Missä viipyy toriumreaktori?

Jaakko Leppänen – 23.3.2018

Ville kirjoitti omassa avausviestissään meneillään olevasta ydinvoimahypestä, joka liittyy pieniin modulaarisiin SMR-reaktoreihin. Useimmissa SMR-konsepteissa on pohjimmiltaan kyse jo olemassa olevan ja koetellun teknologian skaalaamisesta pienempään mittakaavaan, mutta vastaavaa pöhinää on havaittavissa myös paljon eksoottisempien reaktorityyppien ympärillä. Ydinenergia-alaa pidempään seuranneet eivät ole voineet välttyä huomaamasta, että samat ideat toistuvat lähes säännöllisin väliajoin tiede- ja teknologialehtien ydinvoima-aiheisissa kirjoituksissa, tarjoten ratkaisua milloin ydinjäteongelmaan, ja milloin taas reaktoreiden turvallisuuskysymyksiin. Lupauksista huolimatta uudet innovaatiot eivät kuitenkaan näytä lyövän läpi, vaan ydinteollisuus luottaa vuosikymmenestä toiseen yli puoli vuosisataa vanhaan kevytvesireaktoriteknologiaan. Miksi ydintekniikka ei sitten kehity, jos kerran parempiakin ratkaisuja on tarjolla?

Useimmat hypetetyistä reaktorityypeistä ovat teknisesti täysin toteuttamiskelpoisia, ja monet niistä todella tarjoavat huomattavia parannuksia erityisesti sellaisiin sovelluksiin, joissa perinteisten paine- ja kiehutusvesilaitosten rajoitukset tulevat vastaan. Uskon itse että SMR-kokoluokan kevytvesireaktoreiden lisäksi esimerkiksi korkean lämpötilan kaasujäähdytteisillä reaktoreilla on suuri potentiaali vähentää ratkaisevasti raskaan teollisuuden kasvihuonekaasupäästöjä, joita on muilla teknologioilla vaikea saada alas. Sama pätee myös kaukolämmöntuotantoon räätälöityihin reaktoreihin, jotka voisivat erityisesti Suomen olosuhteissa olla hyvinkin varteenotettava vähäpäästöinen vaihtoehto suurten asumiskeskittymien lämmittämiseen. Nämä reaktorityypit ovat teknisesti toteutettavissa, ja niihin liittyvät haasteet ovatkin lähinnä taloudellisia ja poliittisia. Ydinvoiman lisärakentaminen on monessa maassa pitkän ja raskaan poliittisen prosessin takana, erityisesti silloin kun puhutaan uudesta teknologiasta. Taloudellisten riskien minimoimiseksi voimayhtiöt sijoittavat rahansa mieluummin sellaisiin ratkaisuihin, joiden toteutumisesta ja todellisista kustannuksista on edes jotain aikaisempaa näyttöä.

Eksoottisempia tulevaisuuden reaktoriteknologioita käsitteleviä uutisia lukiessa kannattaa pitää mielessä se, että kyse on monesti konseptitason suunnitelmista, jotka ovat olemassa korkeintaan tietokonesimulaatioina. Uusia reaktorityyppejä kehittävät erityisesti USA:ssa pienet ja keskisuuret insinööritoimistot, joilla ei ulkopuolisen tutkimusrahoituksen lisäksi välttämättä ole kovin paljon muuta kassavirtaa. Yhteistyötahoina voi toimia yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, joille työn varsinainen päämäärä ei välttämättä edes ole toimivan reaktoriratkaisun tuottaminen, vaan esimerkiksi koulutus tai uusien laskentamenetelmien kehitys. Uudet teknologiat soveltuvat näihin tarkoituksiin erittäin hyvin, ja akateemisessa tutkimuksessa matka onkin usein päämäärää tärkeämpi.

Tiede- ja teknologialehtien uutiset on monesti poimittu firmojen omasta mainosmateriaalista, joka pitää sisällään samoja toiveikkaita lupauksia joilla myös potentiaaliset rahoittajat houkutellaan avaamaan lompakkonsa. Kilpailu rahoituksesta on kovaa, eivätkä kaikki pelaa täysin avoimilla korteilla. Uuden teknologian erinomaisuutta saatetaan korostaa väittämällä sen ratkaisevan myös sellaisia ongelmia, joita ei myöskään perinteisellä kevytvesireaktoriteknologialla todellisuudessa edes ole. Klassisin esimerkki liittyy reaktorin fissiotehon hallintaan. Uuden teknologian eduksi voidaan listata, että reaktori sammuttaa ongelmatilanteessa itse itsensä. Samassa yhteydessä jätetään kuitenkin kertomatta, että kyse on todellisuudessa ominaisuudesta joka löytyy lähes kaikista muistakin reaktorityypeistä. Maallikon voi olla hyvin vaikea arvioida esitettyjen väitteiden todenperäisyyttä, varsinkin jos niiden esittäjä hyväksikäyttää tarkoituksellisesti ihmisten ydinenergia-alaa kohtaan tuntemaa huolta ja epäluuloa.

Yksi hypetetyimmistä edistyneistä ydinteknologioista on toriumreaktori. Toriumia on tosin käytetty ydinpolttoaineena onnistuneesti jo 1960-luvulla, joten kyse ei varsinaisesti ole uudesta teknologiasta. Mielenkiinto toriumia kohtaan heräsi alkujaan siitä, että koska kyse on maankuoressa kolme kertaa uraania yleisemmästä alkuaineesta, teknologian käyttöönotto hälventäisi myös ydinpolttoaineen riittävyyteen liittyviä huolia. Toriumteknologiaan liitetään tosin usein joukko muitakin sen ylivoimaisuutta korostavia ominaisuuksia. Esimerkiksi Wikipediassa toriumreaktorin eduiksi luetaan mm. se, että polttoainetta ei tarvitse väkevöidä, että reaktoriteknologia soveltuu huonosti ydinasemateriaalin valmistamiseen, ja että reaktori käyttää luonnonvaroja tehokkaasti, tuottaen samalla vähemmän ydinjätettä. Viimeisin väite viedään toisinaan jopa niinkin pitkälle, että toriumreaktorin tuottamaa jätettä ei tarvitsisi edes loppusijoittaa, sillä siihen ei synny lainkaan pitkäikäistä plutoniumia.

Mitä toriumin käyttö ydinpolttoaineena sitten käytännössä tarkoittaa? Torium kuuluu uraanin, neptuniumin, plutoniumin ja amerikiumin kanssa alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä aktinidien ryhmään. Näiden alkuaineiden isotoopeille on yhteistä se, että ne ovat rakenteeltaan epästabiileja, ja pyrkivät kohti matalampaa energiatilaa radioaktiivisella hajoamisella. Kaikki aktinidit kykenevät myös (ainakin teoriassa) fissioitumaan neutroniabsorption vaikutuksesta. Reaktoriteknologian näkökulmasta erityisasemassa ovat sellaiset isotoopit, joilla fission todennäköisyys on riittävän korkea ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Uraanipolttoainetta käyttävissä reaktoreissa pääasiallinen fissioituva isotooppi on U235, joskin polttoainenipun käyttöiän lopulla merkittävä osa energiasta on peräisin myös plutoniumin Pu239-isotoopin fissiosta. Muita helposti fissioituvia isotooppeja ovat sellaiset ytimet joiden neutroniluku on pariton, esimerkiksi uraanin isotooppi U233 ja plutoniumin isotooppi Pu241.i

Helposti fissioituvan U235-isotoopin atomiosuus on luonnonuraanissa noin 0.7%. Näin matala pitoisuus riittää hädin tuskin ketjureaktion ylläpitämiseen, sillä edellytyksellä että reaktorin moderaattorina käytetään neutroneita heikosti absorboivaa raskasta vettä, tai vaihtoehtoisesti erittäin puhtaasta hiilestä koostuvaa grafiittia. Kevytvesireaktoreissa moderaattoriytimenä toimiva vety sen sijaan absorboi niin paljon neutroneita, että häviöiden kompensoimiseksi polttoaineen väkevöinti eli U235-isotoopin pitoisuus nostetaan tyypillisesti 3-5 %:iin.

Luonnossa esiintyvä torium koostuu yksinomaan parillisen neutroniluvun isotoopista Th232, jonka fission todennäköisyys on erittäin pieni. Puhtaasta toriumista rakennettu reaktori ei tästä syystä kykene ylläpitämään ketjureaktion kulkua missään olosuhteissa. Todellisuudessa toriumreaktorin polttoaineen fissio perustuukin uraanin isotooppiin U233, jota syntyy toriumista peräkkäisten neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioiden kautta:ii

Th232 + n ⟶ Th233 ⟶ Pa233 ⟶ U233

Torium ei siis varsinaisesti ole uraaniin verrattavissa oleva ydinpolttoaine, vaan pikemminkin lähtöaine josta fissiiliä polttoainetta valmistetaan. Puhdasta toriumia säteilytetään reaktorissa niin kauan, että fissiilin isotoopin pitoisuus riittää ketjureaktion ylläpitämiseen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että U233:n atomiosuuden on oltava vähintään prosentin tai kahden luokkaa.

Uraanin isotoopeista U233:lla on kuitenkin puolellaan sellainen lisäetu, että sen neutronien keskimääräinen nettotuotto on U235:a korkeampi. Jos reaktori saadaan käyntiin toriumpolttoaineella, niin ylimääräiset neutronit voidaan käyttää muuttamaan lisää Th232-ytimiä U233:ksi. Suotuisissa olosuhteissa reaktori voi tuottaa uutta polttoainetta nopeammin kuin vanhaa kuluu. Tällaista reaktoria kutsutaan hyötöreaktoriksi. Neutronien näkökulmasta toriumpolttoaineella toimivan hyötöreaktorin toimintaperiaatteen voi ymmärtää vaikka siten, että yksi fissiossa syntyneistä neutroneista tarvitaan ylläpitämään ketjureaktion kulkua, eli jatkamaan fissioketjua eteenpäin, ja ylimääräisillä neutroneilla muutetaan Th232-ytimiä U233:ksi siten, että myös fissiossa menetetty ydin korvautuu uudella.

Toriumreaktorin kyky käyttää luonnonvaroja perinteistä kevytvesireaktoria tehokkaammin liittyy juuri siihen, että kyse on itse asiassa hyötöreaktorista. Koska hyötöreaktori tuottaa jatkuvasti lisää fissiiliä isotooppia, se voi ainakin teoriassa hyödyntää maankuoresta löytyvän raaka-aineen koko energiasisällön. Uraanipolttoaineella toimiva kevytvesireaktori pystyy vastaavasti käyttämään lähinnä U235-isotoopin osuuden, eli 0.7% uraanin kokonaismäärästä. Tarkoittaako tämä sitten sitä, että toriumreaktori on luonnonvarojen riittävyyden kannalta ratkaisevasti parempi vaihtoehto?

Maailman uraanivarojen riittävyys mainitaan usein ydinenergian pitkäaikaista käyttöä rajoittavana tekijänä. Syy tähän on jossain määrin historiallinen. Uraania pidettiin vielä 1950-luvulla suhteellisen harvinaisena alkuaineena, tosin lähinnä siitä syystä, että maailman uraanivarojen kartoitus alkoi toden teolla vasta kun ydinteollisuus loi sen laajamittaiselle käytölle konkreettisen tarpeen. Varhaisissa ennusteissa ydinenergian käytön uskottiin myös yleistyvän huomattavan nopeasti, ja lopulta jopa syrjäyttävän kaikki muut energiantuotantomuodot. Luonnonvarojen rajallisuus yhdistettynä nopeaan kasvuun oli kestämätön yhtälö.

1950-luvun kasvuennusteet eivät kuitenkaan toteutuneet, ja nykytiedon mukaan tunnettujen ja kartoittamattomien uraanimalmioiden on arveltu riittävän vähintään sadoiksi vuosiksi eteenpäin. Kysymys uraanin riittävyydestä palautuu kuitenkin lopulta raaka-aineen hintaan, sillä kysynnän kasvaessa yhä köyhempien malmioiden louhinta muuttuu taloudellisesti kannattavaksi. Esimerkiksi fosfaattimalmien käyttöönotto moninkertaistaisi maailman uraanivarat kertaheitolla. Vielä suurempi potentiaali löytyy valtameristä, sillä uraania on myös merivedessä. Kilpailukykyinen erotusteknologia tosin odottaa vielä kehittämistään.iii

Toinen huomionarvoinen seikka on se, että hyötöreaktori voi toimia myös uraanipolttoaineella, jolloin suurimmaksi osaksi U238-isotoopista muodostuvan raaka-aineen koko energiasisältö voidaan hyödyntää tehokkaasti. Neutronikaappaukseen ja kahteen peräkkäiseen betahajoamiseen perustuva konversioprosessi on tällöin:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Tämä U238-Pu239 -kierto on täysin analoginen toriumreaktoreiden Th232-U233 -kierron kanssa, sillä erotuksella että uraanipolttoaineella hyötäminen edellyttää nopean neutronispektrin reaktoreita, joita on käsitelty toisessa blogikirjoituksessa.iv

Sen sijaan että toriumreaktoreita verrataan kevytvesireaktoreihin, vertailu pitäisikin oikeastaan tehdä nopeisiin hyötöreaktoreihin, jolloin ero luonnonvarojen käyttötehokkuudessa kaventuu käytännössä olemattomiin. Toriumiin perustuvan hyötöreaktorikierron etu onkin lähinnä se, että se voidaan toteuttaa myös termisen neutronispektrin reaktoreissa, mikä tuo keinovalikoimaan laajemman skaalan erilaisia teknologioita.

Wikipediassa toriumreaktorin yhdeksi eduksi mainittiin se, että polttoaineen valmistusprosessiin ei kuulu kallista väkevöintiä. Tämä on tavallaan täysin triviaali asia. Toriumilla ei ole lainkaan fissiiliä isotooppia, joten ei ole myöskään mitään mitä väkevöidä. Kaikkiin hyötöreaktorikiertoihin kuuluu kuitenkin välttämättömänä osana reaktorissa säteilytetyn polttoaineen jälleenkäsittely, jossa uuden polttoaineen valmistukseen käytettävä fissiili aines erotetaan jätteeksi menevästä massavirrasta. Jälleenkäsittely edellyttää hankalaa kemiallista prosessia, jossa käsitellään erittäin korkea-aktiivisia aineita nestemäisessä olomuodossa. Vaikka uraanin väkevöinti nostaa polttoaineen hintaa, kallis jälleenkäsittelyprosessi jää vastaavasti kokonaan pois.

Kuten edellä todettiin, toriumreaktoreiden eduksi luetaan monesti myös se, että polttoaineeseen ei synny pitkäikäistä plutoniumia,v minkä vuoksi reaktorin jäte ei rohkeimpien väitteiden mukaan tarvitsisi lainkaan geologista loppusijoitusta. Nämä väitteet liittyvät siihen, että kevytvesireaktoripolttoaineeseen kertyvät aktinidi-isotoopit, erityisesti 24,000 vuoden puoliintumisajalla hajoava Pu239, pitävät aktiivisuuden korkealla kymmenien tuhansien vuosien ajan. Vaikka toriumreaktori ei tuota mainittavasti plutoniumia, polttoaineeseen syntyy muita pitkäikäisiä aktinideja. Esimerkiksi uraanin U233-isotoopin puoliintumisaika on noin 162,000 vuotta. Lähempi tarkastelu paljastaakin, että myös käytetyn toriumpolttoaineen radioaktiivisuus jää hyvin pitkäksi aikaa esimerkiksi luonnossa esiintyvää uraanimalmia korkeammalle tasolle.vi

Todellisuudessa loppusijoituksen turvallisuusanalyysejä ei kuitenkaan edes tehdä vertaamalla ydinjätteen radioaktiivisuutta uraanimalmiin tai muuhun enemmän tai vähemmän mielivaltaisesti valittuun referenssitasoon. Aktiivisuus on pelkkä lähdetermi, ja analyysien varsinaisen lopputuloksen määrää se, miten suuren säteilyannoksen kallioperään haudattu jäte aiheuttaa ympäristölle ja loppusijoitustilan yläpuolella asuvalle väestölle. Turvallisuussuunnittelu lähtee siitä, että loppusijoituksesta aiheutuvan säteilyaltistuksen on kaikkina aikoina ja kaikki epävarmuudet huomioiden jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisesta taustasäteilystä aiheutuvaan annokseen. Käytännössä turvallisuuden osoittaminen edellyttää lähdetermin arvioinnin lisäksi analyysejä esimerkiksi loppusijoituskapselin kestävyydestä, radionuklidien liukenemisesta ja kulkeutumisesta, sekä pohjaveden liikkeistä kallioperässä ja loppusijoitustilan läheisyydessä.

Kaikki tekijät huomioiden edellä mainittu Pu239 ei pitkäikäisyydestään huolimatta ole loppusijoituksen kannalta erityisen ongelmallinen radionuklidi, sillä plutoniumin yhdisteet liukenevat erittäin huonosti veteen. Sama pätee moniin muihinkin pitkäikäisiin aktinideihin. Turvallisuuden kannalta merkittävämpiä isotooppeja ovat sen sijaan monet helposti kulkeutuvat fissiotuotteet, aktinidien hajoamistuotteet, sekä tietyt aktivoitumistuotteet, joita syntyy jopa polttoainenipun rakenteissa olevista epäpuhtauksista.

Koska toriumreaktorin energiantuotanto perustuu kevytvesireaktoreiden tapaan fissioreaktioon, myöskään loppusijoitettavan jätteen fissiotuoteinventaareissa ei ole merkittäviä eroja. Pitkäikäisten tytärytimien kokonaismäärä vertautuu tuotettuun energiamäärään riippumatta siitä, minkälaisella polttoaineella tai polttoainekierrolla reaktori toimii. Se, että toriumpolttoaineeseen ei synny plutoniumia, ei siis tarkoita sitä, etteikö kierrosta poistuvaa jätettä tarvitsisi eristää tuhansiksi vuosiksi ympäristöstä. Ainoa tapa päästä geologisesta loppusijoituksesta kokonaan eroon, on soveltaa toriumreaktoreille nykyistä löyhempiä turvallisuusstandardeja.

Viimeinen yllä esitetyistä väitteistä liittyi ydinasemateriaalin tuottamiseen toriumreaktorissa. Uraanin fissiili U233-isotooppi soveltuu todistetusti ydinpommin rakentamiseen,vii joten toriumreaktorin käyttö tällaiseen tarkoitukseen ei ole ainakaan fysikaalinen mahdottomuus. Se, että polttoainekiertoon kuuluu olennaisena osana kemiallinen jälleenkäsittely, joka on varta vasten suunniteltu käyttökelpoisen aineksen erottamiseen, voidaan nähdä jopa erityisenä riskitekijänä.

Toriumreaktoreiden hyvää “proliferaatioresistenssiä” perustellaankin usein sillä, että U233:n lisäksi polttoaineeseen syntyy myös pieniä määriä uraanin isotooppia U232, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Uraanin isotoopit kulkevat käsi kädessä kemiallisen jälleenkäsittelyprosessin läpi, ja lopputuotteen prosessointi ydinaseeksi soveltuvaan muotoon edellyttää niin tehokasta säteilysuojausta, että teknologia ei ole aivan helposti toteutettavissa. Tätä argumenttia on kuitenkin kritisoitu siitä, että se olettaa ydinasetta havittelevien terroristien huolehtivan asianmukaisesti työsuojelusta, ja noudattavan ydinteollisuuden käyttämiä annosrajoja. Lähtökohta muuttuu olennaisesti, jos oletetaan että pommin käyttäjät ovat joka tapauksessa valmiit uhraamaan henkensä hankkeen toteuttamiseksi. Käytännössä U233-isotooppiin liittyvät ydinasemateriaalikysymykset vertautuvat isotooppeihin U235 ja Pu239, mutta yhteistä kansainvälisesti hyväksyttyä linjaa ei toistaiseksi ole.

Tästä kirjoituksesta saattoi helposti saada sellaisen kuvan, että pitäisin toriumreaktoreita jo lähtökohtaisesti huonona ajatuksena.viii Mielestäni hypetyksen ongelma ei kuitenkaan ole itse teknologiassa, vaan pikemminkin sen ympärillä käytävässä keskustelussa. Torium ja muut edistyneet teknologiat tarjoavat paljon mahdollisuuksia kehittää ydinenergiantuotantoa uusille sovellusalueille, mutta muutos ei tapahdu vuodessa tai kahdessa. Monissa aihetta käsittelevissä kirjoituksissa odotukset asetetaan liian korkealle, ja uusien reaktorityyppien kuvitellaan kuin taikaiskusta ratkaisevan kaikki ongelmat. Jos näkökulma on tämä, lukijalle voi helposti syntyä sellainen mielikuva, että perinteiseen kevytvesireaktoriteknologiaan jämähtänyt ydinenergia-ala ei edes yritä kehittyä etsimällä uusia ratkaisuja.

Kuten jo aikaisemmin todettiin, suurimmat esteet ydinteknologian kehityksen tiellä eivät edes ole luonteeltaan teknisiä. Lähes kaikkien edistyneiksi luokiteltavien reaktorityyppien toimintaperiaatteet on demonstroitu käytännössä jo vuosikymmeniä sitten. Ydinenergiantuotannon alkuaikoina vaihtoehtoiset ratkaisut jäivät kuitenkin prototyyppiasteelle teollisuuden keskittäessä resurssinsa kevytvesireaktoriteknologian kehittämiseen. 1970-luvun lopulta alkaen kuvioihin tuli vahvasti mukaan myös politiikka, joka leikkasi rahoituksen monelta lupaavalta kehityshankkeelta. Viime vuosikymmeninä uusien reaktorien rakentaminen on törmännyt myös rahoitusongelmiin, sillä paljon pääomaa vuosikymmeniksi sitovat projektit eivät kaikkien mielestä sovi enää ajan henkeen.

Mikä siis on lopulta vastaus otsikossa esitettyyn kysymykseen? Lähes kaikki toriumreaktorin edut liittyvät siihen, että kyse on hyötöreaktorista, ja nykyisillä uraanin maailmanmarkkinahinnoilla hyötöreaktorikiertoa pidetään yksinkertaisesti liian kalliina ja poliittisesti vaikeana vaihtoehtona olemassa olevalle teknologialle. Tilanne voi muuttua tulevaisuudessa, jos ydinenergian käyttö lähtee vielä 1950-luvun ennusteita mukailevalle kasvu-uralle, ja laajan jälleenkäsittelyinfran rakentaminen tulee taloudellisesti mielekkääksi. Tällaisen skenaarion toteutuminen riippuu puolestaan esimerkiksi siitä, nähdäänkö ydinvoima tulevaisuudessa hyväksyttävänä keinona taistella ilmastonmuutosta vastaan. Teknisesti toriumreaktori tarjoaa varteenotettavan vaihtoehdon uraanipolttoainetta käyttäville nopeille hyötöreaktoreille, ja molemmat teknologiat tarjoavat ihmiskunnalle vähäpäästöisen energialähteen, jonka hyödynnettävyys ei käytännössä riipu luonnonvarojen riittävyydestä.


i) Tarkemmin sanottuna parittoman neutroniluvun isotoopeilla on kyky fissioitua ytimeen osuneen neutronin liike-energiasta riippumatta. Taustalla on nk. pariteettiefekti, joka juontaa juureensa ytimen kvanttifysikaaliseen rakenteeseen. Jos ytimeen osunut neutroni löytää nukleonien joukosta parikseen toisen yksinäisen neutronin, reaktiossa vapautuu ylimääräistä sidosenergiaa, joka saa ytimen halkeamaan. Parillisen neutroniluvun ytimien fissioon liittyy sen sijaan tyypillisesti tietty kynnysenergia, eli neutronin on tuotava mukanaan myös riittävästi liike-energiaa jotta halkeaminen tulee mahdolliseksi.

ii) Betahajoaminen (tarkemmin sanottuna β-hajoaminen) on radioaktiivisen hajoamisen muoto, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi. Tämä tarkoittaa sitä, että ytimen massaluku säilyy, mutta järjestysluku kasvaa yhdellä. Neutronikappauksen seurauksena syntynyt Th233-ydin hajoaa ensin alkuaineiden jaksollisessa jaksollisessa järjestelmässä yhtä järjestyslukua korkeammalla olevaksi protaktiniumiksi, ja toisen vastaavan reaktion myötä uraaniksi.

iii) Toriumreaktorin eduksi lasketaan toisinaan myös se, että toriumia sisältävät malmiot ovat jakautuneet maankuoressa uraania tasaisemmin. Kolme suurinta uraanintuottajamaata ovat Kazakstan, Kanada ja Australia, joiden yhteenlaskettu osuus muodostaa yli 70% maailmanmarkkinoista. Toriumia löytyy paljon esimerkiksi Australiasta, USA:sta, Turkista, Intiasta, Venezuelasta, Brasiliasta ja Norjasta.

iv) Uraanin konversiota plutoniumiksi tapahtuu myös tavallisissa kevytvesireaktoreissa. Kuten edellä todettiin, reaktorin polttoaine voi käyttöikänsä lopulla tuottaa merkittävän osan fissioenergiastaan plutoniumilla. Tästä syystä myös luonnonuraanin energiasisällöstä pystytään todellisuudessa hyödyntämään enemmän kuin pelkkä U235-isotoopin osuus. Kevytvesireaktoreissa konversioprosessi ei kuitenkaan toimi yhtä tehokkaasti kuin toriumreaktoreissa, ja fissiilä materiaalia kuluu väistämättä nopeammin kuin uutta syntyy. Tilanne on olennaisesti erilainen jos reaktori toimii nopealla neutronispektrillä, jolloin fissioreaktion neutronituotto riittää hyötämiseen myös U238-Pu239 -kierrossa.

v) Torium, uraani ja plutonium ovat jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet 90, 92 ja 94. Kevyen ytimen muuttuminen raskaammaksi edellyttää neutronikaappausreaktiota, ja järjestysluvun kasvu radioaktiivista betahajoamista. Uraanin U238-isotooppi on yhden neutronikaappauksen ja kahden betahajoamisen päässä plutoniumi isotoopista Pu239. Toriumin Th232-ytimen tapauksessa neutronikaappausreaktioita pitäisi tapahtua yhteensä kuusi, jotta ketjussa voisi muodostua betahajoamisten kautta ensimmäinen plutoniumin isotooppi, Pu238. Näin pitkät transmutaatioketjut ovat reaktorissa äärimmäisen epätodennäköisiä, minkä vuoksi toriumpolttoaineeseen ei synny merkittävästi plutoniumia.

vi) Vertailu hyötöreaktorikierrossa toimivan toriumreaktorin ja suoraan loppusijoitukseen perustuvan kevytvesireaktorin välillä ei myöskään ydinjätteen osalta ole täysin ongelmaton. Koko hyötöreaktorin idea on se, että polttoaineeseen syntynyttä fissiiliä isotooppia kierrätetään takaisin reaktoriin. Jos vertailu tehdään ainoastaan uraanipolttoaineeseen syntyvän Pu239:n ja toriumpolttoaineeseen syntyvän U233:n välillä, niin toriumreaktori on jo lähtökohtaisesti parempi vaihtoehto, sillä fissiili uraani ei edes päädy loppusijoitukseen. Ero uraani- ja toriumpolttoaineiden välillä kuitenkin kaventuu jos vertailu tehdään kevytvesireaktorin sijaan nopeaan hyötöreaktoriin, jonka polttoainekierto perustuu vastaavasti Pu239:n kierrätykseen. Olennaisin ero ei siis tule polttoainetyypistä, vaan siitä miten polttoainekierto on toteutettu. Hyötöreaktorikierrostakin poistuu jatkuvasti fissiotuotteita, joiden eristäminen ympäristöstä edellyttää käytännössä jätteen loppusijoitusta.

vii) Yhdysvallat on tehnyt ydinkokeita U233:lla ainakin Teapot-koesarjassa vuonna 1957. Myös Intialla uskotaan olevan hallussaan U233:een perustuvaa ydinaseteknologiaa.

viii) Kirjoitus keskittyi lähinnä osoittamaan, että toriumreaktoreista yleisesti esitetyt väitteet eivät kerro koko totuutta teknologian mahdollisuuksista. Toriumpolttoaineella on kuitenkin myös monia sellaisia ominaisuuksia, joita ei tekstissä mainittu lainkaan. Esimerkiksi toriumoksidin lämmönjohtavuus on jonkin verran uraanioksidia parempi, sen sulamispiste on korkeampi, ja materiaali on kemiallisesti stabiilimmassa tilassa. Toriumpolttoaine myös lämpölaajenee ja turpoaa fissiokaasujen vaikutuksesta perinteistä uraanipolttoainetta vähemmän. Tämä tarkoittaa sitä, että polttoaine voi kestää paremmin onnettomuustilanteita, ja sitä voidaan säteilyttää reaktorissa pidempään, jolloin myös käyttöastetta mittaava palama saadaan vastaavasti korkeammaksi.

 

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s