Jaakko Leppänen – 23.2.2018
Esitin aikaisemmin reaktoriturvallisuuden perusteita käsittelevässä kirjoituksessa väitteen, että vakavan ydinonnettomuuden riskit eivät vastoin yleistä mielikuvaa liity reaktorin räjähtämiseen fissiotehon karatessa hallitsemattomaan kasvuun vaan siihen, että radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva jälkilämpö saa polttoaineen sulamaan jos jäähdytyskierto sydämeen menetetään pitkäksi aikaa. Tarkemmin sanottuna kyse oli siitä, että useimmat reaktorityypit on mahdollista suunnitella ketjureaktion hallinnan osalta luontaisesti stabiileiksi. Tällainen reaktori pyrkii itsestään hakeutumaan sellaiseen toimintatilaan, jossa tehontuotto ja lämmönsiirto ovat keskenään tasapainossa. Reaktorin stabiilisuus puolestaan palautuu negatiivisiin takaisinkytkentöihin, joilla tarkoitetaan sisäsyntyisiä fysikaalisia mekanismeja jotka pyrkivät vastustamaan toimintatilan muutosta.
Yritän tässä kirjoituksessa avata hieman syvällisemmin näihin takaisinkytkentöihin liittyvää fysiikkaa, joka juontaa juurensa yksittäisten neutronien kulkeutumiseen reaktorin sydämessä. Stabiilisuuden ymmärtäminen tällä tasolla ei ole edellytys sille, että ymmärtää miten reaktori toimii, vaan kirjoituksen tarkoitus on tarjota yksityiskohtainen selitys ilmiöille jotka edellisellä kerralla jätettiin lähinnä uskon asiaksi.
Aihe ei ole aivan yksinkertainen, mistä kertoo esimerkiksi se, että monissa edistyneitä reaktoriteknologioita käsittelevissä kirjoituksissa vastaavat ilmiöt esitellään virheellisesti uusina turvallisuutta parantavina ominaisuuksina, jotka saavat reaktorin sammuttamaan ongelmatilanteessa itse itsensä. Todellisuudessa takaisinkytkennät vaikuttavat ketjureaktion kulkuun kaikissa reaktoreissa, ja myös edistyneiden reaktorityyppien turvallisuusparannukset liittyvät pääsääntöisesti nimenomaan jälkilämmön poistoon. Seuraavassa esitetty kuvaus keskittyy erityisesti jäähdytteen tiheysmuutoksen kautta vaikuttavaan lämpötilatakaisinkytkentään, joka on perinteisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa erityisen voimakas.
Takaisinkytkennöissä vaikuttavien ilmiöiden ymmärtämiseksi on syytä ensin selventää reaktorin toimintaperiaatetta. Ydinreaktorin kyky ylläpitää ketjureaktion kulkua riippuu siitä, kykenevätkö fissioketjua eteenpäin kuljettavat neutronit löytämään elinkaarensa varrelta riittävästi uusia ytimiä halkaistavaksi. Ydinpolttoaineena käytettävä uraani koostuu pääasiassa kahdesta isotoopista: U235 ja U238, joista ainoastaan edellinen fissioituu helposti absorboituaan ytimeen osuneen neutronin. Käytännössä ketjureaktion ylläpitämisen ehto tarkoittaakin sitä, että reaktorissa vaeltavalla neutronilla on oltava riittävän suuri todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen.
Suurin osa polttoaineen uraanista muodostuu kuitenkin isotoopista U238. Luonnonuraanissa isotooppiosuudet jakautuvat suhteessa 0.7% ja 99.3%, ja väkevöidyssä kevytvesireaktoripolttoaineessakin U235:n osuus jää alle viiden prosentin. Neutronit syntyvät fissiossa korkealle energia-alueelle (keskimäärin n. 2 MeV). Tällaisilla neutroneilla törmäykset uraaniytimiin jakautuvat likimain isotooppiosuuksien suhteessa, eli väkevöinnin ylärajallakin vain noin joka kahdeskymmenes törmäys osuu helposti fissiotuvaan U235-ytimeen. Fission todennäköisyys ja reaktorin neutronituotto eivät tällaisessa polttoaineessa riitä ketjureaktion ylläpitämiseen.
Neutronivuorovaikutuksille on kuitenkin ominaista se, että ne riippuvat voimakkaasti ytimeen osuneen neutronin liike-energiasta. Neutronin hidastuessa todennäköisyydet pääsääntöisesti kasvavat, mikä on ymmärrettävissä esimerkiksi siten, että hitaasti atomiytimen läpi kulkevalle neutronille jää enemmän aikaa vuorovaikuttaa ytimen rakenneosien kanssa. Muutoksen suuruus riippuu myös kohtioytimestä. Uraanin isotooppien tapauksessa ratkaiseva ero on se, että törmäystodennäköisyys kasvaa erityisen paljon juuri helposti fissioituvalla U235:llä. Neutronin hidastuessa nämä harvaan ripotellut ytimet alkavat erottua ympäristöstään ikään kuin muita uraaniytimiä suurempina kohteina. Vaikutus on merkittävä, sillä törmäyksen todennäköisyys kasvaa lopulta yli 50-kertaiseksi. Uraanin isotoopit eroavat toisistaan myös siinä, että U238:n fissioituminen vaatii törmäyksen korkealla energialla, kun taas U235:n fissio voi tapahtua millä neutronienergialla tahansa.
Juuri hitaasti liikkuvien neutronien kyky fissioida tehokkaasti U235-ytimiä on syy siihen, miksi matalasti väkevöity polttoaine kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Jos neutronihäviöt saadaan riittävän alas, reaktori voi toimia jopa luonnonuraanilla. Ketjureaktion käynnistymisen ehto on kuitenkin se, että riittävän suuri osuus uraaniytimen halkeamisessa syntyneistä korkeaenergisistä neutroneista saadaan ensin hidastettua uuden fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Ainoa tapa hidastaa neutronien kulkua on antaa niiden törmäillä kimmoisasti väliaineen atomien ytimiin, jolloin ne luovuttavat liike-energiansa atomien ja molekyylien lämpöliikkeeksi. Kaikkein tehokkainta hidastuminen on silloin, kun törmäykset tapahtuvat kevyisiin ytimiin. Uraanipolttoaineen lisäksi reaktorin sydämessä onkin oltava huomattava määrä kevyestä alkuaineesta muodostuvaa neutronihidastinta, eli moderaattoria.
Kevytvesityyppisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa moderaattorina toimii polttoainesauvojen välissä virtaava vesi, jonka läpi kulkiessaan neutronit törmäilevät erityisesti vesimolekyylien vety-ytimiin. Muita käyttökelpoisia moderaattoreita ovat vedyn deuterium-isotooppia (H2) sisältävä raskas vesi, sekä puhtaasta hiilestä koostuva grafiitti. Kaikki reaktorityypit, joissa ketjureaktion ylläpitäminen on hitaasti liikkuvien neutronien varassa, kuuluvat ydintekniikan tyyppiluokituksessa nk. termisiin reaktoreihin. Nimi viittaa siihen, että neutronit pyrkivät hidastuessaan hakeutumaan termiseen tasapainoon moderaattoriatomien lämpöliikkeen kanssa. Tällaista loppuun saakka hidastunutta neutronia kutsutaan vastaavasti termiseksi neutroniksi.i
Se, että ketjureaktion ylläpitäminen edellyttää neutronien hidastamista matalalle energia-alueelle, selittää myös kevytvesireaktorin luontaisen stabiilisuuden. Polttoainesauvojen välissä virtaava vesi toimii paitsi neutronimoderaattorina, myös reaktorin jäähdytteenä. Kun reaktorin fissiotehoa nostetaan, lämpövirta jäähdytteeseen kasvaa. Veden lämmetessä sen tiheys pienenee. Muutos on erityisen suuri jos lämpötila ylittää veden kiehumispisteen, jolloin virtauskanavaan alkaa muodostua höyrykuplia jotka näyttäytyvät neutroneille aukkoina moderaattorissa. Kun polttoainesauvojen välissä virtaavan veden määrän pienenee, yhä harvempi neutroni pääsee hidastumaan fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle saakka. Fissionopeus pienenee, ja reaktorin teho pyrkii kääntymään takaisin kohti muutosta edeltänyttä tasoa.
Reaktorin fissiotehoon vaikuttaa siis sisäsyntyinen mekanismi, joka pyrkii vastustamaan toimintatilan muutosta. Fysiikassa ja säätötekniikassa tällaisia mekanismeja kutsutaan negatiivisiksi takaisinkytkennöiksi. Käytännössä reaktorin stabiilisuus tarkoittaa sitä, että fissioteho ei lähde itsekseen vaeltamaan tai kiihtymään hallitsemattomaan kasvuun. Tämä on reaktoriturvallisuuden kannalta ensiarvoisen tärkeää, sillä ketjureaktion hallinta ei tällöin riipu reaktorin ohjaajien tekemistä päätöksistä tai säätöjärjestelmien toimintavarmuudesta. Absorbaattorisauvoja ja muuta aktiivista säätöä käytetäänkin lähinnä reaktorin tehotason asettamiseen, sekä kompensoimaan polttoaineen kulumista käyttöjakson aikana.
Jäähdytteen tiheysmuutoksesta seuraava negatiivinen takaisinkytkentä on kevytvesireaktoreissa erittäin voimakas. Reaktori ei voi toimia ilman matalaenergisiä neutroneita, ja fissioteho sammuu viimeistään siinä vaiheessa kun jäähdyte alkaa kiehua voimakkaasti koko virtauskanavan pituudelta. Reaktori ei myöskään voi käynnistyä uudestaan jos polttoaine pääsee jälkilämmön vaikutuksesta sulamaan, sillä sydämen geometrian tuhoutuessa reaktori menettää lopullisesti kykynsä ylläpitää ketjureaktion kulkua. Esimerkiksi Fukushiman onnettomuudessa ketjureaktion ei uskota käynnistyneen enää sen jälkeen kun fissioteho sammui maanjäristyksen laukaistessa hätäpysäytyksen monta tuntia ennen ensimmäisen reaktorin sulamista.ii
Reaktoreissa vaikuttaa myös muita takaisinkytkentämekanismeja. Polttoaineessa olevan uraanin lämpeneminen kasvattaa U238 isotoopin neutroniabsorption todennäköisyyttä, jolloin vastaavasti pienempi osuus neutroneista päätyy aiheuttamaan fissioita U235-ytimissä. Tämä polttoaineen Doppler-takaisinkytkennäksi kutsuttu ilmiö vastustaa edellä kuvattuun tapaan reaktorin toimintatilan muutosta.iii Jäähdytteen takaisinkytkentöihin liittyy aina pieni viive, sillä lämpö ei siirry välittömästi polttoaineesta jäähdytteeseen. Doppler-takaisinkytkentä alkaa sen sijaan vaikuttaa heti kun fissioteho kääntyy nousuun. Takaisinkytkennän vasteajalla on merkitystä erityisesti nopeissa reaktiivisuustransienteissa, jotka voivat seurata esimerkiksi sydämessä sisällä olevan säätösauvan ulossinkoutumisesta. Jos säätösauvojen voimakkuudet on mitoitettu oikein, Doppler-takaisinkytkentä kykenee katkaisemaan tehopiikin ennen kuin lämpötila ehtii nousta niin korkeaksi että polttoaine kärsii vakavia vaurioita.iv
Muut takaisinkytkentämekanismit liittyvät mm. siihen, että moderaattorin lämpötilan nousu siirtää hidastuneiden neutronien jakaumaa energia-asteikolla ylöspäin, mikä muuttaa fissio- ja kaappausreaktioiden keskinäisiä todennäköisyyksiä. Tämä ilmiö vaikuttaa erityisesti grafiittimoderoiduissa reaktoreissa, joissa lämpötilan muutokset eivät rajoitu veden kiehumispisteeseen. Natriumjäähdytteisissä nopeissa reaktoreissa monet hallitsevista takaisinkytkennöistä liittyvät puolestaan sydämen rakenteiden lämpölaajenemiseen.v
Pohjimmiltaan takaisinkytkennöissä on siis kyse siitä, että fissiosta toiseen etenevä ketjureaktio ei ole koskaan täysin riippumaton vallitsevista olosuhteista, vaan tehontuoton ja lämmönsiirron välillä on aina yhteys. Tässä suhteessa ydinreaktori eroaakin selvästi perinteisistä höyrykattiloista, joissa polttoaineen palamisprosessi ei samaan tapaan riipu jäähdytyksestä.
Mikä tahansa reaktorityyppi on mahdollista rakentaa luontaisesti stabiiliksi tai epästabiiliksi (palaan tähän aiheeseen vielä myöhemmin Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuutta käsittelevän kirjoituksen yhteydessä). Negatiiviset takaisinkytkennät eivät tee reaktorista automaattisesti turvallista, mutta ne asettavat suunnittelulle sellaisia reunaehtoja, joiden puitteissa fissioteho on helposti hallittavissa. Suomessa stabiilisuusvaatimus on kirjattu myös lainsäädäntöön, sillä ydinenergian käyttöä säätelevissä YVL-ohjeissa edellytetään, että reaktorin fysikaalisten takaisinkytkentöjen on hillittävä tehon kasvua. Stabiilisuuden lisäksi reaktorin on selvittävä takaisinktkentöjen avulla säätöjärjestelmän häiriötilanteista ilman vakavia polttoainevaurioita. Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi edellä kuvattua säätösauvan ulossinkoutumista.
i) Neutronien hidastamiseen liittyy varsin ilmeinen väärinkäsityksen mahdollisuus. Moderaattorin tarkoitus on monissa ydintekniikkaa käsittelevissä kirjoituksissa tulkittu virheellisesti siten, että kyse on ketjureaktion tai fissiotehon kasvun hillitsemisemisestä. Neutronien liikkeen nopeus ja fissiotehon kasvunopeus ovat kuitenkin kaksi eri asiaa. Neutronien hidastaminen matalalle energia-alueelle on välttämätön edellytys ketjureaktion ylläpitämiselle, ja neutronihidastimen poistaminen on itse asiassa varsin tehokas tapa saada reaktori sammumaan.
ii) Ketjureaktion uudelleenkäynnistymisen mahdollisuus liittyy lähinnä sellaiseen tilanteeseen, jossa jäähdytyskierto palautetaan vaurioituneeseen reaktoriin jonka säätösauvat ovat sulaneet, mutta osa polttoaineesta on jäänyt ehjäksi. Käytännössä reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmissä käytetään kuitenkin neutroneita absorboivaa boorihappoa sisältävää vettä, joka estää samalla tehokkaasti reaktorin uudelleenkäynnistymisen.
iii) Neutronivuorovaikutusten todennäköisyyksiä kuvaavien vaikutusalojen energiariippuvuuteen liittyy monimutkainen hienorakenne. Tietyillä nk. resonanssienergioilla vuorovaikutustodennäköisyydet harppaavat ylöspäin useita kertaluokkia. Doppler-takaisinkytkentä liittyy siihen, että ytimien lämpöliike ikäänkuin leventää näitä resonanssipiikkejä ja kasvattaa reaktiotodennäköisyyttä niiden läheisyydessä. Seurauksena on reaktionopeuden kasvu, erityisesti sellaisella energia-alueella missä neutronikaappaus U238-ytimeen on hallitseva vuorovaikutus.
iv) Nopeissa reaktiivisuustransienteissa ensisijainen vaurioitumismekanismi on polttoainetablettien voimakkaan lämpölaajenemisen aiheuttama mekaaninen isku suojakuoriputkeen. Tämä tapahtuu jo ennen kuin lämpötila nousee niin korkeaksi että polttoaine sulaa.
v) Nopealla reaktorilla tarkoitetaan reaktoria, joka on suunniteltu toimimaan ilman neutronimoderaattoria. Ketjureaktio saadaan itseään ylläpitävään tilaan käyttämällä polttoainetta, jossa helposti fissioituvan uraani- tai plutoniumisotoopin osuus on nostettu niin korkeaksi, että fissioon johtavia törmäyksiä tapahtuu riittävä määrä myös korkealla energia-alueella.
Fissioreaktori 
Kiitos todella mielenkiintoisista kirjoituksista. Näiden avulla olen ymmärtänyt reaktorin toimintaperiaatteista enemmän kuin koulussa on opetettu ja moni väärinkäsitys on tullut oiottua.
TykkääTykkää