Pienreaktoreiden jäteongelma

Jaakko Leppänen – 11.6.2022

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

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

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

Pienempi sydän, suuremmat häviöt

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

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

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

EPR vs. NuScale

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

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

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

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

Radioaktiivisissa aineissa on eroja

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

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

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

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

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

Radioaktiivisen jätteen luokitus

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

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

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

Tuottaako pienreaktori enemmän jätettä?

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

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

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

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

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

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

Paljonko on paljon?

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

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

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

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

Entä edistyneet reaktorityypit?

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

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

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

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


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

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

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

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

Ketjureaktio käynnistyi Olkiluoto kolmosella

Jaakko Leppänen – 21.12.2021

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

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

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

Perinteistä kevytvesiteknologiaa

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

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

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

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

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

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

Polttoainenippu

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

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

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

Painevesilaitos

Kuva 2: Painevesilaitoksen toimintaperiaate. Lähde: TVO.

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

Kolmannen sukupolven turvallisuussuunnittelua

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

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

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

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

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

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

Sydänsieppari

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

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

Käyttöönotto etenee vaiheittain

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

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

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

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

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

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

Käytetty polttoaine

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

Suomen suurin ympäristöteko?

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

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

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

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

Maailman kasvihuonekaasupäästöt 1960-2018

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

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

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

Suomen sähköntuotanto 2020 + OL3

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

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

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

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

Onko suurten ydinvoimalaitosten aika jo ohi?

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

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

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

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

Miten tästä eteenpäin?

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

Suomen ensimmäinen ydinreaktori

Jaakko Leppänen – 2.11.2021

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

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

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

Reaktoriteknologian varhainen kehitys

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

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

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

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

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

Atomit rauhan asialla

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

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

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

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

Kokeellinen tutkimus käynnistyy

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

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

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

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

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

Valokuvia miilusta

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

Miilun sijainti

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

Havainnekuva miilurakennuksen sisältä

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

Uusi sydän

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

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

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

Uusi polttoaine

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

Myöhemmät vaiheet

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

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

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

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

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


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

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

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

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

Taishanin polttoainevuoto

Jaakko Leppänen – 24.7.2021

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

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

Vakava tilanne, joka ei vaaranna turvallisuutta?

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

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

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

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

Päästörajoja nostettu?

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

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

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

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

Vaikutukset Olkiluoto-3:n käyttöönottoon

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

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

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

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

Vielä kerran Tšernobyl

Jaakko Leppänen – 27.4.2021

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

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

Kenen syy?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Akateemikko Legasovin nauhoitukset

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

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

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

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

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

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

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

Päästöpilvi saapui Suomeen

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

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

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

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

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

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

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

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

Miksi RBMK?

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

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

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

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

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

Onnettomuuden aikajana

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

Päivämäärä

Tapahtumia

26.4.1986

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

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

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

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

27.4.1986

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

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

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

28.4.1986

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

29.4.1986

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

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

30.4.1986

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

2.5.1986

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

3.5.1986

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

5.5.1986

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

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

6.5.1986

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

Syyskuu 1986

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

Lokakuu 1986

Räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen päälle rakennettu väliaikaiseksi suojaksi tarkoitettu sarkofagi valmistuu.

1991

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kakkosyksikkö ajetaan lopullisesti alas.

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

1992

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

1996

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen ykkösyksikkö ajetaan lopullisesti alas.

2000

Tšernobylin ydinvoimalaitoksen kolmosyksikkö ajetaan lopullisesti alas. Sähköntuotanto laitospaikalla loppuu.

2016

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

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

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.

%d bloggaajaa tykkää tästä: