Jaakko Leppänen – 16.2.2018
Ydinenergian käyttöön liittyy suuren säteilyonnettomuuden mahdollisuus, minkä vuoksi myös turvallisuus on asia, joka nousee aina ennemmin tai myöhemmin esille aihetta sivuavissa keskusteluissa. Se, mitä ydinturvallisuudella tarkoitetaan, ja mistä reaktorin turvallista käyttöä uhkaavat tekijät lopulta kumpuavat, ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen kysymys. Pyrin tässä kirjoituksessa tuomaan esille reaktoriturvallisuuden perusteita, lähinnä alustuksena blogin myöhemmille aiheille jotka käsittelevät esimerkiksi edistyneitä reaktoriteknologioita, tai muuten sivuavat ydinenergian käytön riskejä ja turvallisuutta. Se, minkälaisiin ilmiöihin reaktorin turvallisuussuunnittelussa täytyy varautua, määrittää nimittäin samalla reunaehtoja sille, minkälaiseksi reaktori voidaan käytännössä rakentaa.
Jokainen fissioreaktori tuottaa toimiessaan radionuklideja, joiden eliniät vaihtelevat sekunnin murto-osista miljooniin vuosiin. Tämä on energiaa tuottavan fissioreaktion väistämätön seuraus, sillä raskaan ytimen halkeaminen jättää jälkeensä ylimääräisiä neutroneita, joista fissiotuotteet pyrkivät eroon radioaktiivisella hajoamisella. Reaktorin polttoaineeseen syntyy radioaktiivisuutta myös neutronikaappausreaktioissa, jotka muuttavat uraanin ytimiä raskaammiksi alkuaineiksi, kuten neptuniumiksi, plutoniumiksi ja amerikiumiksi. Polttoaineen lisäksi neutronisäteilytys aktivoi myös muita sydämen rakenteita, sekä polttoainesauvojen välissä virtaavaa jäähdytettä. Ylivoimaisesti suurin osa radioaktiivisuudesta syntyy kuitenkin kiinteisiin uraanidioksiditabletteihin. Voimakkaasta neutronialtistuksesta huolimatta esimerkiksi metallisen suojakuoriputken osuus jää alle prosenttiin käytetyn polttoaineen kokonaisaktiivisuudesta.
Ydinvoimalaitoksessa kaikki radioaktiivisiin aineisiin liittyvät prosessit on eristetty ympäristöstä. Konventionaalisista hiili-, maakaasu- ja biopolttoainelaitoksista poiketen ydinreaktori ei tuota lainkaan savukaasupäästöjä. Polttoainetta jäähdyttävä vesi muodostaa oman suljetun kiertonsa laitoksen sisällä, ja energia siirtyy kierrosta toiseen lämmönvaihtimien välityksellä. Uloimman jäähdytyskierron muodostava merivesipiiri ei missään vaiheessa kulje reaktorin läpi, eikä siksi myöskään aktivoidu neutronien vaikutuksesta. Eristys ei kuitenkaan koskaan ole täydellinen, ja jokainen ydinvoimalaitos tuottaa käydessään jonkin verran radioaktiivisia päästöjä ilmaan ja vesistöihin. Näille päästöille on asetettu rajat, joita valvotaan jatkuvilla mittauksilla. Käytännössä päästörajat määräytyvät sillä perusteella, että ydinenergiantuotannon ympäristölle ja väestölle aiheuttaman säteilyaltistuksen on jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisen taustasäteilyn aiheuttamaan annokseen.
Laitoksen normaalikäytön sijaan suuren päästön riskit liittyvätkin onnettomuustilanteisiin, joissa polttoaineesta vapautuu kerralla paljon radioaktiivisuutta. Esimerkiksi vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa vapautui ympäristöön radioaktiivista jodia eräiden arvioiden mukaan noin 2 EBq (exabecquereliä, 2E18 Bq).i Lukua voi verrata Loviisan tai Olkiluodon vuosittaisiin jodipäästöihin, jotka ovat olleet suurimmillaan yhden gigabecquerelin luokkaa (1E9 Bq). Tämä miljardikertainen suuruusluokkaero selittyy sillä, että niin kauan kuin polttoaine säilyy ehjänä, radioaktiivisuus pysyy kaasutiiviin suojakuoriputken sisällä sitoutuneena kiinteisiin uraanidioksiditabletteihin. Suuren polttoainevaurion lisäksi radioaktiivinen päästö ympäristöön edellyttää tosin myös muiden sisäkkäisten vapautumisesteiden pettämistä, eli käytännössä sitä, että myös reaktorin ympärille rakennetun paineenkestävän suojarakennuksen tiiveys menetetään.
Onnettomuustilanteessa merkittävimmät ydinpolttoaineen eheyttä uhkaavat tekijä liittyvät äkillisten tehopiikkien aiheuttamiin jännityksiin sekä ylikuumenemiseen, joka on yleensä seurausta riittämättömästä jäähdytyksestä. Polttoaineen suojakuoriputket alkavat vaurioitua kun niiden lämpötila nousee yli 650 asteen, eli noin 300 astetta reaktorin normaalin käyttölämpötilan yläpuolelle. Zirkoniumseoksesta valmistettu suojakuoriputkimateriaali kokee faasitransition noin 800 asteessa, minkä jälkeen se alkaa oksidoitua nopeasti. Tämä heikentää materiaalin kestävyyttä, minkä lisäksi reaktiossa vapautuu vetyä.
Vakavissa reaktorionnettomuuksissa lämpötilat voivat nousta niin korkeiksi, että myös uraanidioksidista valmistetut polttoainetabletit sulavat. Sydänvaurioiden vakavuus vaikuttaa myös radionuklidien vapautumiseen. Esimerkiksi jodin isotoopit muodostavat yhdisteitä jotka kaasuuntuvat jo muutaman sadan asteen lämpötiloissa, kun taas strontiumin vapautuminen edellyttää käytännössä polttoaineen sulamista. Reaktoriturvallisuuden perimmäinen haaste tiivistyy siis siihen, että polttoaineen lämpötila on pystyttävä pitämään turvallisten rajojen sisällä kaikissa mahdollisissa käyttötilanteissa.
Fissioreaktorin toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon. Raskas uraaniydin halkeaa absorboidessaan neutronin, ja reaktiossa vapautuneet uudet neutronit aiheuttavat uusia fissioita. Peräkkäisten fissioiden voidaan ajatella kytkeytyvän toisiinsa, ja muodostavan sukupolvesta toiseen eteneviä pitkiä ketjua. Mielikuvatasolla on helppo ajatella, että tällaisen fissioketjun karkaaminen hallitsemattomaan kasvuun saa lämmöntuoton nousemaan niin nopeasti, että reaktori muuttuu käytännössä ydinpommiksi. Vastoin tätä varsin yleistä mielikuvaa reaktorin käytön suurimmat riskit eivät kuitenkaan liity fissiotehon hallintaan, sillä useimmissa reaktorityypeissä ketjureaktio on luonteeltaan stabiili prosessi.
Ketjureaktiota eteenpäin kuljettavien neutronien satunnaiskulku reaktorin sydämessä riippuu vallitsevista olosuhteista, erityisesti jäähdytteen tiheydestä ja polttoaineen lämpötilasta. Reaktorin tuottama fissioteho ei ole koskaan täysin riippumaton polttoaineen jäähdytyksestä, vaan tehontuoton ja lämmönsiirron välillä on aina yhteys. Ei ole lainkaan liioiteltua sanoa, että reaktori näkee kaikki muutokset jäähdytyskierrossa ja voimalaitosprosessissa aina turbiinille, generaattorille ja jopa ulkoiseen sähköverkkoon saakka.
Tämä kytkentä vaikuttaa ratkaisevasti myös reaktoriturvallisuuteen. Fissiotehon kasvu voi aiheuttaa reaktorissa sellaisia muutoksia jotka kiihdyttävät ketjureaktion kulkua, jolloin tehon kasvu on itseään ruokkiva prosessi. Toisaalta muutokset voivat myös hillitä tehon kasvua, jolloin ketjureaktio pyrkii luonnostaan säilyttämään toimintatilansa muuttumattomana. Tällaisia mekanismeja kutsutaan fysiikassa ja säätötekniikassa takaisinkytkennöiksi, ja ne liittyvät olennaisesti prosessin stabiilisuuteen.
Epästabiilissa reaktorissa takaisinkytkentöjen yhteisvaikutus on positiivinen, eli muutosta vahvistava. Reaktorin tehojakauma on jatkuvassa muutostilassa, ja toimintatilan ylläpitäminen vaatii aktiivista säätöä. Kasvuun kääntynyt fissioteho voi lähteä itsestään kiihtymään, jolloin seurauksena voi olla ketjureaktion karkaaminen, joka pahimmassa tapauksessa katkeaa vasta reaktorinsydämen tuhoutumiseen.
Stabiilissa reaktorissa muutokset toimintatilassa aiheuttavat sen sijaan negatiivisen takaisinkytkennän, joka vastustaa muutosta. Stabiilin reaktorin ketjureaktio hakeutuu itsestään sellaiseen tilaan, jossa tehontuotto ja lämmönsiirto ovat keskenään tasapainossa. Fysiikan lait pitävät huolen siitä että ketjureaktio ei lähde itsestään vaeltamaan, eikä reaktorin tehotason ylläpitämiseen tarvita lainkaan aktiivista säätöä.
Reaktorin takaisinkytkentöjen taustalla vaikuttavaa fysiikkaa ei ole helppo kuvata tyhjentävästi muutamalla lauseella. Jätän aiheen syvällisemmän pohdiskelun suosiolla toiseen kertaan, ja kuittaan asian tässä yhteydessä toteamalla että kevytvesityyppiset paine- ja kiehutusvesireaktorit voidaan suunnitella luontaisesti stabiileiksi, jolloin ketjureaktion hallinta ei ole esimerkiksi säätöautomatiikan tai reaktorin ohjaajien varassa. Sama pätee useimpiin muihinkin reaktorityyppeihin. Poikkeuksiakin tosin löytyy. Esimerkiksi Tšernobylin onnettomuudessa reaktorin räjähdykseen vaikutti olennaisesti RBMK-reaktorityypille ominainen epästabiilisuus, minkä vuoksi fissioteho pääsi karkaamaan hallitsemattomaan kasvuun. Tulen käsittelemään myös Tšernobylin onnettomuutta myöhemmissä kirjoituksissa.
Ydinvoima-aiheisissa keskusteluissa ei ole täysin tavatonta myöskään se, että negatiivisten takaisinkytkentöjen merkitys viedään toisaalta liiankin pitkälle, väittämällä esimerkiksi että niiden ansiosta reaktorin polttoainetta on mahdoton saada sulamaan. Todellisuudessa ketjureaktion stabiilisuus ei kuitenkaan tarkoita sitä, että reaktorin voisi rakentaa minkälaiseksi tahansa, tai että sen käyttöön ei liittyisi turvallisuusvaatimusten asettamia rajoitteita.
Keytvesireaktorit on suunniteltu toimimaan pitkiä aikoja kerrallaan. Käyttöjakson pituus on tavallisesti joko 12 tai 18 kuukautta, ja polttoaineen on kyettävä ylläpitämään ketjureaktion kulkua yhtäjaksoisesti alusta loppuun saakka. Reaktorin sydämessä on tämän vuoksi oltava huomattavan suuri säätöreservi kompensoimassa polttoaineen kulumista. Jakson alussa säätövara on niin suuri, että voimakasta tehotransienttia jossa fissioteho nousee nopeasti ei voida sulkea pois ainakaan fysikaalisena mahdottomuutena. Tällainen tilanne voi syntyä esimerkiksi sisällä olevan säätösauvan sinkoutuessa ulos sydämestä, tai jos boorihapolla säädettävän painevesireaktorin primäärikiertoon pääsee suuri määrä puhdasta vettä. Pahimmillaan reaktiivisuuslisäys voi olla niin suuri, ettei takaisinkytkentöjen voimakkuus riitä katkaisemaan kasvavaa fissiotehoa ennen sydämen tuhoutumista.ii
Tällaisiin riskeihin voidaan kuitenkin vaikuttaa olennaisesti reaktorin suunnittelulla, esimerkiksi rajoittamalla säätösauvojen voimakkuutta ja rakentamalla boorisäätöön käytetyt järjestelmät siten, että pitoisuuden laimentamiseen ei käytetä lainkaan puhdasta vettä. Käytännössä reaktorin edellytetäänkin selviävän esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumista seuraavasta tehopiikistä ilman vakavia polttoainevaurioita. Sydämen ylijäämäreaktiivisuutta voidaan rajoittaa myös käyttämällä nk. palavia absorbaattoreita, jotka kuluvat neutronisäteilytyksen vaikutuksesta ja vapauttavat säätöreserviä hitaasti käyttöön jakson edetessä.
Jos vakavan reaktorionnettomuuden riskit eivät varsinaisesti liity ketjureaktion hallinnan menettämiseen, niin mihin sitten? Kuten kirjoituksen alussa totesin, jokainen fissioreaktori tuottaa käydessään radioaktiivisia isotooppeja. Tällaisen ytimen hajoamisessa vapautuu energiaa, mikä ilmenee voimakkaana lämmöntuottona. Tätä kutsutaan reaktoritekniikassa polttoaineen jälkilämmöksi. Reaktorin käydessä jälkilämmön osuus on noin 5-7% fissiotehosta, eli suuressa kevytvesireaktorissa radioaktiivinen hajoaminen voi lämmittää polttoainetta satojen megawattien teholla.
Reaktoriturvallisuuden kannalta jälkilämmön ongelma on se, että sitä on mahdoton kytkeä pois. Reaktorin fissioteho saadaan hätäpysäytyksellä alas muutamassa sekunnissa. Jälkilämmön hiipuminen sen sijaan seuraa lämpöä tuottavien ytimien radioaktiivista hajoamista. Fissiotehon sammuttamisen jälkeen jälkilämpö putoaa aluksi nopeasti kaikkein lyhytikäisimpien isotooppien hajotessa pois. Kymmenessä minuutissa teho putoaa noin kolmannekseen. Suuressa reaktorisydämessä lämmöntuotto jää kuitenkin pitkäksi aikaa tasolle joka riittää sulattamaan polttoaineen, jos jäähdytyskierto reaktoriin menetetään ja sydän pääsee kiehumaan kuivaksi.
Kevytvesireaktoriturvallisuuden tekniset haasteet liittyvätkin pitkälti siihen, että polttoaineen jäähdytyksestä on pystyttävä huolehtimaan myös reaktorin sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä ydinvoimalaitoksissa tämä tarkoittaa sitä, että sydämen vesikiertoa ylläpitävien hätäjäähdytyspumppujen on saatava käyttövoimaa vaikka laitoksen normaalikäytön aikaiset järjestelmät olisivat vaurioituneet tai kokonaan poissa pelistä. Tavallisesti hätäjäähdytyksen toimivuus on varmistettu useammalla toisistaan riippumattomalla järjestelmällä, joiden samanaikainen häiriö tai vaurioituminen on tehty käytännössä lähes mahdottomaksi. Kyse on turvallisuuden kannalta äärimmäisen tärkeistä redundanssi- ja diversiteettiperiaatteista, joiden laiminlyönti johti vuonna 2011 Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuteen, kun laitosalueelle iskenyt korkea tsunamiaalto tuhosi kerralla neljän laitosyksikön kaikki hätäjäähdytysjärjestelmille sähköä syöttäneet diesel-generaattorit. Palaan myös Fukushima-aiheeseen myöhemmin kevään aikana.
Reaktorin jälkilämmönpoisto liittyy läheisesti myös passiiviseen turvallisuuteen, josta puhutaan usein edistyneiden reaktoriteknologioiden yhteydessä. Sähkötoimisten pumppujen sijaan reaktorin jäähdytys voidaan toteuttaa passiivisilla luonnonkiertoon perustuvilla järjestelmillä, jotka eivät tarvitse toimiakseen lainkaan ulkoista käyttövoimaa. Arkisin esimerkki laitteesta, jossa vettä liikutetaan pelkällä lämpötilaerolla, on kahvinkeitin.
Tietyt reaktorityypit ovat puolestaan jälkilämmönpoiston suhteen luontaisesti turvallisia. Esimerkiksi kaasujäähdytteisissä korkean lämpötilan reaktoreissa polttoaineen tehotiheys on niin matala ja reaktorin materiaalit suunniteltu kestämään niin korkeita lämpötiloja, ettei varsinaisia hätäjäähdytysjärjestelmiä välttämättä edes tarvita. Matalan tehotiheyden mahdollistamaa luontaista turvallisuutta voitaisiin periaatteessa hyödyntää myös kaukolämmöntuotantoon suunnitelluissa kevytvesireaktoreissa, joilta ei perinteisten paine- ja kiehutusvesilaitosten tapaan vaadita korkeaa toimintalämpötilaa tai käyttöpainetta. Ville käsittelikin jo pienreaktoriaihetta edellisessä kirjoituksessaan, ja teknologiaan tullaan palaamaan myöhemmissä blogikirjoituksissa.
i) Lähde: ”Chernobyl: Assessment of Radiological and Health Impacts – 2002 Update on Chernobyl: Ten Years On”, OECD/NEA, 2002. Aktiivisuutta eli radioaktiivisen hajoamisen nopeutta mittaava becquerel-yksikkö (Bq) tarkoittaa yhtä hajoamisreaktiota sekunnissa.
ii) Reaktiivisuus on suure, joka liittyy reaktorin fissiotehon muutosnopeuteen. Positiivinen reaktiivisuus tarkoittaa tehon kasvua ja negatiivinen tehon pienenemistä. Vakioteholla toimiessaan reaktorin reaktiivisuus on nolla. Reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa säätöjärjestelmillä, esimerkiksi liikuttamalla neutroniabsorbaattoria sisältäviä säätösauvoja sydämen sisällä. Painevesireaktoreissa säätöön käytetään myös jäähdytteeseen liuotettua boorihappoa, joka toimii samaan tapaan neutroniabsorbaattorina. Myös reaktorin takaisinkytkennät vaikuttavat fissiotehoon reaktiivisuusmuutoksen kautta, samoin polttoaineen kuluminen käyttöjakson aikana. Reaktorin toimintatilan määräävä reaktiivisuus on käytännössä aina monen tekijän summa.
Fissioreaktori 