Missä viipyy sulasuolareaktori?

Jaakko Leppänen – 3.5.2019

Uuden sukupolven reaktoreista sulasuolareaktori (engl. Molten Salt Reactor, MSR) on lyhyessä ajassa noussut suosikkiteknologiaksi sekä ydinenergia-alan sisällä, että alan tulevaisuutta käsittelevässä uutisoinnissa. Reaktorityyppiin liitettävät odotukset on asetettu korkealle, ja kehitykseen on hypännyt perinteisten kansallisten tutkimusorganisaatioiden lisäksi joukko pieniä ja keskisuuria yrityksiä. Aiheen ympärillä käytävää hypeä seuratessa herääkin helposti kysymys: miksi näitä reaktoreita ei ole jo käytössä? Uutisoinnin ja arkitodellisuuden välillä vallitsee kieltämättä tietty ristiriita, sillä uuden teknologian mahdollisuuksista huolimatta ydinenergiateollisuus tuntuu edelleen luottavan vahvasti perinteiseen kevytvesireaktoriteknologiaan.

Sulasuolareaktoreista puhuttaessa kyse ei ole yksittäisestä reaktorityypistä, vaan pikemminkin sateenvarjotermistä, joka kattaa joukon varsin erilaisia teknologioita. Yritän tässä blogikirjoituksessa valottaa hieman aiheen taustaa. Kirjoituksen tarkoituksena ei kuitenkaan ole käydä läpi kaikkia mahdollisia variantteja, vaan esitellä yleisellä tasolla teknologian erityispiirteitä ja kehitykseen liittyviä haasteita.

Sulasuolateknologia

Kaikkia sulasuolareaktoreita yhdistävä tekijä on nestemäinen polttoaine, joka toimii samalla reaktorin primäärijäähdytteenä.i Reaktorin toimintaperiaate on pohjimmiltaan yksinkertainen: nestemäinen suola muodostaa reaktorin sydämen läpi virratessaan ketjureaktiota ylläpitävän kriittisen geometrian, ja fissioreaktioissa syntynyt energia siirtyy lämmönvaihtimien kautta primääripiiristä ulos. Muilta osin toteutus riippuu pitkälti reaktorin käyttötarkoituksesta ja polttoainekierrosta.

MSR

Kuva 1: Neljännen sukupolven sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Polttoaineena ja primäärijäähdytteenä toimivaa nestemäistä suolaa kierrätetään reaktorin sydämen ja lämmönvaihtimen läpi. Turbiinikierto on tavallisesti erotettu primääripiiristä sekundäärisellä suolakierrolla, jonka tarkoitus on estää radioaktiivisten aineiden vuoto turbiiniin, ja vesihöyryn tai muun työaineen päätyminen reaktoriin. Tässä reaktorikonseptissa primäärikiertoon on liitetty myös kemiallinen jälleenkäsittelyprosessi, ja sekundääripiiriin korkeassa lämpötilassa toimiva kaasuturbiinikierto.

Polttoainesuolana käytetään tavallisimmin litium- ja berylliumfluoridin seosta (FLiBe), johon fissiili materiaali on liuotettu uraanitetrafluoridin (UF4) muodossa. Fluoridien lisäksi myös kloridipohjaisten suolojen käyttöä on tutkittu paljon. Normaalipaineessa FLiBe-suolaseos on nestemäistä n. 400-1400°C lämpötilavälillä. Ominaisuudet tosin riippuvat jonkin verran komponenttien keskinäisistä suhteista. Reaktorin tyypillinen toimintalämpötila on n. 700°C, joka on kevytvesireaktoreihin verrattuna varsin korkea. Reaktorityyppiä olisikin periaatteessa mahdollista käyttää sähköntuotannon lisäksi moniin sellaisiin korkeaa lämpötilaa vaativiin sovelluksiin, joihin perinteisen reaktoriteknologian toiminta-alue ei yllä.

Sulasuolareaktori voi toimia termisellä tai nopealla neutronispektrillä. Termisissä reaktoreissa neutronit hidastetaan kevyestä alkuaineesta koostuvassa moderaattorissa fissioreaktion kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Hidastuminen kasvattaa neutronin todennäköisyyttä törmätä fissiiliin U235-ytimeen, mikä puolestaan mahdollistaa ketjureaktion ylläpitämisen matalasti väkevöidyllä polttoaineella.ii Termisissä sulasuolareaktoreissa moderaattorina käytetään tavallisimmin kiinteää grafiittia.

Nopean neutronispektrin reaktoreissa neutroneita ei hidasteta, vaan ketjureaktion ylläpitämisen edellytykset luodaan nostamalla fissiilin isotoopin atomiosuus korkeaksi. Teknologia yhdistetään tavallisesti fissiilin materiaalin hyötämiseen ja suljettuun polttoainekiertoon, jossa polttoaineeseen syntyneitä aktinideja kierrätetään takaisin reaktoriin. Jos ketjureaktion neutronituotto on riittävän korkea, reaktori voi ylimääräisillä neutroneilla valmistaa fissiiliä isotooppia fertiilistä lähtöaineesta nopeammin kuin polttoainetta kuluu. Hyötöreaktori voi toimia uraani-plutonium -kierrolla, jossa uraanin U238-isotooppi konvertoituu neutronikaappauksen ja peräkkäisten hajoamisreaktioiden kautta fissiiliksi plutoniumin isotoopiksi Pu239. Toinen vaihtoehto on torium-uraani -kierto, jossa lähtöaine on Th232, ja fissiili lopputuote U233. Molemmat hyötöreaktorikierrot voidaan toteuttaa myös sulasuolareaktorissa.

Hyötöreaktorikierto edellyttää käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelyä, missä käyttökelpoinen fissiili aines erotetaan ydinjätteeksi päätyvästä massavirrasta. Kyse on kemiallisesta prosessista, joka sulasuolareaktoreissa voidaan rakentaa suoraan primääripiirin yhteyteen. Osa suolakierrosta ohjataan kemialliseen jälleenkäsittelylaitokseen, joka poistaa suolasta kierrätettäviä aktinideja sekä neutroneita absorboivia fissiotuotteita. Vaikka reaktori ei hyötäisi, polttoainetta voidaan puhdistaa ja fissiiliä materiaalia lisätä jatkuvatoimisesti, mikä tuo joustavuutta esimerkiksi reaktiivisuuden säätöön. Kaasumaisia fissiotuotteita poistuu suolasta myös ilman kemiallista käsittelyä. Tämä pätee erityisesti jalokaasuihin, jotka eivät sitoudu lainkaan muihin alkuaineisiin.

Historiaa

Vaikka sulasuolareaktori liitetään erityisesti tulevaisuuden ydinteknologioihin, kyse ei suinkaan ole uudesta innovaatiosta. Ydinvoiman valjastaminen energiantuotantokäyttöön alkoi pian sen jälkeen kun Yhdysvalloissa kehitetty reaktoriteknologia tuli julkisuuteen toisen maailmansodan päättyessä Hiroshiman ja Nagasakin pommituksiin. Ensimmäiset ydinreaktorit oli rakennettu valmistamaan ydinaselaatuista plutoniumia, ja teknologia soveltui sellaisenaan varsin huonosti sähköntuotantoon. Tarvittiin reaktori, joka kykeni toimimaan korkeassa lämpötilassa pitkiä aikoja kerrallaan. Ajatus nestemäisellä polttoaineella toimivasta reaktorista syntyikin muiden konseptien ohella jo 1940-luvun puolella.

Ensimmäistä sulasuolareaktoria ei kuitenkaan rakennettu perinteiseen energiantuotantoon, vaan paljon eksoottisempaa käyttötarkoitusta varten. Yhdysvaltain ilmavoimissa käynnistyi vuonna 1946 Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) -niminen tutkimusohjelma, joka tähtäsi ydinkäyttöisen pitkän toimintasäteen pommikoneen kehittämiseen. Reaktorilla oli tarkoitus lämmittää korkeassa paineessa suihkumoottorin läpi virtaavaa ilmaa. Yksi tarkasteltavista reaktorivaihtoehdoista toimi korkeasti väkevöidyllä UF4-polttoaineella, joka oli sekoitettu sulaan natrium-zirkoniumfluoridisuolaan. Nestemäinen suola kuumeni n. 860°C lämpötilaan virratessaan berylliumoksidimoderaattorista valmistetun sydämen läpi.iii

Reaktorin prototyyppi (Aircraft Reactor Experiment, ARE) rakennettiin Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen tutkimuslaboratorioon, missä se toimi suhteellisen menestyksekkäästi vuosina 1954-1955. Hanke kuitenkin keskeytettiin, kun ohjusteknologian nopea kehitys teki ydinkäyttöisen pommikoneen ilmavoimille tarpeettomaksi. Reaktoria ei koskaan asennettu lentokoneeseen.

Lentokoneprojektin jälkeen sulasuolareaktoriteknologiaa alettiin kehittää Oak Ridgessä eteenpäin. 1950-luvun lopulla käynnistyneen Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) -hankkeen tavoitteena oli kehittää energiantuotantokäyttöön soveltuva sulasuolareaktori. Ensimmäinen prototyyppi aloitti toimintansa vuonna 1965. Polttoaineena käytettiin tällä kertaa n. 30%:ksi väkevöityä uraanitetrafluoridia, kantajasuolana litium-beryllium-zirkoniumfluoridia, ja neutronimoderaattorina grafiittia. Reaktorin teho nostettiin vaiheittain 7.4 megawattiin, ja sydämen ulostulolämpötilaksi saatiin n. 660°C.

MSRE

Kuva 2: MSRE-sulasuolareaktorin grafiittimoderaattorista muodostuva sydän, jonka läpi virratessaan fissiiliä uraania sisältävä suola muodostaa kriittisen geometrian.

MSRE:tä voidaan monessa mielessä pitää nykyisten sulasuolareaktorikonseptien esikuvana, sillä se demonstroi käytännössä monia teknologian erityispiirteitä. Reaktorin stabiilisuus nojasi suolan lämpölaajenemiseen. Lämpötilan noustessa suolan tilavuus kasvoi, jolloin reaktorin sydämeen mahtui vähemmän fissiiliä materiaalia. Tämä puolestaan käänsi fissiotehon ja suolan lämpötilan laskuun. Kyse oli siis voimakkaasta reaktiivisuustakaisinkytkennästä, joka sai reaktorin säätämään itse itseään. Sama vaikutus toimii sekä termisissä että nopeissa sulasuolareaktoreissa.

Reaktorin sammuttamiseen oli liikuteltavien säätösauvojen lisäksi suunniteltu passiivinen järjestelmä, joka perustui reaktoriastian pohjaan kytkettyyn suolatulpalla suljettuun putkiyhteeseen. Reaktorin toimiessa tulppaa jäähdytettiin ilmavirralla, mutta häiriötilanteessa sen sulaminen päästi polttoaineen valumaan jäähdytettyihin tankkeihin, katkaisten samalla ketjureaktion etenemisen. Samaa periaatetta sovelletaan monissa nykyisissä MSR-konsepteissa, ja järjestelmä on piirretty myös kuvan 1 periaatekaavioon.

Kolmen vuoden testijakson jälkeen polttoaineeseen alettiin lisäämään uraanin isotooppia U233, joka on toriumhyötöreaktorikierrossa syntyvä fissiili isotooppi. MSRE ei kuitenkaan koskaan toiminut hyötöreaktorina, sillä tämä olisi edellyttänyt monimutkaisempaa heterogeenistä rakennetta, jossa fissiili ja uutta polttoainetta muodostava fertiili suolakierto erotetaan toisistaan. Reaktori toimi kaikkiaan neljän vuoden ajan, keräten käyttötunteja yhteensä yli 13,000. Käyttöjakso osoitti esimerkiksi sen, että grafiitista valmistettu moderaattori sopi kemiallisesti hyvin yhteen kuuman fluorisuolan kanssa.

Vuosikymmenen loppuun mennessä hyötöreaktoritutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeisiin natriumjäähdytteisiin reaktoreihin (esim. Idaho National Laboratoryn EBR-II -hanke), ja sulasuolareaktoritutkimuksen rahoitusta leikattiin. Ohjelma lopetettiin kokonaan vuonna 1973. Oak Ridgen sulasuolareaktoriprojekteja on käsitelty esimerkiksi vuonna 2009 julkaistussa tutkimusraportissa.

Amerikkalaisen MSRE:n lisäksi sulasuolareaktoritutkimusta tehtiin 1960-1970 -luvuilla myös Iso-Britanniassa. Hanke keskittyi nopealla neutronispektrillä toimivaan reaktoriin, joka käytti polttoaineenaan plutoniumia ja kloridipohjaista suolaa. Kloori soveltui fluoria paremmin nopean reaktorin kantajasuolan pääkomponentiksi, sillä raskaampana ytimenä sen neutroneita hidastava vaikutus oli vähäisempi. Reaktorista ei ehditty rakentaa toimivaa prototyyppiä, mutta kokeellinen tutkimus eteni varsin pitkälle ennen projektin lopettamista, tuottaen arvokasta tietoa esimerkiksi kloridisuolojen ominaisuuksista.

Modernit MSR-konseptit

MSRE-ohjelman jälkeen sulasuolareaktori jäi muiden kehittyvien teknologioiden varjoon. Tutkimus sai kuitenkin uutta vauhtia, kun 2000-luvun alussa ydinenergia-alan kehityksen edistämiseen perustettu kansainvälinen Generation IV International Forum valitsi reaktorityypin kuuden lupaavimman tulevaisuuden ydinteknologian joukkoon.

Kuten edellä todettiin, käsite ”sulasuolareaktori” pitää sisällään joukon varsin erilaisia teknologioita, jotka poikkeavat toisistaan esimerkiksi suolan koostumuksen (fluoridi tai kloridi) ja neutronispektrin (terminen, nopea tai jotain siltä väliltä) osalta. Reaktori voidaan suunnitella toimimaan joko perinteiseen tapaan suoraan loppusijoitukseen perustuvalla polttoainekierrolla, tai hyötöreaktorina. Jälkimmäisessä tapauksessa reaktori voi hyödyntää jatkuvatoimista jälleenkäsittelyä, ja toimia joko uraani- tai toriumpolttoaineella.

Sulasuolareaktorista on tullut ydinenergia-alalla suosittu tutkimus- ja kehityskohde, johon kansallisten toimijoiden lisäksi jopa monet pienet insinööritoimistot ovat tarttuneet. Konsepteja on vähintään yhtä monta kuin niitä kehittäviä yrityksiä, ja joukosta löytyy lähes kaikki kombinaatiot edellä listatuista suunnitteluoptioista. Kaikkia teknologioita ei ole mielekästä alkaa käymään läpi, joten esitän tässä vain lyhyen katsauksen muutamaan mielenkiintoiseen projektiin. Yksittäisiä kehityshankkeita on listattu esimerkiksi World Nuclear Associationin sivulla ja Wikipediassa. Pienreaktorikategoriaan mahtuvia konsepteja on kuvattu myös IAEA:n SMR-raportissa.

Valtiotasolla sulasuolareaktoritutkimuksen edelläkävijänä voidaan pitää Kiinaa. Teknologiaa kehitettiin Shanghaissa (Shanghai Institute of Applied Physics, SINAP) jo 1970-luvulla, jolloin tavoitteena oli sähköteholtaan 25 megawatin prototyyppireaktorin rakentaminen. Tutkimus joutui kuitenkin väistymään kevytvesireaktoriteknologian tieltä, ja kehitystyö käynnistettiin uudelleen vasta vuonna 2011.

Tutkimus on sittemmin keskittynyt kolmeen fluorisuolalla ja toriumpolttoaineella toimivaan varianttiin, jotka kulkevat yhteisnimellä thorium-breeding molten-salt reactor (TMSR). Kehityksen on määrä edetä vaiheittain pilottiprojektien ja muutaman koereaktorin kautta täyden mittakaavan demonstraatiolaitokseen, ja lopulta kaupalliseen teknologiaan. Ensimmäisten koelaitteiden on määrä valmistua 2020-luvun puolivälissä. Vaikka kiinalaisten ydinenergiatutkimuksesta uutisoidaan länsimaissa suhteellisen vähän, TMSR-hanke ylittää kooltaan selvästi muut vastaavat tutkimusohjelmat. Kehitykseen on investoitu tuhansia henkilötyövuosia, ja budjetti liikkuu sadoissa miljoonissa euroissa.

Kanadalainen Terrestrial Energy -yhtiö kehittää Integral Molten Salt Reactor (IMSR) -nimistä sulasuolareaktoria, joka pyrkii hyödyntämään mahdollisimman paljon olemassa olevaa, esim. Oak Ridgessä aikanaan kehitettyä teknologiaa. Reaktori on fissioteholtaan pieni, vain 400 megawattia, ja se käyttää polttoaineenaan matalasti väkevöityä uraania ja fluoridipohjaista suolaa. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että koko primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle. Reaktori on suunniteltu toimimaan yhtäjaksoisesti 7 vuoden ajan, minkä jälkeen suola, moderaattori ja muut reaktorin sisäosat uusitaan kerralla. Rajoitetulla käyttöiällä pyritään välttämään ennen kaikkea materiaalien kestävyyteen liittyviä ongelmia. Reaktorin turvallisuussuunnittelu perustuu täysin passiiviseen jäähdytykseen.

Koska IMSR edustaa suunnittelultaan varsin konservatiivista lähestymistapaa, sitä voidaan pitää yhtenä toteuttamiskelpoisimmista sulasuolareaktorihankkeista. Integroitu rakenne pienentää myös proliferaatioriskiä, jota voidaan muuten pitää teknologian leviämistä rajoittavana tekijänä. Terrestrial Energy tähtää reaktorin kaupallistamiseen jo 2020-luvun aikana, mikä on tavoitteena erittäin kunnianhimoinen. Hanke on edennyt Kanadassa esilisensiointivaiheeseen, ja ensimmäiselle prototyyppilaitokselle ollaan parhaillaan etsimässä sijoituspaikkaa.

IMSR

Kuva 3: Terrestrial Energyn IMSR-sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne. Primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle, jonka sisäosat on suunniteltu vaihdettavaksi 7 vuoden välein.

Microsoftin perustajiin kuulunut IT-miljardööri Bill Gates on ollut pitkään ydinenergian vahva puolestapuhuja. Vuonna 2006 Gates perusti innovatiivisia reaktorityyppejä kehittävän Terrapower-yhtiön, joka on vahvasti mukana myös sulasuolareaktoriteknologian tutkimuksessa. Terrapowerin, Southern Companyn, Oak Ridge National Laboratoryn sekä muutaman muun partnerin yhteistyönä kehittämä Molten Chloride Fast Reactor (MCFR) perustuu Iso-Britanniassa 1960-1970 -luvuilla kehitettyyn teknologiaan. Reaktori toimii nopealla neutronispektrillä ja kloridisuolalla. Terrestrial Energyn IMSR:ään verrattuna kyse on vielä paljon kunnianhimoisemmasta suunnitelmasta, sillä reaktori kykenee toimimaan myös suljetulla polttoainekierrolla. Kehitystyö on edelleen alkuvaiheessa, mutta hanke on jo saanut kerättyä paljon julkista rahoitusta.

Sulasuolareaktoritutkimusta tehdään myös Euroopassa, esimerkiksi Horisontti 2020-ohjelmaan kuuluvan SAMOFAR-hankkeen puitteissa. Kokeellisen puolen tutkimusta on tehty erityisesti Hollannin Pettenissä, missä NRG:n tutkimusreaktorilla on säteilytetty erilaisia suolanäytteitä.

MSR-teknologian edut

Kevytvesireaktoreiden toimintalämpötila rajoittuu veden kiehumispisteeseen, joka nostetaan korkealla paineella n. 300°C tuntumaan. Sulasuolareaktori kykenee toimimaan normaalipaineessa yli 700°C lämpötilassa, mikä vaikuttaa suoraan esimerkiksi sähköntuotannon hyötysuhteeseen. MSR:ää ja muita korkeassa lämpötilassa toimivia reaktoreita voidaan pitää myös siinä mielessä tärkeinä kehityskohteina, että niiden tuottamaa energiaa on sähköntuotannon lisäksi mahdollista hyödyntää monissa sellaisissa teollisuusprosesseissa, jotka ovat nykyisin täysin riippuvaisia fossiilisista polttoaineista. Tähän aiheeseen palataan vielä myöhemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Matala käyttöpaine yksinkertaistaa myös reaktorin turvallisuussuunnittelua. Reaktoriturvallisuuden perimmäinen haaste on polttoaineen tuottama jälkilämpö, jota syntyy lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vielä pitkään fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä kevytvesireaktoreissa jälkilämmön poistoon käytetään moninkertaisesti varmennettuja sähkötoimisia järjestelmiä, mutta sama turvallisuuden taso on mahdollista saavuttaa myös passiiviseen luonnonkiertoon perustuvalla jäähdytyksellä. Reaktorin jäähdytysjärjestelmien toimintaa monimutkaistaa kuitenkin se, että korkeapaineisen veden faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa.iv Sulasuolareaktoreissa ei matalan käyttöpaineen vuoksi vastaavaa ongelmaa ole, ja suolan edullisten lämmönsiirto-ominaisuuksien ansiosta jäähdytys on helppo toteuttaa passiivisella kierrolla. Polttoaineen jälkilämmönpoisto ei tällöin riipu myöskään sähkönsyötöstä tai mekaanisten laitteiden toimivuudesta.

Hyötöreaktorikategoriassa MSR:n etuna voidaan pitää jatkuvaa jälleenkäsittelyä, joka tekee tarpeettomaksi monia mekaanisia välivaiheita liittyen esimerkiksi reaktorissa säteilytettyjen polttoainenippujen käsittelyyn ja uuden polttoaineen valmistukseen. Nestemäinen polttoaine tuo muutenkin joustavuutta reaktorin käyttöön. Fissiotuotteiden jatkuva erottaminen pienentää aktiivisuusinventaaria ja jälkilämmöntuottoa. Mekaaniset ominaisuudet eivät rajoita polttoaineen käyttöastetta, ja kustannussäästöä voi syntyä myös siitä, että polttoainenippujen valmistusprosessi jää kokonaan pois. Koska polttoaine sekoittuu jatkuvasti, reaktorin käyttöjakson suunnittelussa on kyse lähinnä suolan koostumuksen säätämisestä. Kevytvesireaktoreiden lautaussuunnittelussa vapaasti valittavia parametreja on monin verroin enemmän.

Haasteena materiaalikysymykset ja tuntemattomat tekijät

Vaikka MSR-teknologiaan liittyy paljon lupauksia, käytännön toteutuksesta on vielä varsin vähän konkreettista näyttöä. Oak Ridgen MSRE-koereaktori toimi lopulta suhteellisen lyhyen aikaa, ja käyttökokemusten perusteella voi olla vaikea tehdä luotettavia arvioita esimerkiksi siitä, miten reaktorin materiaalit kestävät kymmenien vuosien yhtämittaisessa käytössä. Vaikka moderaattorina käytetty grafiitti sietää hyvin kuumaa suolaa, erityisesti fluoridien tiedetään syövyttävän metallikomponentteja. Grafiittikaan ei kestä voimakasta neutronipommitusta reaktorin sydämessä, vaan materiaali turpoaa ja halkeilee ajan myötä.

Sulasuolareaktori on myös kemiallisesti erittäin monimutkainen systeemi. Polttoaineeseen syntyy laaja skaala aktinideja ja fissiotuotteita, jotka vaikuttavat suolan ominaisuuksiin. Suurin osa alkuaineista liukenee suolaan, mutta tietyt aineet voivat kerääntyä esimerkiksi viileämpien lämmönvaihtimien pinnoille, muuttaen niiden lämmönsiirto-ominaisuuksia. Yleisesti ottaen suolaliuoksen kemiaan liittyy paljon sellaisia ilmiöitä, joita ei vielä tarkkaan tunneta.

Epävarmuudet ja reaktorin ylläpitoon liittyvät tuntemattomat tekijät heijastuvat myös projektien aikatauluihin ja teknologian hintaan. Sulasuolareaktoreiden kustannuksista esitetään toisinaan varsin optimistisia arvioita, joihin on kuitenkin syytä suhtautua varauksellisesti. Tämä pätee erityisesti jatkuvaan jälleenkäsittelyyn ja toriumkiertoon perustuviin hyötöreaktorikonsepteihin, joista ei ole edes MSRE:n vertaa käytännön kokemusta. Jälleenkäsittely tuo väistämättä mukanaan myös proliferaatiokysymyksiä, sillä fissiilin materiaalin erottaminen liittyy olennaisesti myös ydinasemateriaalien valmistukseen.v

Teknologian lisensiointi vie aikansa

Kaikki ongelmat eivät ole luonteeltaan teknisiä. Ydinenergian käyttöön sovelletaan lainsäädäntöä, joka on hioutunut nykyiseen muotoonsa vuosikymmenien kuluessa. Säännöstö pitää sisällään varsin yksityiskohtaisesti kirjoitettuja vaatimuksia, liittyen esimerkiksi polttoaineen käyttäytymiseen onnettomuustilanteissa. Sulasuolareaktorin normaalissa toimintatilassa polttoaine on olomuodossa, joka kevytvesireaktorin tapauksessa tarkoittaisi vakavaa reaktorionnettomuutta. Jotta tällainen reaktori voitaisiin ottaa käyttöön, sen erityispiirteet pitäisi ensin huomioida ydinenergian käyttöä ohjaavassa lainsäädännössä.

Sulasuolareaktori on helppo suunnitella passiivisesti turvalliseksi, jolloin suuren radioaktiivisen päästön riski putoaa hyvin alas. Vakavien onnettomuuksien lisäksi ydinturvallisuudessa on kuitenkin otettava huomioon myös reaktorin polttoainekierron ja normaalikäytön aikaiset päästöt. Suola toimii tehokkaana puskurina monille fissiotuotteille, kuten cesiumille ja jodille. Fissiossa syntyy kuitenkin myös radioaktiivisia jalokaasuja (esim. Xe133 ja Kr85), jotka karkaavat helposti jäähdytteestä. Suola ei myöskään kykene pidättämään täydellisesti esimerkiksi vedyn radioaktiivista tritium-isotooppia, jota syntyy fission lisäksi suolassa olevan litiumin neutronireaktioissa.vi

Jalokaasut ja tritium eivät ole ympäristön kannalta kaikkein ongelmallisimpia radionuklideja, mutta nykyisillä laitoksilla niidenkin normaalikäytön aikaisille päästöille on asetettu varovaisuusperiaatetta noudattaen varsin tiukat rajat. Kevytvesireaktoreissa nämä aineet syntyvät kiinteään polttoaineeseen kaasutiiviiden suojakuoriputkien sisälle, mikä jo itsessään muodostaa tehokkaan esteen niiden vapautumiselle. Sulasuolareaktoreissa ei vastaavaa vapautumisestettä ole, ja yksi reaktoreiden lisensiointiin liittyvistä kysymyksistä onkin se, pystytäänkö tällaiset aineet pidättämään yhtä tehokkaasti laitosprosessin sisälle, vai edellyttääkö reaktorin luvitus jopa päästörajojen nostamista?vii

Käytetyn polttoaineen suoraa geologista loppusijoitusta on tutkittu 1970-luvulta lähtien. Loppusijoituksen turvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen, jonka toimivuus puolestaan riippuu paljon radioaktiivisten aineiden liukenemisesta ja kulkeutumisesta. Loppusijoitettava jäte on keraamista uraanioksidia, joka poikkeaa ominaisuuksiltaan kloridien ja fluoridien muodostamasta suolasta. Vaikka loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta on tutkittu yli 40 vuoden ajan, tulokset eivät välttämättä ole sellaisenaan sovellettavissa sulasuolareaktoreiden käytettyyn polttoaineeseen.

Vastoin yleistä käsitystä ydinjätteen loppusijoituksen kannalta rajoittavimpia aineita eivät ole plutoniumin tai sivuaktinidien pitkäikäiset isotoopit, vaan tietyt yksittäiset radionuklidit, jotka muodostavat helposti kulkeutuvia yhdisteitä. Samasta syystä plutoniumin kierrättäminen tai sivuaktinidien transmutaatio ei poista loppusijoituksen tarvetta. Radioaktiivisten aineiden vapautumista havainnollistaa esimerkiksi Posivan safety-case -raportin sivulla 186 esitetty kuva, jossa tarkastellaan merkittävimpiä päästökomponentteja tilanteessa, jossa kuparista valmistettu loppusijoituskapseli menettää esimerkiksi valmistusvirheen vuoksi tiiveytensä jo tuhannen vuoden jälkeen.

Kuvasta selviää, että suurimmat päästöt kallioperään aiheutuvat hiilen ja kloorin isotoopeista C14 ja Cl36. Nämä aineet eivät ole aktinideja tai fissiotuotteita, joiden aktiivisuusinventaari polttoaineessa on suuri, vaan aktivoitumistuotteita, joita syntyy polttoainenipun rakenteissa olevista epäpuhtauksista (isotoopit N14 ja Cl35). Maanpinnalle kulkeutuessaan päästöt jäävät selvästi alle turvarajojen, mutta esimerkki osoittaa hyvin sen, että kyse on varsin monimutkaisista ilmiöistä. Pitkäaikaisturvallisuuteen liittyviä haasteita ei siis voi kuitata ratkaistuksi toteamalla että reaktori toimii suljetulla polttoainekierrolla.

Edellä mainituista isotoopeista erityisesti jälkimmäinen voi olla ongelma kloridipolttoaineella toimivissa sulasuolareaktoreissa. Posivan skenaariossa kloorin lähtöaineen pitoisuus mitataan kymmenissä tai sadoissa ppm-yksiköissä (parts per million), mutta kloridisuolassa se muodostaa yhden polttoaineen pääkomponenteista. Radioaktiivisen Cl36:n muodostusta voidaan pienentää käyttämällä suolan valmistukseen väkevöityä klooria, mutta isotooppien erotus on vietävä erittäin pitkälle jotta lähdetermi saadaan samalle tasolle kuin kevytvesireaktoreissa.viii

Vaikka Cl36:n päästöraja ylittyisi sulasuolareaktoripolttoaineen loppusijoituksessa, kyse ei todennäköisesti olisi ympäristölle vaarallisesta pitoisuudesta, sillä rajat perustuvat joka tapauksessa konservatiivisiin oletuksiin. Jos tällaisia rajoja on kuitenkin jo viranomaisvaatimuksissa ehditty asettaa, myös uusien reaktorityyppien pitäisi pystyä ne täyttämään. Se, että uudelle reaktorityypille jouduttaisiin soveltamaan nykyistä löyhempiä turvallisuusstandardeja, asettaisi koko teknologian uskottavuuden kyseenalaiseksi. Näin erityisesti siinä tilanteessa, että reaktoria on ensin vuosikausia markkinoitu huomattavana parannuksena vanhaan, sillä se kykenee ”hävittämään ydinjätettä”.

Onko sulasuolareaktori ratkaisu ilmastonmuutokseen?

Olen aikaisemmissa toriumia ja nopeita hyötöreaktoreita käsittelevissä kirjoituksissa pyrkinyt tuomaan esille sitä, että edistyneisiin ydinteknologioihin kohdistetaan usein epärealistisia odotuksia, tai niiden väitetään ratkaisevan sellaisia ongelmia, joita ei myöskään perinteisellä ydinvoimalla todellisuudessa edes ole. Tällainen teknologiahype on omiaan viemään keskustelua väärään suuntaan. Sama pätee jossain määrin myös sulasuolareaktoreihin, ja etenkin niihin reaktorikonsepteihin, jotka tähtäävät suljettuun polttoainekiertoon. Ydinenergia-alan suurimmat haasteet eivät nimittäin liity maailman uraanivarojen riittävyyteen tai ydinjätteiden turvalliseen loppusijoitukseen, vaan paljon arkisempiin vastoinkäymisiin. Reaktoreiden rakentaminen sitoo paljon pääomaa, ja etenkin länsimailla on ollut vaikeuksia pitää kustannukset kurissa, ja viedä rakennusprojektit maaliin aikataulun mukaan.

Vaikka sulasuolareaktori edustaa kiistatta innovatiivista ja perinteisistä ydinreaktoreista poikkeavaa teknologiaa, se tuskin kykenee tuomaan nopeaa ratkaisua alan ongelmiin. Uusi teknologia vaatii aina tietyn kehityskaaren, joka sulasuolareaktoreiden osalta käynnistyi jo 1950-luvulla. Ainoa konkreettinen teknologiademonstraatio on kuitenkin edelleen Oak Ridgen MSRE yli 50 vuoden takaa. Täyden mittakaavan prototyypin rakentaminen tulee kiinalaisiltakin viemään vielä vuosia, ja vaikka teknologia lunastaisi kaikki lupauksensa, kaupallista suljetulla polttoainekierrolla toimivaa sulasuolareaktoria voidaan joutua odottamaan 2040-luvulle saakka. Terrestrial Energy tosin lupaa IMSR-reaktorinsa kaupallisille markkinoille jo 2020-luvun puolella, mutta kuten edellä todettiin, aikataulu on erittäin kunnianhimoinen.

Sulasuolareaktori voi tulevaisuudessa osoittautua ylivoimaiseksi ratkaisuksi joka valtaa nopeasti markkinat, mutta kypsää teknologiaa se ei vielä edusta. Samasta syystä sitä ei myöskään energiakeskustelussa tulisi nähdä kilpailijana perinteisille kevytvesireaktoreille, tai sellaisille uusille reaktorityypeille, jotka ovat jo edenneet kehityksessä prototyyppiasteelle. Ydinvoimalla on pystytty leikkaamaan sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä nopeammin kuin millään muulla tuotantomuodolla. Teknologian valjastaminen laajemmin ilmastonmuutoksen torjuntaan edellyttää kuitenkin sitä, että resurssit kohdistetaan oikein. Tällä hetkellä katse olisi syytä pitää nopealla aikataululla käyttöön otettavissa ratkaisuissa.

Yksi sulasuolareaktorihypen ikävimmistä piirteistä on se, että rahoituksesta kilpailevat yritykset pyrkivät korostamaan oman ratkaisunsa ylivertaisuutta luomalla perinteisten kevytvesireaktorien ympärille mielikuvaa vanhentuneesta ja vaarallisesta teknologiasta. Hyvä esimerkki tästä on se, että reaktorin ainutlaatuiseksi ominaisuudeksi esitetään kyky säätää itse itseään. Väite sulasuolareaktorin luontaisesta stabiilisuudesta pitää kyllä paikkansa, mutta todellisuudessa kyse on turvallisuusvaatimuksesta, jota edellytetään lähes kaikilta muiltakin reaktorityypeiltä. Kevytvesireaktoreissa vastaava takaisinkytkentä seuraa yksinkertaisesti jäähdytteenä ja moderaattorina toimivan veden kiehumisesta.ix


i) Sulasuolareaktoreihin voidaan periaatteessa lukea myös sellaiset reaktorikonseptit, jotka perinteisten reaktorien tapaan toimivat kiinteällä polttoaineella, mutta joiden jäähdytteenä käytetään korkeassa lämpötilassa sulavaa suolaseosta. Tässä blogikirjoituksessa keskitytään kuitenkin reaktoreihin, joissa myös fissiili polttoaine kulkee suolan mukana.

ii) Neutronien hidastumisen merkitystä ketjureaktion etenemisen ja kevytvesireaktoreiden turvallisuussuunnittelun kannalta on käsitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Ketjureaktio etenee sulasuolareaktoreissa saman periaatteen mukaan, joskin reaktorin stabiilisuuteen vaikuttavat takaisinkytkennät poikkeavat jonkin verran muista reaktorityypeistä.

iii) Syy siihen, miksi ARE:n polttoaineeksi valittiin nestemäinen suola, liittyy reaktorin stabiilisuuteen. Selitys ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen. Korkeasti väkevöidyllä uraanilla toimivissa termisissä reaktoreissa polttoaineen Doppler-takaisinkytkentä on heikko, ja hallitseva negatiivinen lämpötilaefekti liittyy siihen, että termalisoituneiden neutronien spektri siirtyy energia-asteikolla ylöspäin. Polttoaineen xenon-myrkyttyminen voi kuitenkin korkeassa lämpötilassa kääntää vaikutuksen positiiviseksi, jolloin reaktori muuttuu epästabiiliksi. Nestemäinen polttoaine ratkaisi ongelman, sillä kaasumainen xenon erottui helposti suolavirrasta.

iv) Reaktorin ja suojarakennuksen ylipaineistumiseen liittyvät ongelmat realisoituivat Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa. Reaktorit jäivät ilman toimivaa jäähdytyskiertoa, kun laitosalueelle vyörynyt tsunami tuhosi sähkönsyötön jälkilämmönpoistoon tarkoitetuilta järjestelmiltä. Jäähdytys olisi ollut mahdollista toteuttaa myös ulkoisia palovesilinjoja pitkin, mutta operaatio epäonnistui kun painetta ei saatu riittävän nopeasti alas.

v) Jatkuvaa jälleenkäsittelyä soveltavien sulasuolareaktorien proliferaatioriski liittyy erityisesti toriumhyötöreaktorikiertoon. Toriumilla ei ole luonnossa lainkaan fissiiliä isotooppia, vaan reaktorin toiminta perustuu uraanin isotooppiin U233, jota syntyy toriumista peräkkäisten neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioiden kautta:

Th232 + n ⟶ Th233 ⟶ Pa233 ⟶ U233

Polttoaineen jälleenkäsittelyssä fertiilistä suolasta erotetaan kemiallisesti uraania, jolloin U233:n mukana siirtyy myös neutronireaktioissa muodostunutta isotooppia U232, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Tällaisen uraanin käsittely on teknisesti vaikeaa, mitä pidetään usein perusteluna sille, että toriumkierto soveltuu huonosti ydinasemateriaalin valmistukseen. Sulasuolareaktoreissa jälleenkäsittelyprosessi on kuitenkin periaatteessa mahdollista toteuttaa myös siten, että suolasta erotetaan konversioketjun välituotetta protaktiniumia, jolloin lopputuotteeksi saadaan radioaktiivisen hajoamisen jälkeen lähes isotooppisesti puhdasta U233:a. Tällainen uraani olisi käytännössä täydellinen ydinasemateriaali.

vi) Kevytvesireaktoreissa tritiumia (H3) syntyy jäähdytteeseen vedyn raskaan deuterium-isotoopin (H2, 0.015% kaikesta vedystä) sekä painevesireaktoreissa reaktiivisuuden säätöön käytettävän boorin neutronireaktioissa. Pääosa tritiuminventaarista syntyy kuitenkin reaktorin polttoaineeseen nk. terniäärisessä fissiossa, jossa uraaniydin halkeaa kahden tytärytimen sijaan kolmeen osaan. Kolmas reaktiotuote on tavallisesti kevyt ydin, kuten He4 tai H3. Fissiossa syntynyttä tritiumia muodostuu myös sulasuolareaktorin polttoaineeseen.

vii) Päästörajat ovat maakohtaisia, sillä tritium- ja jalokaasut eivät ole ainoastaan sulasuolareaktoreiden ja uuden teknologian ongelma. Esimerkiksi ranskalaisesta La Haguen jälleenkäsittelylaitoksesta vapautuu ilmakehään kryptonin radioaktiivista isotooppia Kr85 paljon enemmän kuin Loviisasta tai Olkiluodosta, sillä käytetty polttoaine liuotetaan prosessin aikana nestemäiseen typpihappoon. Kanadalaisissa raskasvesimoderoiduissa CANDU-reaktoreissa puolestaan syntyy monta kertaluokkaa enemmän tritiumia, jolloin myös sen päästöt ovat suuremmat. Vielä enemmän tritiumia tulee todennäköisesti vapautumaan fuusioreaktoreista, jotka käyttävät helposti karkaavaa isotooppia polttoaineenaan (1000 MW fuusioreaktorin vuoden aikana kuluttaman polttoaineen aktiivisuusinventaari olisi luokkaa 40-50 EBq). Radioaktiiviset jalokaasut eivät vaarallisuutensa puolesta vertaudu esimerkiksi jodiin tai cesiumiin, sillä ne eivät muodosta laskeumaa tai kerry ravintoketjuun. Tritiumin säteilymyrkyllisyyttä puolestaan laskee huomattavasti se, että isotoopin hajoamisessa vapautuva energiamäärä on pieni.

viii) Kloori muodostuu kahdesta isotoopista: Cl35 ja Cl37, joiden atomiosuudet ovat 75.8% ja 24.2%. Näistä edellinen muuttuu neutronikaappausreaktioissa radioaktiiviseksi Cl36:ksi, jonka puoliintumisaika on n. 300,000 vuotta.

ix) Sulasuola- ja kevytvesireaktorin stabiilisuus perustuu lopulta hyvin samankaltaisten ilmiöön. Terminen reaktori tarvitsee toimiakseen sekä polttoainetta että moderaattoria. Sulasuolareaktoreissa suolan lämpölaajeneminen pienentää polttoaineen määrää sydämessä, ja kevytvesireaktoreissa veden kiehuminen vaikuttaa samalla tavalla moderaattoriin.

Mainokset

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