Fukushiman jätevesiongelma

Jaakko Leppänen – 17.10.2020

Vuonna 2011 onnettomuudessa tuhoutuneen Fukushiman ydinvoimalan omistava Tepco-yhtiö on saamassa Japanin hallitukselta luvan laskea laitosalueelle varastoitua radioaktiivista vettä mereen. Suunnitelma on ollut vireillä jo vuosia, ja se on ymmärrettävästi herättänyt paljon huolta ja keskustelua. Aiheesta uutisoi värikkäin sanankääntein myös esimerkiksi Iltalehti.

Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden syitä ja seurauksia on käsitelty yksityiskohtaisesti aikaisemmissa blogikirjoituksissa. Laitosalueelle kerääntynyt radioaktiivinen vesi on ollut ongelma jo alusta lähtien, ja myös nyt tehty päätös sen hallitusta vapauttamisesta on ollut odotettavissa jo pitkään. Onnettomuudesta on kuitenkin ehtinyt kulua jo sen verran aikaa, että aihetta käsittelevissä uutisissa monet asiat menevät helposti keskenään sekaisin. Esimerkiksi edellä mainitussa Iltalehden jutussa kerrotaan, että ”merivesi nuolee yhä tänä päivänä sulanutta reaktoria”. Tämä, kuten moni muukaan uutisessa esitetty asia, ei pidä paikkansa. Yritän tässä blogikirjoituksessa tuoda vähän selvyyttä siihen, mitä Fukushimassa on tällä hetkellä tekeillä.

Mistä radioaktiivinen vesi on peräisin?

Maaliskuussa 2011 tapahtuneessa onnettomuudessa oli kyse sydämensulamisonnettomuudesta kolmella laitosyksiköllä. Sulamisen yhteydessä vaurioituneesta ydinpolttoaineesta vapautui radioaktiivisia aineita, jotka sekoittuivat polttoainetta jäähdyttävään veteen. Koska onnettomuuden aiheuttanut tsunami oli tuhonnut laitoksen jäähdytysjärjestelmien sähkönsyöttöön tarkoitetut diesel-generaattorit, reaktoreita jouduttiin jäähdyttämään pumppaamalla merivettä reaktorirakennusten sisälle. Radioaktiivisia aineita mukanaan kuljettavaa vettä päätyi erilaisten vuotokohtien kautta reaktori- ja turbiinirakennusten maanalaisiin tiloihin. Onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana vettä pääsi vuotamaan myös suoraan mereen. Pahimmat vuotokohdat saatiin tukittua huhtikuun aikana, ja päästö mereen käytännössä loppui kun suljettu jäähdytyskierto saatiin toimimaan heinäkuussa 2011. Kellaritiloihin valunutta vettä alettiin kierrättää puhdistamisen jälkeen takaisin reaktoreihin, jolloin ulkopuolinen vedensyöttö voitiin lopettaa.

Sen jälkeen kun onnettomuustilanne saatiin hallintaan, suurin ongelma on ollut reaktorirakennuksiin vuotava pohjavesi. Jotta radioaktiivisia aineita ei pääsisi vuotamaan enempää ympäristöön, maanalaisten tilojen vedenpinnankorkeus on pidettävä pohjaveden tason alapuolella. Paine-ero takaa tällöin sen, että vuoto tapahtuu ulkoa sisään eikä päinvastoin. Koska pohjavettä tihkuu jatkuvasti sisään, tilanteen ylläpitämiseksi vettä on pumpattava kellaritiloista jatkuvasti ulos. Veteen sekoittuneiden radioaktiivisten aineiden vuoksi sitä ei voida laskea mereen, joten kaikki saastunut vesi on varastoitu laitospaikalle.

Kuva 1: Google maps -kuvakaappaus Fukushima Daiichin ydinvoimalaitosalueesta. Pyöreät rakennelmat ovat säiliöitä, joihin on varastoitu radioaktiivista vettä. Tähän mennessä laitosalueelle on kertynyt säiliöitä reilu tuhat kappaletta.

Ongelmana tritium

Onnettomuustilanteessa ydinpolttoaineesta vapautuu monenlaisia radioaktiivisia aineita. Aikaisemmassa blogikirjoituksessa ongelmallisiksi radionuklideiksi mainittiin erityisesti jodin isotooppi I131, joka muodostaa lähialueen väestölle suurimman välittömän säteilyriskin, sekä cesiumin isotooppi Cs137, joka aiheuttaa ympäristön pitkäaikaista saastumista. Jodin puoliintumisaika on sen verran lyhyt, että se häviää ympäristöstä jo muutamassa kuukaudessa. Cesium sen sijaan jää maaperään pitkäksi aikaa, ja sen pitoisuudet pienenevät lähinnä laimenemalla laskeuman painuessa syvemmälle maahan.

Näitä samoja aineita liukenee myös veteen. Cesiumia ja monia muita fissiotuotteita pystytään kuitenkin poistamaan tehokkaasti erilaisilla suodattimilla. Näin on toimittu myös Fukushimassa. Laitosalueelle varastoitu vesi on jo puhdistettu pahimmista radionuklideista. Ongelmaksi muodostuu kuitenkin yksi isotooppi, tritium, joka ei tartu minkäänlaisiin suodattimiin. Tritium on vedyn radioaktiivinen isotooppi (H3), joka muodostaa toisen vetyatomin ja yhden happiatomin kanssa vesimolekyylin. Tritiumia sisältävä vesi ei poikkea kemiallisesti millään tavalla puhtaasta vedestä, minkä vuoksi myöskään sen erottaminen ei onnistu kemiallisin menetelmin.

Radioaktiivisena aineena tritium ei ole pahimmasta päästä. Radioaktiivisen isotoopin säteilymyrkyllisyyteen vaikuttaa esimerkiksi sen emittoiman säteilyn laatu, sekä hajoamisessa vapautuva energia. Korkeaenerginen alfasäteilijä vaikuttaa elimistöön päästyään eri tavalla kuin matalaenerginen beetasäteilijä, vaikka aineen määrä olisikin molemmissa tapauksissa sama. Tritium on beeta-aktiivinen isotooppi, jonka hajoamisessa vapautuva energiamäärä on pieni.ⁱ Tritium ei myöskään tuota lainkaan radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä tavallisesti esiintyvää läpitunkevaa gammasäteilyä. Koska tritium liukenee veteen täydellisesti, se ei cesiumista ja muista radioaktiivisista päästöistä poiketen pääse rikastumaan ravintoketjuun. Kyse on silti ympäristölle vaarallisesta aineesta, jolle on asetettu ydinenergiantuotantoa ohjaavassa lainsäädännössä päästörajat.

Paljonko on paljon?

Tritiumin puoliintumisaika on 12 vuotta, joten sen määrä Fukushiman laitosalueelle kerätyissä vesisäiliöissä ei putoa itsestään kovinkaan nopeasti. Koska veden määrä kasvaa jatkuvasti, varastokapasiteetti tulee ennemmin tai myöhemmin täyteen. Ratkaisuksi Tepco on jo pitkään esittänyt tritiumin hallittua vapauttamista mereen. Vettä laskettaisiin pienissä erissä, jotta pitoisuudet meressä ehtisivät laimentua ja tasaantua. Perusteluna ratkaisulle on ollut erityisesti se, että radioaktiivisen veden varastointi sitoo paljon resursseja, joille olisi parempaakin käyttöä onnettomuuden jälkihoidossa.

Maaliskuussa 2020 laitosalueelle oli kerääntynyt tritiumia noin 2.4 grammaa, joka on sekoittuneena yli miljoonaan kuutioon vettä. Määrä voi kuulostaa mitättömän pieneltä. Radioaktiivisten aineiden määrää tai pitoisuutta ei kuitenkaan ole mielekästä mitata massayksiköissä, sillä myös ytimien hajoamisnopeus vaikuttaa ratkaisevasti aineen emittoiman säteilyn voimakkuuteen. Lyhytikäisestä isotoopista koostuva radioaktiivinen aine voi säteillä miljoonia kertoja voimakkaammin kuin vastaava määrä ainetta, joka koostuu pitkäikäisistä ytimistä. Paremman vertailuluvun antaa hajoamisen nopeutta kuvaava aktiivisuus. Fukushimassa tritiumin kokonaisaktiivisuus on noin 860 terabecquereliä (TBq), joka tarkoittaa 860 biljoonaa radioaktiivista hajoamista sekunnissa.

Myöskään aktiivisuus ei vielä ilman järkevää vertailukohtaa kerro kovinkaan paljon ongelman mittakaavasta. Fukushiman tapauksessa mittatikkuna voidaan käyttää esimerkiksi sitä, miten paljon radioaktiivisia aineita pääsi vapautumaan ympäristöön onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana. Ilmapäästön suuruusluokaksi on arvioitu 340,000 – 800,000 TBq, minkä lisäksi mereen pääsi vuotamaan suoraan vähintään 10,000 TBq radioaktiivisia aineita. Nämä päästöt koostuivat pääosin jodista, cesiumista ja muista tritiumia ikävämmistä isotoopeista.

Tritiumia vapautuu ympäristöön myös ydinvoimaloiden normaalikäytön aikana. Päästölukuja on kerätty esimerkiksi YK:n alaisen UNSCEAR-järjestön raportteihin. Olkiluodon ykkös- ja kakkosyksiköiden yhteenlaskettu vuosittainen tritiumpäästö on suuruusluokkaa 1–2 TBq, ja Loviisan laitosten päästö noin 10 TBq. Normaalikäytön aikaiset päästöt riippuvat monesta tekijästä, mutta mitä useammasta reaktoriyksiköstä laitos koostuu, sitä suuremmiksi myös päästöt nousevat. Fukushiman Daiichi- ja Daini-voimalaitoksilla oli ennen onnettomuutta käytössä yhteensä kymmenen reaktoria. Hitaasti päästämällä meriveden tritiumpitoisuus saataisiin pysymään käytännössä onnettomuutta edeltäneellä tasolla, ja juuri tähän hallitulla päästämisellä myös pyritään. Kevytvesityyppisiä paine- ja kiehutusvesireaktoreita suurempia tritiumpäästöjä aiheutuu raskasvesireaktoreista, joita on käytössä esimerkiksi Kanadassa. Maan kaikkien ydinvoimaloiden yhteenlaskettu tritiumpäästö on ollut korkeimmillaan lähes 8000 TBq vuodessa.ⁱⁱ

Ydinvoimaloita selvästi suurempi tritimin päästölähde on kuitenkin historiallisesti ollut ydinaseteollisuus. Tritiumia käytetään vetypommien fuusiopolttoaineena, sekä tavanomaisissa fissiopommeissa räjähdysvoiman kasvattamiseen. Ydinasemateriaalien tuotantolaitoksessa valmistettavan tritiumin määrä ylittää monella kertaluokalla aktiivisuusinventaarin, joka syntyy ydinreaktorin jäähdytteeseen. Myös päästöt skaalautuvat samassa suhteessa. Yhdysvaltalaisen Savannah River Site -tuotantolaitoksen on arvioitu vuosien 1954–1992 välisenä aikana päästäneen ympäristöön lähes miljoona terabecquereliä tritiumia.ⁱⁱⁱ

Vielä suurempia päästöjä on aiheutunut ilmakehässä tehdyistä ydinkokeista. Ennen vuonna 1963 solmittua osittaista ydinkoekieltosopimusta suurvallat ehtivät tehdä yli 500 maanpäällistä ydinräjäytystä, joista huomattava osa oli suuria vetypommeja. Räjäytysten yhteydessä ilmakehään vapautui yli 100 miljoonaa terabecquereliä tritiumia. Jo yksittäisen megatonniluokan vetypommin räjähdyksessä vapautuneen tritiumin määrä ylittää Fukushiman laitosalueen kokonaisinventaarin noin 200-kertaisesti.

Miten suuria ympäristöhaittoja on odotettavissa?

Kun kyse on ympäristön tietoisesta saastuttamisesta, vertailu vielä pahempaan saastuttajaan on yleisesti ottaen heikko perustelu toiminnalle. Vaikka päästö voitaisiin tehdä hallitusti ja ylittämättä meriveden tritiumpitoisuudelle asetettuja raja-arvoja, Tepcon valitseman ratkaisun voidaan tavallaan katsoa olevan ristiriidassa myös ydinenergia-alalla yleisesti sovellettavan ALARA-periaatteen (As Low As Reasonably Achievable) kanssa. Tämän periaatteen mukaan ympäristön ja ihmisten säteilyaltistus on pyrittävä mahdollisuuksien rajoissa minimoimaan silloinkin, kun päästöt alittavat jo valmiiksi niille asetetut rajat, tai jäävät muuten merkityksettömän pieniksi.

Oli asiasta mitä mieltä tahansa, keskustelun järkevyyden kannalta ongelman mittakaava olisi kuitenkin hyvä kyetä hahmottamaan. Kyse ei ole siitä, että reaktorirakennusten sisällä olevaa pahasti saastunutta vettä haluttaisiin päästää sellaisenaan ympäristöön. Laitosalueen säiliöihin varastoitu vesi on jo käynyt perusteellisen puhdistusprosessin läpi, ja ongelmana on lähinnä yksittäinen isotooppi, jota on kemiallisesti mahdoton erottaa vedestä. Parempaakaan ratkaisua ei siis ole odotettavissa. Onnettomuuslaitoksen purkaminen on joka tapauksessa pitkä, 30–40 vuotta kestävä prosessi. Tritiumin päästön on määrä tapahtua vaiheittain tänä aikana siten, että ympäristön tila on samalla jatkuvassa seurannassa.

Edellä esitettyjen vertailujen perusteella tritiumpäästön suuruudesta voidaan tehdä ainakin seuraavia johtopäätöksiä:

1. Tritiumin laskeminen mereen edustaa muutaman prosentin kymmenyksen lisäystä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöön. Pahin vahinko on siis jo joka tapauksessa päässyt tapahtumaan.
2. Maailman ydinvoimalaitoksista pääsee myös normaalikäytön aikana mereen tritiumia, eikä määrien katsota aiheuttavan ympäristöongelmia. Vaikka kaikki Fukushiman laitosalueella oleva tritium laskettaisiin kerralla mereen, määrä jäisi noin kymmenesosaan kanadalaisten raskasvesireaktoreiden yhteenlasketuista vuosipäästöistä.
3. Ydinaseteollisuudesta ja ydinkokeista vapautuneen tritiumin määrä ylittää Fukushiman tritiuminventaarin yli 100,000-kertaisesti. Suunniteltu tritiumpäästö ei siis yllä lähellekään sitä tasoa, mille maailman meret ovat kylmän sodan vuosina joutuneet altistumaan.

Iltalehden uutisessa kerrotaan, että myrkkyveden laskeminen mereen tuhoaa kalastusvedet ja ihmisten elinkeinon Korean rannikkoa myöten. Vastaavaa viestiä välitetään monissa muissakin uutislähteissä. Kyse on kaikin puolin ikävästä asiasta. Onnettomuus aiheuttaa edelleen ympäristövaikutuksia, tai vähintään huolta lähialueen väestössä. Perusteettomien kauhukuvien maalailu ei kuitenkaan auta asiaa sen enempää kuin seurausten vähättelykään.

---

Päivitys (17.10.2020): Blogitekstissä viitatun Iltalehden uutisen otsikkoa ja sisältöä on sittemmin korjattu.

Päivitys (13.3.2021): Tritiumin hallitusta päästöstä on nyt tehty virallinen päätös. Uutisen mukaan vuosittain veteen vapautettavan tritiumin määrän tulee jäädä alle laitoksen normaalikäytön aikaisen 22 terabecquerelin vuosipäästörajan. Päästö on samaa suuruusluokkaa kuin Suomen käyvillä laitoksilla.

---

ⁱ⁾ Esimerkki radioaktiivisten aineiden säteilymyrkyllisyydestä saadaan vertaamalla tritiumia poloniumin Po210-isotooppiin, joka edustaa säteilymyrkyllisyydeltään toista ääripäätä. Tritiumin hajoamisessa vapautuvat beetahiukkaset syntyvät keskimäärin noin 5.7 kiloelektronivoltin energialle. Po210 on alfa-aktiivinen isotooppi, jonka emittoimilla alfahiukkasilla on energiaa 5.4 megaelektronivolttia. Yhtä Po210:n hajoamista kohden tritiumin hajoamisreaktioita pitäisi siis tapahtua lähes tuhat, jotta esimerkiksi elävään kudokseen absorboituneen energian määrä olisi sama.

ⁱⁱ⁾ Kevytvesilaitoksilla tritiumia syntyy pääasiassa fissiotuotteena reaktorin polttoaineeseen. Fukushiman onnettomuudessa tritium pääsi muiden radioaktiivisten aineiden tapaan vapautumaan jäähdytteeseen polttoaineen vaurioituessa. Tritiumia vapautuu pieniä määriä veteen myös laitoksen normaalikäytön aikana, esimerkiksi polttoainesauvojen vuodoissa. Painevesireaktoreissa isotooppia syntyy myös suoraan jäähdytteeseen reaktiivisuuden säätöön käytetyn boorihapon neutronikaappausreaktioissa. Tämä selittää myös eron Loviisan ja Olkiluodon laitosten tritiumpäästön välillä: Loviisan reaktorit ovat tyypiltään painevesireaktoreita. Boorin lisäksi tritiumia syntyy veteen vedyn raskaan deuterium-isotoopin neutronikaappausreaktioissa. Tavallisessa vedessä tällaiset reaktiot ovat harvinaisia, sillä isotoopin atomiosuus on alle 0.02%. Raskasvesireaktoreissa vesimolekyylien vetyatomit koostuvat lähes 100%:sti deuteriumista, joten myös tritiumia tuottavia neutronikaappausreaktioita tapahtuu paljon enemmän.

ⁱⁱⁱ⁾ Tritiumin valmistuksesta ja käsittelystä aiheutuu väistämättä suuria päästöjä, sillä pienen molekyylikokonsa vuoksi isotooppi pääsee tunkeutumaan helposti tiivisteiden ja jopa kiinteiden metallirakenteiden läpi. Vastaavaan ongelmaan tullaan vielä törmäämään, jos tritiumia polttoaineenaan käyttävistä fuusioreaktoreista tulee joskus teknologian valtavirtaa. Tuhannen megawatin fuusioreaktori tarvitsisi toimiakseen reilu sata kiloa tritiumia vuodessa. Polttoaineen valmistuksen ja käsittelyn yhteydessä päästöjä vapautuisi muutaman gramman verran. Jo yksittäisen kaupallisen kokoluokan fuusiolaitoksen normaalikäytön aikaiset vuosipäästöt vertautuisivat siihen tritiumin määrään, jonka vapauttamista Tepco-yhtiö parhaillaan suunnittelee.