Ydinenergia ja ydinaseet

Jaakko Leppänen – 25.3.2019

Ydinvoimaan liittyvissä keskusteluissa nousee usein esille kysymyksiä energiantuotannon ja muiden reaktoriteknologian rauhanomaisten sovellusten yhteydestä ydinaseisiin. Huoli proliferaatiosta, eli ydinaseiden leviämisestä, onkin varsin aiheellinen. Ajankohtaisia uhkakuvia ovat mm. Iranin ja Pohjois-Korean ydinohjelmat, sekä ydinaseiden päätyminen alivaltiollisten terroristiryhmien käsiin. Teknologiaan liittyvä proliferaatioriski on myös osasyy siihen, miksi ydinenergiantuotanto on yksi maailman tarkimmin säädellyistä teollisuudenaloista. Lähes kaikki ydinenergiaa käyttävät maat ovat sitoutuneet kansainvälisiin sopimuksiin, joilla pyritään estämään uusien ydinasevaltioiden syntyminen. Kyse ei kuitenkaan ole ainoastaan yhdessä sovittujen pelisääntöjen noudattamisesta, vaan myös siitä, että siviili- ja sotilaspuolen sovellukset eroavat teknisesti toisistaan.

Siviilipuolen teknologiaan liittyvästä proliferaatioriskistä puhuttaessa kysymykseksi nostetaan usein se, voidaanko reaktoreissa käytetyistä materiaaleista valmistaa ydinpommi, tai voidaanko reaktoria itsessään käyttää ydinasemateriaalin tuottamiseen? Näihin kysymyksiin vastaamiseksi on ensin syytä tutustua siihen, mitä ydinräjähdyksessä tapahtuu, ja mitkä ovat edellytykset sellaisen aikaansaamiseksi. Ydinaseiden toiminnasta on luonnollisesti varsin rajallisesti tietoa julkisissa lähteissä, mutta pääpiirteittäin teknologiaa on kuvattu esimerkiksi monissa Wikipedia-artikkeleissa. Aiheesta on kirjoitettu myös paljon kirjoja, joista yksi kattavimmista lienee Richard Rhodesin ydinaseiden varhaishistoriaa käsittelevä ”The Making of the Atomic Bomb”.

Sienipilvi

Kuva 1: Castle Bravo -ydinkoe Bikinin atollilla Tyynellä valtamerellä maaliskuussa 1954. Ydinräjähdykselle tunnusomainen sienipilvi muodostuu kun räjähdyksen tuottama kuuma tulipallo nousee ylös, vetäen perässään viileämmästä ilmasta muodostuvaa jalkaa.

Ydinräjähdys

Reaktorin tapaan myös ydinpommin toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon, jonka etenemistä on kuvattu aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Reaktorin normaalissa toimintatilassa fissiosta toiseen etenevät reaktioketjut ovat äärellisen mittaisia. Vanhat fissioketjut korvautuvat jatkuvasti uusilla, mutta reaktorin toimiessa vakioteholla käynnissä olevien ketjujen kokonaismäärä säilyy muuttumattomana. Uusien ketjujen käynnistyminen liittyy nk. viivästyneisiin neutroneihin, jotka tuovat ketjureaktioon hitautta. Fissiotehon muutosnopeutta kuvaa suure nimeltä reaktiivisuus, joka voidaan liittää ketjujen haarautumiseen. Mitä suurempi reaktiivisuus, sitä enemmän ketjuihin muodostuu uusia haaroja, ja sitä pidemmäksi ne pääsevät kasvamaan. Tietyn reaktiivisuusrajan yläpuolella fissioketjut pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi, jolloin viivästyneet neutronit menettävät merkityksensä. Tällaista ketjureaktion toimintatilaa kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi.

Ydinreaktoreissa kerkeä kriittisyys on ei-toivottu toimintatila, sillä se saa fissiotehon kasvamaan nopeasti. Kevytvesireaktoreissa tehon kasvunopeutta rajoittaa kuitenkin se, että ketjureaktion ylläpitämiseksi neutronit on ensin hidastettava fission kannalta edulliselle matalalle, eli termiselle energia-alueelle. Hidastuminen tapahtuu törmäyttämällä neutroneita kevyisiin vety-ytimiin polttoainesauvoja ympäröivässä moderaattorissa. Yksittäisten neutronien elinkaaret kasvavat suhteellisen pitkiksi, mikä kasvattaa myös peräkkäisten fissioiden välistä aikaa. Kerkeästi kriittisessä transientissa kevytvesireaktorin fissioteho voi kaksinkertaistua millisekuntien aikaskaalassa. Kasvunopeus voi kuulostaa hurjalta, mutta käytännössä esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumisen laukaisema tehopulssi ehtii katketa reaktorin luontaisiin takaisinkytkentöihin ennen kuin vakavia polttoainevaurioita pääsee syntymään.

Ydinpommissa kerkeää kriittisyyttä käytetään hyväksi, ja fissiotehon kasvu halutaan päinvastoin kiihdyttää maksimaaliseen nopeuteen. Suunnittelun tavoitteena on, että reaktioissa ehtii vapautua mahdollisimman paljon energiaa ennen kuin räjähdys rikkoo ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavan geometrian. Tehon kasvunopeus riippuu käytännöstä kahdesta tekijästä: edellä mainitusta reaktiivisuudesta, joka siis vaikuttaa fissioketjujen haarautumisnopeuteen, sekä neutronin elinkaaren pituudesta, joka määrittää peräkkäisten fissioiden välisen ajan. Molempiin tekijöihin voidaan vaikuttaa materiaalivalinnoilla.

Fissiilin materiaalin yhteydessä puhutaan usein kriittisestä massasta, jolla tarkoitetaan pienintä määrää uraania tai plutoniumia joka kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Käsite ei ole absoluuttinen, sillä reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi neutronivuotoa pienentävillä heijastimilla, sekä puristamalla fissiopolttoaine korkeampaan tiheyteen. Kriittinen massa riippuu siis käytännössä myös geometriasta ja olosuhteista. Täysmittaisen ydinräjähdyksen aikaansaamiseksi pommissa on oltava polttoainetta vähintään 2-3 kriittisen massan edestä. Yhteen kasattuna systeemin reaktiivisuus ylittää tällöin moninkertaisesti kerkeän kriittisyyden rajan.i

Ketjureaktiota eteenpäin kuljettavien neutronien elinkaaren pituus riippuu ennen kaikkea siitä, kuinka monta kertaa hiukkanen ehtii törmätä väliaineen atomiytimiin ennen seuraavaa fissiota. Tämä aikavakio saadaan lyhyeksi käyttämällä polttoaineena lähes puhtaasti fissiilistä isotoopista koostuvaa uraania tai plutoniumia. Tällaisessa polttoaineessa ketjureaktion ylläpitäminen ei vaadi neutronien hidastamista termiselle energia-alueelle. Ydinpommissa neutronit ehtivät elinkaarensa varrella törmätä vain muutaman kerran, jolloin peräkkäisten fissoiden välinen aika mitataan nanosekunneissa.

Ydinräjähdys on ilmiönä äärimmäisen nopea. Räjähdyksen kokonaiskesto on puolen mikrosekunnin, eli sekunnin miljoonasosan luokkaa, mutta lähes kaikki räjähdyksessä vapautuva energia on peräisin viimeisen 50-100 nanosekunnin jaksolta. Fissiopolttoaineen saattaminen täysmittaisen ydinräjähdyksen edellyttämään tilaan on tähän verrattuna suhteellisen hidas prosessi, ja liian aikaisin käynnistynyt ketjureaktio voi rikkoa geometrian heti kun reaktiivisuus nousee kerkeästi kriittiselle alueelle. Kriittinen massa ei siis vielä tarkoita ydinräjähdystä, vaan räjähdyksen aikaansaaminen edellyttää toisaalta sitä, että polttoaineeseen ei osu neutroneita ennen kuin reaktiivisuus on saavuttanut maksimiarvonsa, ja toisaalta sitä, että ketjureaktio saadaan käynnistettyä juuri oikealla hetkellä. Sytytyksen aikaikkuna voi olla vain joitakin mikrosekunteja.ii

Ydinasemateriaalit

Ydinräjähdyksen aikaansaaminen edellyttää siis aivan erityisiä olosuhteita, mikä asettaa korkeita vaatimuksia myös fissiopolttoaineen koostumukselle. Ydinaselaatuinen uraani tai plutonium koostuu yli 90%:sti fissiilistä isotoopista (U235 tai Pu239).iii Luonnonuraanin U235-pitoisuus on n. 0.7%, ja kevytvesireaktoripolttoaineessakin fissiilin isotoopin osuus jää alle 5%:iin. Uraanikaivostoiminta tai tavanomainen ydinenergiantuotanto ei tästä syystä vielä yksin muodosta suurta proliferaatioriskiä. Ydinmateriaalivalvonnan kannalta kriittisempää teknologiaa onkin polttoaineen väkevöinti, jossa fissiilin U235:n pitoisuutta nostetaan hyödyntäen isotooppien pientä massaeroa. Samoissa väkevöintilaitoksissa missä valmistetaan reaktoripolttoainetta voitaisiin ainakin periaatteessa valmistaa myös ydinaselaatuista korkeasti väkevöityä uraania.iv Esimerkiksi Iran on otettu kansainvälisen yhteisön hampaisiin pääasiassa juuri väkevöintiteknologian kehittämisen vuoksi.

Ydinaselaatuisen uraanin korkea väkevöintiaste liittyy kriittiseen massaan, sillä sen isotoopeista ainoastaan U235 osallistuu merkittävästi ketjureaktion kulkuun. Plutoniumilla tilanne on kuitenkin hieman erilainen, sillä kaikilla sen isotoopeilla on suhteellisen korkea todennäköisyys fissioitua nopeilla neutroneilla. Kriittisen massan sijaan ongelmaksi muodostuu isotoopin Pu240 spontaani fissio. Kyse on radioaktiivisen hajoamisen lajista, jossa ydin halkeaa itsestään kahteen osaan. Reaktiossa vapautuu myös neutroneita, jotka pommin tapauksessa voivat käynnistää ketjureaktion ennenaikaisesti. Ydinräjähdyksessä vapautuva energia jää tällöin vaatimattomaksi. Ennenaikaisen sytytyksen estämiseksi neutronitausta on saatava riittävän alas, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että isotoopin Pu240 osuuden on jäätävä korkeintaan noin kymmeneen prosenttiin.v

Uraanipommin valmistamiseen ei vaadita reaktoriteknologiaa. Plutoniumilla ei sen sijaan ole lainkaan luonnossa esiintyviä isotooppeja, vaan pommin raaka-aine on valmistettava säteilyttämällä uraania neutroneilla. Isotooppi U238 muuttuu neutronikaappauksen ja kahden peräkkäisen betahajoamisen kautta plutoniumin isotoopiksi Pu239:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Uraanin konversiota plutoniumiksi tapahtuu kaikissa ydinreaktoreissa. Tavallisen kevytvesireaktoripolttoainenipun tullessa käyttöikänsä päähän jopa puolet sen tuottamasta energiasta voi olla peräisin Pu239-isotoopin fissiosta. Reaktorissa tapahtuvat neutronikaappausreaktiot eivät kuitenkaan rajoitu edelliseen U238-Pu239 -konversioon, vaan polttoaineeseen syntyy jatkuvasti myös raskaampia plutoniumin isotooppeja:

Pu239 + n ⟶ Pu240

Pu240 + n ⟶ Pu241

jne…

Kuten edellä todettiin, isotooppi Pu240 on ydinaselaatuisessa plutoniumissa ei-toivottu aineosa. Raskaampien isotooppien osuus kasvaa käyttöjakson edetessä, ja Pu239:n osuus laskee alle 90%:iin jo muutamassa kuukaudessa reaktorin käynnistämisestä. Loppuun käytetyn polttoaineen isotooppikoostumus soveltuu erityisen huonosti ydinasemateriaaliksi, sillä Pu239-isotooppia on enää vain noin puolet kaikesta plutoniumista.vi

Ydinaselaatuisen plutoniumin tuottaminen reaktorissa edellyttää toisin sanoen suhteellisen lyhyttä säteilytysaikaa. Tällainen reaktori ei poikkea tavanomaisista ydinvoimalaitoksista niinkään toimintaperiaatteensa, vaan pikemminkin rakenteensa ja käyttötapansa osalta. Kevytvesireaktoreissa polttoaine on suljettu paineastian sisälle koko vuoden mittaisen käyttöjakson ajaksi. Latauksen muuttaminen edellyttää reaktorin alasajoa, mikä on suhteellisen monimutkainen ja aikaa vievä operaatio. Plutoniumintuotantoreaktorit on sen sijaan suunniteltu toimimaan jatkuvalla latauksella siten, että polttoaineen vaihtaminen on mahdollista reaktorin käydessä. Käytännössä tämä edellyttää esimerkiksi jäähdytyskierron jakamista erillisiin kanaviin, jotka voidaan sulkea ja purkaa yksitellen.

Ydinasemateriaalin valmistaminen edellyttää myös plutoniumin erottamista käytetystä polttoaineesta, mikä ei suoran loppusijoituksen valinneissa maissa kuulu lainkaan polttoainekiertoon. Esimerkiksi Suomessa reaktorista poistetut polttoaineniput tullaan loppusijoittamaan sellaisenaan syvälle kallioperään Olkiluodon ydinvoimalaitosalueelle. Suoran loppusijoituksen vaihtoehto on polttoaineen jälleenkäsittely, jossa käyttökelpoinen uraani ja plutonium erotetaan jätteeksi päätyvästä massavirrasta, ja käytetään uuden reaktoripolttoaineen raaka-aineeksi.vii Jälleenkäsittelyä pidetään väkevöinnin tapaan ydinmateriaalivalvonnan heikkona kohtana, ja proliferaatioriskin kannalta erityisen kriittisenä teknologiana. Esimerkiksi nopeiden hyötöreaktoreiden tutkimusohjelman lopettamista perusteltiin Yhdysvalloissa 1980-luvulla pitkälti juuri kohonneella proliferaatioriskillä.

Historiaa

Ensimmäiset plutoniumintuotantoreaktorit kehitettiin toisen maailmansodan aikana Yhdysvalloissa Manhattan-projektin nimellä kulkevan länsiliittouman ydinaseohjelman tarpeisiin. Koska teknologia isotooppien erottamiseksi oli vasta kehitteillä, reaktorit oli saatava toimimaan väkevöimättömällä uraanilla. Ketjureaktio on juuri ja juuri mahdollista saada käyntiin luonnonuraanipolttoaineessa, mikäli neutronit hidastetaan termiselle energia-alueelle, ja häviöt saadaan pidettyä minimissä. Tällaisen reaktorin moderaattorina ei kuitenkaan voida käyttää vettä, sillä vety absorboi liikaa termisiä neutroneita. Käyttökelpoisiksi moderaattorivaihtoehdoiksi jää tällöin joko vedyn deuterium- eli H2-isotooppia sisältävä raskas vesi, tai erittäin puhtaasta hiilestä koostuva grafiitti. Nämä tekniset reunaehdot määrittivät käytännössä myös sen, minkälaisiksi ensimmäiset reaktorit aikanaan suunniteltiin.

Ennen varsinaisten plutoniumintuotantoreaktoreiden rakentamista teknologia demonstroitiin grafiittimoderoidussa X-10 prototyyppireaktorissa, joka valmistui Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen laboratorioon vuonna 1943.viii Reaktori oli käytännössä suuri grafiittikuutio, jonka sivun pituus oli yli 7 metriä. Polttoainekanavat kulkivat vaakatasossa moderaattorin läpi. Metallisesta luonnonuraanista valmistettu polttoaine koteloitiin ilmatiiviiden alumiinikapselien sisälle. Samalla kun reaktoriin ladattiin uutta polttoainetta, vanhat kapselit työntyvät sydämen toiselta puolelta ulos, ja putosivat vesialtaaseen jäähtymään. Reaktori toimi ilmajäähdytyksellä, ja reaktiivisuuden säätöön käytettiin vaakatasossa liikuteltavia säätösauvoja.

Teollisen mittakaavan plutoniumintuotanto käynnistyi vuotta myöhemmin Hanfordissa, Washingtonin osavaltiossa. Ensimmäinen Hanford-B -reaktori oli teholtaan 250 MW, eli selvästi Oak Ridgen prototyyppiä suurempi. Korkeamman tehotiheyden vuoksi reaktori toimi vesijäähdytyksellä. Polttoainekanavien läpi virtaava jäähdyte otettiin suoraan läheisestä Columbia-joesta. Hanfordin reaktorit tuottivat plutoniumin kahteen ydinpommiin, joista ensimmäinen räjäytettiin Trinity-ydinkokeessa heinäkuussa 1945, ja jälkimmäinen pudotettiin Nagasakin kaupunkiin kuukautta myöhemmin. Hiroshimaan aikaisemmin pudotettu ydinpommi oli valmistettu väkevöidystä uraanista.

Yhteys siviilipuolen teknologiaan

Sodan jälkeen reaktoriteknologialle alettiin etsimään uusia sovelluskohteita, joista energiantuotanto oli yksi ilmeisimmistä. Iso-Britanniassa alettiin kehittää kaasujäähdytteisten grafiittimoderoitujen reaktoreiden teknologiaa. Tätä X-10 -prototyyppireaktorista alkanutta kehityslinjaa edustavat ensimmäisen sukupolven MAGNOX, sekä vielä nykyisin käytössä oleva edistyneempi AGR. Reaktoreiden jäähdytteenä käytetään hiilidioksidikaasua. Hanfordin B-reaktorin piirustukset päätyivät neuvostovakoojien mukana rautaesiripun toiselle puolelle. Reaktorin pohjalta kehitettiin lopulta grafiittimoderoitu kevytvesijäähdytteinen kanavatyyppinen RBMK, joka on tullut parhaiten tunnetuksi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta.

Kanadalaiset ovat olleet ydintekniikan kehityksessä oman tiensä kulkijoita. Manhattan-projektin kokeellista reaktoritutkimusta tehtiin USA:n tutkimuslaboratorioiden lisäksi myös Ontarion Chalk Riverissä, mihin rakennettu ZEEP-reaktori käynnistyi vain muutama päivä toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. CP-1:stä, X-10:stä ja Hanford-B:stä poiketen reaktorin neutronimoderaattorina käytettiin raskasta vettä. Kanadalaiset alkoivat kehittää raskasvesireaktoriteknologiaa eteenpäin, mistä syntyi oma CANDU-reaktorityyppinsä.

Siviilipuolen reaktoriteknologialla on siis vähintään historiallinen yhteys ydinaseisiin, ainakin tiettyjen varhaisten reaktorityyppien osalta. Jatkuva polttoainelataus, joka mahdollisti lyhyen säteilytysajan, palveli hyvin myös ensimmäisen sukupolven energiantuotantokäyttöön rakennettuja reaktoreja. Matalan U235-pitoisuuden vuoksi luonnonuraanipolttoaine kului nopeasti loppuun, ja pitkäaikaista yhtämittaista käyttöä helpotti se, että polttoainetäydennykset voitiin tehdä reaktorin käydessä.

Kevytvesityyppisten paine- ja kiehutusvesireaktoreiden tarina on kuitenkin hieman erilainen. Vielä 1950-luvulle tultaessa isotooppien erotus oli niin kallista, että vähintään muutamaan prosenttiin väkevöityä polttoainetta tarvitseva kevytvesimoderoitu reaktori oli käytännössä poissuljettu vaihtoehto. Grafiitti- ja raskasvesireaktoreihin verrattuna kevytvesiteknologialla oli kuitenkin puolellaan se etu, että reaktorin sydän oli mahdollista rakentaa niin pieneksi, että se mahtui esimerkiksi sukellusveneen rungon sisälle.ix Sukellusveneen voimanlähteenä ydinreaktori oli niin ylivoimainen ratkaisu, että polttoainekustannuksistakin tuli sivuseikka. Väkevöintiteknologian kehitys pudotti tulevina vuosikymmeninä polttoaineen hintaa, mikä teki tehokkaista toisen sukupolven kevytvesireaktoreista lopulta kilpailukykyisen vaihtoehdon myös energiantuotantokäytössä. Nykyisin paine- ja kiehutusvesireaktoreiden osuus on yli 90% maailman reaktorikannasta.

Siviilipuolen ydinvoimalaitosten soveltumattomuus ydinasemateriaalin tuottamiseen on siis pitkälti seurausta siitä, että reaktorit on lähtökohtaisesti suunniteltu toisenlaista käyttötarkoitusta varten. Pitkän käyttöjaksonsa vuoksi tavanomainen paine- tai kiehutusvesireaktori on plutoniumintuotantoon tavallaan huonoin mahdollinen ratkaisu. Mitään absoluuttista fysiikan lakeihin perustuvaa estettä ei tällaiselle käytölle kuitenkaan ole, minkä vuoksi myös energiantuotanto kuuluu ydinmateriaalivalvonnan piiriin. Valvontaa helpottaa olennaisesti se, ettei reaktorin normaaliin polttoainekiertoon kuulu varsinaisia ydinasemateriaaleja. Tavanomaisesta poikkeava käyttö voidaan puolestaan havaita tarkkailemalla laitoksen tuotantoa ja materiaalivirtoja.

Ydinasevalvonnan peruskirjana voidaan pitää vuonna 1970 voimaan astunutta ydinsulkusopimusta, jonka tarkoitus on toisaalta estää ydinaseteknologian leviäminen ja edistää aseistariisuntaa, ja toisaalta tarjota ydinaseettomille maille mahdollisuus hyötyä teknologian rauhanomaisesta käytöstä. Ydinsulkusopimus ja siihen vuonna 2004 liitetty lisäpöytäkirja antavat kansainväliselle atomienergiajärjestölle IAEA:lle laajat valtuudet valvoa ydinenergian käyttöä ydinaseettomissa maissa. Ydinmateriaalin valvontaan liittyviä tarkastuksia tehdään säännöllisesti myös kaikilla Suomen ydinlaitoksilla.


i) Yksinkertaisin tapa saada pommi kerkeästi kriittiseen tilaan on törmäyttää kaksi alikriittistä massaa yhteen. Tätä toimintaperiaatetta sovellettiin Hiroshimaan pudotetussa ydinpommissa. Lähes kaikki muut ydinpommit perustuvat kuitenkin tehokkaampaan imploosioperiaatteeseen, jolla tarkoitetaan käytännössä sisäänpäin suuntautuvaa räjähdystä. Eri nopeuksilla palavilla räjähdysaineilla saadaan aikaiseksi symmetrinen painerintama, joka puristaa keskellä olevan fissiopolttoaineen ylikriittistä massaa vastaavaan tiheyteen.

ii) Ensimmäisissä ydinpommeissa ydinräjähdyksen käynnistävät neutronit saatiin fissiopolttoaineen keskelle törmäyttämällä radioaktiivisen poloniumin tuottamia alfahiukkasia berylliumiin. Ennen sytytystä poloniumlähde oli eristetty berylliumista suojaavalla kalvolla. Imploosion aiheuttama puristus sekoitti kerrokset keskenään, jolloin korkeaenergiset alfahiukkaset päästivät vuorovaikuttamaan berylliumytimien kanssa, irrottaen niistä löyhästi kiinni olevia neutroneja.

iii) Kolmas potentiaalinen ydinasemateriaali on uraanin fissiili isotooppi U233, joka liittyy toriumreaktoreiden polttoainekiertoon. Isotoopeista U235 ja U238 poiketen U233:a ei ole lainkaan luonnonuraanissa, vaan toriumreaktoreissa fissiiliä isotooppia syntyy Th232-isotoopin neutronikaappausreaktioissa. Prosessi on analoginen uraanipolttoaineessa tapahtuvalle U238-Pu239 -konversiolle.

iv) Yleisessä kielenkäytössä termit ”väkevöinti” ja ”rikastus” sekoittuvat helposti keskenään, mikä aiheuttaa toisinaan epäselvyyttä esimerkiksi ydinpolttoainekiertoon liittyvässä uutisoinnissa. Ammattikielessä isotooppien erotusta tarkoittava termi on väkevöinti, ja rikastus on vastaavasti kaivosteollisuuden käyttöön varattu termi, jolla viitataan malmin jalostusprosessiin jossa arvokas lopputuote erotetaan sivukivestä. Esimerkiksi Terrafamen Talvivaaran kaivoksen yhteyteen kaavailtu uraanin rikastuslaitos liittyy uraani talteenottoon, ei isotooppien erotukseen.

v) Pu240:n spontaani fissio ei ole ainoa neutronitaustaa aiheuttava tekijä. Neutroneita syntyy myös radioaktiivisen hajoamisen tuottamien alfahiukkasten vuorovaikuttaessa kevyiden alkuaineiden ytimien kanssa, minkä vuoksi myös materiaalien epäpuhtauksien pitoisuudet on saatava alas. Myös kosminen säteily tuottaa pienen tasaisen neutronitaustan. Ennenaikaisen sytytyksen lisäksi radioaktiiviset aineet voivat muutenkin haitata pommin toimintaa. Radioaktiivinen hajoaminen tuottaa lämpöä, mikä voi muuttaa imploosiossa käytettävien räjähdysaineiden toimintaa. Voimakas säteily puolestaan vaurioittaa helposti herkkiä elektroniikkakomponentteja.

vi) Kysymys siitä, voidaanko käytetystä reaktoripolttoaineesta valmistaa lainkaan ydinasetta, ei lopulta ole aivan yksinkertainen, sillä teknologiasta ei ole olemassa yksityiskohtaista julkista tietoa. Aihetta on tarkasteltu esimerkiksi artikkelissa: G. Kessler et al. ”Potential nuclear explosive yield of reactor-grade plutonium using the dissassembly theory of early reactor safety analysis.” Nucl. Eng. Design, 238 (2008) 3475-3499. Yksinkertainen laskentamalli antaa tällaisen pommin räjähdysvoimalle ylärajaksi 0.12-0.35 kilotonnia, mikä on luokkaa sadasosa esimerkiksi Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettujen ydinpommien voimakkuudesta. Paperissa kuitenkin todetaan, että tarkempien mallien perusteella toimivan räjähteen valmistaminen ei todennäköisesti ole mahdollista polttoaineesta, jonka palama on yli 30 MWd/kgU, ellei käytössä ole erityisen edistyksellistä teknologiaa (kevytvesireaktoreissa tyypillinen poistopalama on nykyisin 40-50 MWd/kgU). Ydinasevaltioissa ei tällaiselle plutoniumille todennäköisesti löydy käyttöä, mutta terroristisena aseena pommilla olisi periaatteessa mahdollista saada aikaan paljon paikallista tuhoa.

vii) Käytetyn polttoaineen jälleenkäsittely sekoittuu toisinaan käsitteenä uraanin väkevöintiin. Edellisessä on kyse kemiallisesta prosessista, jossa uraani ja plutonium erotetaan alkuainemuodossa fissiotuotteista. Jälleenkäsittelyyn ei kuitenkaan kuulu alkuaineen isotooppien erottamista toisistaan.

viii) Itseään ylläpitävä ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran Chicagon yliopiston tiloihin rakennetussa Chicago Pile-1 -reaktorissa joulukuussa 1942. CP-1:stä seurasi pian kooltaan suurempi CP-2. Oak Ridgen X-10 oli järjestyksessä kolmas ydinreaktori, ja ensimmäinen joka oli suunniteltu jatkuvatoimiseen käyttöön. Reaktori tuotti fissiotehoa parhaimmillaan n. 4 MW.

ix) Erot moderaattorimateriaalien ominaisuuksissa palautuvat kevyiden atomiytimien kykyyn hidastaa neutroneita. Vedessä neutronin hidastuminen fission kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle vaatii keskimäärin noin 25 elastista törmäystä kevyisiin vety-ytimiin. Raskaassa vedessä törmäysten lukumäärä on vain hieman suurempi, mutta deuteriumin pienemmästä vuorovaikutustodennäköisyydestä johtuen neutronit kulkevat hidastuessaan pidemmän matkan. Tämän vuoksi hidastuminen vaatii paljon suuremman moderaattoritilavuuden. Grafiittireaktoreissa moderaattorin määrää kasvattaa puolestaan hiiliytimen suhteellisen suuri massa. Neutronien termalisoituminen grafiitissa vaatii yli sata törmäystä.

Mainokset

2 vastausta artikkeliin “Ydinenergia ja ydinaseet”

  1. Kiitos mielenkiintoisesta kirjoituksesta. Onko tuosta ketjureaktion fysiikasta jotain hyvää matemaattista paperia? ”Tietyn reaktiivisuusrajan yläpuolella fissioketjut pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi, jolloin viivästyneet neutronit menettävät merkityksensä. Tällaista ketjureaktion toimintatilaa kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi”

    Tuo ketjujen kasvaminen äärettömän pitkäksi on erityisen kiinnostava.

    Tykkää

  2. Matemaattista esitystä kannattaa etsiä hakusanoilla ”reactor point kinetics model” (pistekinetiikkamalli). Esim. MIT-yliopistolla on paljon opetusmateriaalia verkossa. Noiden matemaattisten kuvausten lähestymistapa on kuitenkin vähän erilainen, sillä aikariippuvissa yhtälöissä ei tarkastella yksittäisiä fissioketjuja, vaan koko neutronipopulaatiota. Kerkeän kriittisyyden reaktiivisuusrajaksi tulee viivästyneiden neutronien osuus, joka fissioketjuissa tapahtuvan monistuksen näkökulmasta tarkoittaa samaa, kuin että ketjun summaksi tulee ääretön.

    Tykkää

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