Hallittu Ydinräjähdys?

Jaakko Leppänen – 9.4.2018

Ydinreaktorin toimintaperiaatetta kuvataan usein pääpiirteittäin seuraavasti:

Ydinreaktorin toiminta perustuu itseään ylläpitävään ketjureaktioon. Neutronin osuminen uraaniytimeen saa ytimen halkeamaan, eli fissioitumaan. Reaktiossa vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita, jotka uusiin uraaniytimiin törmätessään aiheuttavat lisää fissioita. Ketjureaktio käynnistyy kun jokaista edellisen sukupolven neutronia kohden syntyy keskimäärin vähintään yksi uusi neutroni jatkamaan ketjua eteenpäin. Ydinräjähdyksessä ketjureaktio etenee hallitsemattomasti, ja ydinreaktorissa hallitusti.

Periaate on havainnollistettu alla olevassa kuvassa, johon on piirretty mukaan myös uraaniytimen halkeamisessa syntyviä tytärytimiä.

Ketjureaktio

Vastaavia selityksiä löytyy Wikipediasta, ydinvoimayhtiöiden esittelymateriaaleista sekä peruskoulun ja lukion fysiikan kirjoista. Ydinajatus on se, että peräkkäiset fissiot kytkeytyvät toisiinsa muodostaen pitkiä ja haarautuvia ketjuja, joita neutronit kuljettavat eteenpäin sukupolvesta toiseen. Prosessi jatkuu katkeamattomana niin kauan kuin reaktori on käynnissä.

Edellä esitetty kuvaus kertoo ydinreaktorin toiminnasta kaikkein olennaisimman: reaktorin tuottama energia on peräisin itseään ylläpitävästä ketjureaktiosta. Kuvaus pitää kuitenkin sisällään tiettyjä yksinkertaistuksia, minkä vuoksi se ei kaikilta osin vastaa todellisuutta. Suurin ongelma liittyy mielikuvaan, joka ketjureaktion etenemisestä muodostuu. Pyrin tässä kirjoituksessa tuomaan esille omaa näkemystäni siitä, miten reaktorin toiminta on parhaiten ymmärrettävissä, ja miksi reaktorin polttoaineessa käynnissä olevaa ketjureaktiota ei voi yksinkertaistaa hallituksi ydinräjähdykseksi.

Mitä tuo edellä esitetty kuvaus sitten oikeastaan yrittää kertoa ketjureaktion käyttäytymisestä? Fissioketjun etenemisnopeutta kuvataan reaktorifysiikassa aikavakiolla, jota kutsutaan kerkeän neutronin eliniäksi. Tämä aikavakio mittaa keskimääräistä aikaa kahden peräkkäisen fission välillä, eli periaatteessa yksittäisen neutronisukupolven kestoa. Mitä lyhyemmän aikaa neutronit vaeltavat reaktorin sydämessä ennen absorboitumistaan takaisin polttoaineeseen, sitä nopeammin reaktioketju etenee fissiosta toiseen. Termi ”kerkeä” puolestaan viittaa siihen, että kyse on neutroneista jotka irtoavat uraaniytimestä välittömästi halkeamisen hetkellä. Kevytvesireaktoreissa kerkeän neutronin elinikä mitataan kymmenissä mikrosekunneissa, eli sekunnin miljoonasosissa. Yksittäisen neutronin kulkeutuminen reaktorin sydämessä on siis hyvin nopea prosessi.

Toinen ketjureaktion etenemiseen vaikuttava tekijä liittyy fissioketjujen haarautumiseen. Fissioreaktiossa syntyy tyypillisesti 2-4 uutta neutronia, joista vain osa päätyy takaisin uraanipolttoaineeseen aiheuttamaan uusia fissioita. Mitä suurempi todennäköisyys neutronilla on välttää fission kanssa kilpailevat reaktiomuodot, sitä enemmän ketjuihin muodostuu uusia haaroja. Edellä esitetty kuvaus antaa ymmärtää että ketjureaktion jatkumisen ehto on se, että jokainen edellisen sukupolven neutroni korvautuu seuraavassa sukupolvessa keskimäärin vähintään yhdellä uudella neutronilla. Tämä puolestaan tarkoittaisi sitä, että reaktori toimisi vakioteholla vain ja ainoastaan silloin, kun fissiossa syntyneistä neutroneista keskimäärin tasan yksi selviytyisi jatkamaan ketjua eteenpäin. Nopeampi haarautuminen johtaisi neutronipopulaation, fissionopeuden ja -tehon kasvuun, ja päinvastaisessa tapauksessa reaktioketju hiipuisi nopeasti olemattomiin.

Jos ydinreaktorin toiminta todella noudattaisi tätä periaatetta, fissioteho vastaisi äärimmäisen herkästi pieniinkin muutoksiin ketjureaktion toimintatilassa. Fissioketjun haarautumistekijäni poikkeaminen ykkösestä prosentin sadasosalla saisi ketjureaktion kiihtymään niin nopeasti, että reaktorin teho kymmenkertaistuisi puolen sekunnin välein. Tällaisen reaktorin säätäminen olisi käytännössä mahdotonta, ja todellisuudessa tehomuutokset etenevätkin monta kertaluokkaa hitaammin.

Mikä edellisessä kuvauksessa sitten menee pieleen? Vastausta on syytä etsiä ennen kaikkea fissioketjujen pituudesta. Ketjujen eteneminen fissiosta toiseen tapahtuu kyllä edellä kuvatusti kymmenien mikrosekuntien aikaskaalassa. Reaktorin normaalissa toimintatilassa ketjut eivät kuitenkaan jatku loputtomiin, vaan jäävät aina äärellisen mittaisiksi. Yksittäinen ketju voi edetä kymmeniä tai jopa satoja sukupolvia, mutta ennen pitkää kaikki sen haarat kuihtuvat pois. Aikaa tähän kuluu kokonaisuudessaan joitakin millisekunteja, mikä vertautuu esimerkiksi kameran salamavalon välähdykseen.

Jos ketjureaktio muodostuu todellisuudessa yksittäisistä sekunnin murto-osan kestävistä neutronipurskahduksista, niin mikä sitten selittää sen, että reaktori kykenee toimimaan yhtäjaksoisesti kuukausia kerrallaan? Entä mistä nämä äärellisen mittaiset fissioketjut saavat alkunsa?

Varsinaisen fissioreaktion lisäksi reaktorin toimintaan liittyy myös toinen fissionopeuteen kytkeytynyt neutronituottomekanismi, joka tavallisesti jätetään yksinkertaisuuden vuoksi selittämättä. Raskaan uraaniytimen halkeaminen jättää jälkeensä paljon ylimääräisiä neutroneita, joista tytärytimet pyrkivät eroon radioaktiivisella hajoamisella. Tyypillisin hajoamismuoto on β-hajoaminen, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi. Osa fissiotuotteista on kuitenkin niin neutroniylijäämäisiä, että ne voivat hajoamisreaktion yhteydessä sylkäistä ulos vielä ylimääräisen neutronin. Koska radioaktiiviseen hajoamiseen liittyy tietty viive, myöskään neutroniemissio ei tapahdu välittömästi fission hetkellä. Tällaisia neutroneita kutsutaan reaktorifysiikassa viivästyneiksi neutroneiksi, ja niitä emittoivia ytimiä viivästyneiden neutronien prekursoreiksi. Neutroniemissioon liittyvä viive vaihtelee sekunnin sadasosista muutamaan minuuttiin.ii

Viivästyneitä neutroneita syntyy keskimäärin noin yksi jokaista 60 uraaniytimen fissiota kohden, eli niiden osuus reaktorin kokonaisneutronituotosta ei ole erityisen suuri. Reaktorin toimintaan niillä on kuitenkin olennainen vaikutus, sillä jokainen prekursoriytimen hajoaminen voi käynnistää uuden fissioketjun. Tämä selittää myös reaktorin jatkuvan toimintatilan. Viivästyneiden neutronien emissio kytkee uudet fissioketjut polttoaineessa aikaisemmin tapahtuneisiin neutronipurskahduksiin, jotka ovat jättäneet jälkeensä hajoamista odottavia prekursoriytimiä. Suuressa mittakaavassa ajalliset epäjatkuvuudet keskiarvoistuvat pois. Matalallakin teholla toimivan reaktorin polttoaineessa käynnistyy joka hetki biljoonia uusia fissioketjuja, jotka saavat reaktorin toiminnan näyttämään jatkuvalta prosessilta.

Ketjureaktion jatkumisen ehto voidaan puolestaan ymmärtää siten, että jokaisessa fissioketjussa täytyy syntyä vähintään yksi uuden ketjun käynnistävä viivästynyt neutroni. Reaktori toimii vakioteholla kun vanhat ketjut korvautuvat jatkuvasti uusilla, mutta niiden kokonaismäärä ei kasva eikä pienene. Reaktorifysiikassa tällaiseen tasapainotilaan viitataan termillä ”kriittisyys”. Reaktorin sanotaan siis olevan kriittisessä tilassa kun sen fissioteho ei muutu. Alikriittisessä reaktorissa teho vastaavasti laskee, ja ylikriittisessä kasvaa. Toimintatilan muutosta mittaa suure nimeltä reaktiivisuus. Vakioteholla toimiva reaktori saadaan ylikriittiseen tilaan tuomalla polttoaineeseen lisää reaktiivisuutta, esimerkiksi vetämällä säätösauvoja ulos sydämestä. Säätösauvojen työntäminen syvemmälle vastaavasti pienentää reaktiivisuutta, jolloin ketjureaktio siirtyy alikriittiseen toimintatilaan, ja teho kääntyy laskuun.

Viivästyneet neutronit tuovat ketjureaktioon hitautta, joka tekee fissiotehon säätämisen käytännössä mahdolliseksi. Kun reaktori käynnistetään tai sen tehoa nostetaan kasvattamalla reaktiivisuutta, ensimmäinen muutos on se, että nopeasti etenevät fissioketjut kasvavat hieman pituutta. Koska fissioita tapahtuu aikaisempaa enemmän, myös viivästyneitä neutroneita alkaa syntyä polttoaineeseen enemmän. Uusien ketjujen käynnistyminen ei kuitenkaan tapahdu välittömästi vaan vähitellen, sillä prekursoriytimet voivat pitää kiinni ylimääräisistä neutroneistaan jopa minuuttien ajan. Käynnissä olevien fissioketjujen lukumäärä alkaa kuitenkin lopulta kasvaa, ja reaktorin teho nousee. Viivästyneiden neutronien ansiosta reaktorin tehomuutokset voidaan toteuttaa käytännössä mielivaltaisen hitaasti.

Alussa esitetty katkeamattomiin fissioketjuihin perustuva kuvaus on periaatteessa aivan oikea, mutta se pitää sisällään ajatuksen siitä, että myös viivästyneet neutronit syntyvät fissiossa (mikä tavallaan pitääkin paikkansa). Mielikuvatasolla tällainen yksinkertaistus antaa kuitenkin liian helposti vääristyneen kuvan ketjureaktion etenemisnopeudesta, ainakin jos viivästyneen neutronin käsitettä ei samassa yhteydessä selitetä perinpohjaisesti. Asioiden hahmottaminen helpottuukin huomattavasti, jos viivästyneen neutronin emissio ja kerkeät fissioketjut mielletään erillisiksi, joskin toisiinsa kytkeytyneiksi prosesseiksi. Monen kertaluokan ero tapahtumien aikaskaaloissa antaa tälle hyvät perusteet. Jos aikavälit skaalattaisiin havainnollisempaan mittakaavaan siten, että fissioketjut kulkisivat alusta loppuun kymmenessä sekunnissa, niin ketjujen synnyttämät viivästyneet neutronit aloittaisivat kulkunsa reaktorissa vasta minuutteja, tunteja tai jopa päiviä myöhemmin.

Mielikuva katkeamattomista fissioketjuista sekoittuu myös turhan helposti reaktorin neljänteen toimintatilaan, jota kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi. Tämä tila saavutetaan kun reaktorin neutronituotto kasvaa niin suureksi, että kerkeiden neutronien eteenpäin kuljettamat fissioketjut todella pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi. Kun ketjureaktion ylläpitäminen ei ole enää viivästyneiden neutronien varassa, fissiotehon kasvunopeuden määrittäväksi aikavakioksi tulee äärettömään kasvuun karanneen ketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä. Jos reaktorin negatiiviset takaisinkytkennät eivät kykene katkaisemaan tehon kasvua, seurauksena voi olla koko reaktorisydämen tuhoutuminen polttoaineen lämpötilan ylittäessä nopeasti uraanidioksidin sulamispisteen. Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa tapahtunut räjähdys aiheutui juuri reaktorin ketjureaktion karkaamisesta kerkeästi kriittiselle alueelle.

Myös ydinräjähdyksessä on kyse kerkeästi kriittisessä toimintatilassa etenevästä ketjureaktiosta, jossa teho nousee ilman viivästyneiden neutronien mukanaan tuomaa hitautta. Kerkeästi kriittisen tehotransientin ja todellisen ydinräjähdyksen välille ei kuitenkaan ole syytä laittaa yhtäläisyysmerkkiä.

Kerroin reaktorin stabiilisuutta käsittelevässä kirjoituksessa että ketjureaktion ylläpitäminen kevytvesi- ja muissa termisissä reaktoreissa edellyttää neutronien hidastamista fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Tämä on reaktorin toiminnan kannalta välttämätön prosessi, joka mahdollistaa matalasti väkevöidyn uraanin käyttämisen reaktorin polttoaineena. Neutronilla voi olla syntyessään nopeutta kymmenesosa valonnopeudesta (300,000 km/s), ja ennen seuraavaa fissiota sen kulku on hidastunut muutamaan kilometriin sekunnissa. Tämä vaatii keskimäärin hieman yli 20 kimmoisaa törmäystä moderaattorin vety-ytimiin. Neutronien vaellus moderaattorissa vie aikaa, mikä asettaa myös absoluuttisen ylärajan sille, miten nopeasti ketjureaktio voi kerkeästi kriittisessä tilassa edetä. Kuten edellä todettiin, fissioketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä on kevytvesireaktoreissa tyypillisesti muutaman kymmenen mikrosekunnin suuruusluokkaa.

Ydinpommissa fissioketjujen eteneminen pyritään tarkoituksellisesti kiihdyttämään suureen nopeuteen, jotta fissioissa ehtii vapautua mahdollisimman paljon energiaa ennen kuin polttoaineen räjähdysmäinen lämpölaajeneminen rikkoo ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavan geometrian. Käytännössä tämä saavutetaan maksimoimalla neutronituotto eli fissioketjujen haarautuminen, ja minimoimalla neutronisukupolven kesto. Ydinräjähde muodostuu lähes puhtaasta fissiilistä uraanista tai plutoniumista, jossa neutronilla on jokaisessa törmäyksessä suuri todennäköisyys aiheuttaa uusi fissio. Hiukkanen ehtiikin elinkaarensa varrella törmätä vain muutaman kerran, jolloin kerkeän kriittisyyden aikavakio jää yhteen tai kahteen nanosekuntiin, eli sekunnin miljardisosaan.

Käytännössä ero on huomattava, sillä fissioteho kasvaa ydinräjähdyksessä yli miljoona kertaa reaktorin kerkeästi kriittistä tehotransienttia nopeammin. Jos ydinräjähdystä pystyttäisiin seuraamaan hidastetusti videolta siten, että tehon kaksinkertaistuminen kestäisi kymmenen sekuntia, niin samalla hidastuksella vastaava suhteellinen tehomuutos veisi reaktorin transientissa vähintään vuosia.iii

Kerkeä kriittisyys on ydinreaktorille ei-toivottu toimintatila, joka asettaa rajoituksia esimerkiksi polttoaineen käytön suunnittelulle. Fissiotehon nopeaa nousua voidaan kuitenkin käyttää reaktoritekniikassa myös hyödyksi. Pulssitoimisissa tutkimusreaktoreissa teho saadaan nostettua hetkellisesti monta kertaluokkaa vakiotehotilaa korkeammalle tasolle. Pulssi voidaan laukaista esimerkiksi ampumalla sisään työnnetty säätösauva paineilmalla ulos sydämestä, jolloin reaktiivisuus nousee nopeasti kerkeästi kriittiselle alueelle. Seurauksena on lyhytkestoinen voimakas neutronipulssi, joka katkeaa reaktorin takaisinkytkentöihin. Pulssitoiminnon ansiosta pienellä tutkimusreaktorilla on mahdollista tuottaa hetkellisesti yhtä suuria neutronitiheyksiä kuin monta kertaluokkaa suuremmilla reaktoreilla. Toimintoa on käytetty aikanaan myös Espoon Otaniemessä sijaitsevalla FiR 1 -tutkimusreaktorilla, joka oli käytössä vuoteen 2015 saakka.iv


i) Käytän tässä tekstissä kerkeiden neutronien muodostamien fissioketjujen haarautumista kuvaavasta vakiosta termiä ”haarautumistekijä”. Tätä ei pidä sekoittaa reaktorifysiikassa käytettävään kasvutekijään, joka ottaa huomioon myös viivästyneet neutronit. Edellinen kuvaa neutronimonistusta yksittäisissä fissioketjuissa, ja jälkimmäinen koko reaktorissa, jonka ketjureaktio muodostuu useista toisiinsa kytkeytyneistä ketjuista. Erot ilmenevät esimerkiksi siinä, mihin muotoon kriittisyysehto ja ylikriittisen ja kerkeästi kriittisen toimintatilan välinen reaktiivisuusraja kirjoitetaan.

ii) Pohjimmiltaan viivästyneiden neutronien emissiossa on kyse siitä, että hajoamisreaktiossa syntynyt tytärydin jää joissain tapauksissa niin korkeaan viritystilaan, että sen ylimääräinen energia riittää irrottamaan ytimestä neutronin. Tämä neutroniemissio tapahtuu viiveellä, jota kuvaa sitä edeltäneen radioaktiivisen hajoamisen puoliintumisaika. Pitkäikäisin prekursoriydin on bromin isotooppi Br87, jonka hajoamisketju voidaan kirjoittaa:

Br87 ⟶ Kr87* ⟶ Kr86 + n.

Hajoamisreaktiossa syntyneen kryptonytimen viritystilaa on kuvattu reaktioyhtälössä tähdellä. Betahajoamisreaktion puoliintumisaika on 56 sekuntia. Muiden merkittävien prekursoriytimien puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin kymmenesosista kymmeniin sekunteihin.

iii) Fissiotehon kasvu on eksponentiaalinen prosessi, joka tarkoittaa sitä, että suhteellinen tehomuutos aikayksikössä on vakio. Esimerkiksi tehon kasvu yhdestä kahteen megawattiin kestää tällöin yhtä kauan kuin muutos kahdesta neljään tai neljästä kahdeksaan megawattiin. Nopean neutronispektrin reaktoreissa ketjureaktion ylläpitäminen ei edellytä neutronien hidastamista termiselle energia-alueelle. Fissioketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä jää vastaavasti lyhyemmäksi, noin puoleen mikrosekuntiin. Tämä tarkoittaa sitä, että myös kerkeästi kriittiselle alueelle karanneen reaktorin tehotransientit etenevät nopeammin. Fissiotehon kasvunopeus jää silti kauas ydinräjähdyksestä. Ero ei liity ainoastaan kerkeän kriittisyyden aikavakioon, vaan myös siihen, että ydinräjähdyksessä fissioketjuissa syntyy korkean neutronimonistuksen vuoksi enemmän uusia haaroja. Haarautumistekijä saadaan korkeaksi nostamalla reaktiivisuus paljon kerkeän kriittisyyden rajan yläpuolelle jo ennen ketjureaktion käynnistämistä.

iv) VTT:n ydinreaktori Otaniemessä oli amerikkalaisen General Atomicsin rakentama TRIGA MK-II -tyypin tutkimus- ja koulutusreaktori, jonka jatkuvatoiminen maksimiteho oli 250 kilowattia. Kerkeästi kriittisessä tehopulssissa teho nousee hetkellisesti noin tuhatkertaiseksi. TRIGA-sarjan reaktoreita on käytössä yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa, ja tehopulsseista on paljon videomateriaalia esimerkiksi YouTubessa (otsikossa esiintyvää dollaria käytetään reaktorifysiikassa reaktiivisuuden yksikkönä: 2.5$ tarkoittaa sitä, että reaktiivisuuslisäys ylittää kerkeän kriittisyyden rajan 2.5-kertaisesti). Kerkeästi kriittinen tila kestää vain sekunnin murto-osia (aika on paljon lyhyempi kuin esim. yksittäisen videoframen kesto). Välähdyksen jälkeinen sininen hehku on peräisin nk. Tšerenkovin säteilystä, jota syntyy kun lyhytikäisten radionuklidien hajoamisen tuottama voimakas säteily vuorovaikuttaa vedessä.

 

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