikonsepteissa jälkilämmönpoisto on toteutettu luonnonkiertoon perustuvilla järjestelmillä, joihin ei kuulu lainkaan ulkoista käyttövoimaa vaativia pumppuja. Tämä on yksi tapa yksinkertaistaa laitoksen rakennetta, ja pienentää erityisesti sähköverkon menetyksestä alkunsa saavan vakavan onnettomuuden riskiä. Passiivinen jäähdytys on valittu myös VTT:n lämmitysreaktorin turvallisuussuunnittelun pohjaksi. Jälkilämmönpoisto pyritään toteuttamaan siten, että reaktori siirtyy häiriötilanteessa itsestään sellaiseen tilaan, jossa ylimääräinen lämpö kulkeutuu polttoaineesta lopulliseen lämpönieluun ilman ulkoista käyttövoimaa.

Passiiviseen jäähdytykseen liittyy myös tiettyjä suunnitteluhaasteita. Perinteisen pakotetun jäähdytyskierron mallintaminen on vielä suhteellisen yksinkertaista, sillä pumpun toiminta hallitsee virtauksen nopeutta. Passiivisessa luonnonkierrossa on sen sijaan kyse virtauksesta, joka syntyy yksin lämpötilaerosta. Reaktorissa lämmennyt jäähdyte kohoaa ylöspäin, ja viileämpi vesi laskeutuu alas. Virtauksen voimakkuus riippuu lisäksi reaktoriastian korkeudesta, sekä erilaisista virtausvastuksista. Suunnittelussa on otettava kaikki tekijät samanaikaisesti huomioon. Lämpöreaktorihankkeessa vesikierron mallinnukseen on käytetty esimerkiksi numeerista virtauslaskentaa (CFD).

Työ etenee

Toimivakaan peruskonsepti ei voi edetä tietokonesimulaatiosta käyttökelpoiseksi teknologiaksi, jos sillä ei ole reaalimaailmalle mitään annettavaa. Teknisen suunnittelun lisäksi hankkeessa on tarkasteltu ydinlämpölaitoksen soveltuvuutta kaukolämpömarkkinoille, ja haettu reaktorille ideaalista käyttötapaa ja yksikkökokoa.

Yksi selvitettävistä kysymyksistä on energian hinta. Pääomakustannusten osuus korostuu kaikessa ydinenergiantuotannossa, eikä kaukolämpö ole millään tavalla poikkeus. Tämä on seurausta ydinteknisille komponenteille asetetuista korkeista laatuvaatimuksista, sekä moninkertaisesti varmennetuista turvajärjestelmistä. Paperi on usein terästä kalliimpaa – turvallisuuden kannalta kriittinen järjestelmä muuttuu käyttökelpoiseksi vasta siinä vaiheessa, kun sen toiminta on osoitettu riittävän luotettavasti.

Edellisessä blogikirjoituksessa todettiin, että lämmitysreaktorin matala käyttöpaine vaikuttaa ratkaisevasti esimerkiksi paineastian ja putkistojen seinämävahvuuksiin. Allastyyppisissä reaktoreissa primääripiiriä ei välttämättä tarvitse paineistaa lainkaan. Vaatimattomat käyttöolosuhteet ja yksinkertainen tekniikka näkyvät myös kustannuksissa. Käytännössä ydinkaukolämmön hintaa ei voida arvioida kovin tarkasti edes kokoluokaltaan vastaavien perinteisten pienreaktorihankkeiden pohjalta, sillä kustannusanalyyseissä on otettava huomion teknologian erityispiirteet. Ydinkaukolämmön taloudellisuutta on selvitetty aikaisemmin yleisemmällä tasolla, ja vastaavia analyysejä ollaan tekemässä myös kehitteillä olevalle reaktorityypille.

Lämmitysreaktorihankkeeseen osallistuu tällä hetkellä pitkälti toista kymmentä asiantuntijaa. Työ on herättänyt kiinnostusta useissa sidosryhmissä, ja kysymyksiä mahdollisesta yhteistyöstä on tullut Suomesta ja ulkomailta. Nykyisen aikataulun mukaan konseptitason suunnitelman on määrä valmistua syksyyn mennessä, minkä jälkeen kehitykseen lähdetään hakemaan ulkopuolisia kumppaneita. Koronavirustilanne on pakottanut muuttamaan joitakin työtapoja, mutta ainakaan toistaiseksi aikataulua ei ollut tarpeen lykätä eteenpäin.