Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 3

Jaakko Leppänen – 14.3.2021

Runsas vuosi sitten julkaistussa blogikirjoituksessa kerrottiin VTT:llä käynnistyneestä hankkeesta, jossa kehitetään kaukolämmöntuotantoon tarkoitettua pientä ydinreaktoria. Suunnittelua lähdettiin aluksi edistämään laskennallisen mallinnuksen keinoin. Työssä käytettyjä menetelmiä ja laskentaohjelmistoja, sekä ydinreaktoreiden toiminnan mallinnukseen liittyviä yleisiä haasteita esiteltiin kirjoituksen jälkimmäisessä osassa. Hankkeen ensimmäisen vaiheen tavoitteena oli luoda konseptitason suunnitelma, jonka pohjalta teknistä kehitystä voidaan lähteä viemään eteenpäin.

Suunnittelutyön ensimmäinen vaihe saatiin päätökseen viime syksynä. Reaktorikonseptiin liittyvien patenttisuoja-asioiden selvittäminen vei kuitenkin aikansa, mikä vuoksi tuloksista päästään kertomaan laajemmin vasta nyt. VTT:n reaktorihanketta käsittelevien kirjoitusten lisäksi blogissa on käyty aikaisemmin yleisellä tasolla läpi ydinenergian roolia ilmastonmuutoksen torjunnassa, sekä kaukolämmöntuotantoon suunniteltujen ydinreaktoreiden historiaa ja erityispiirteitä. Kaikkia taustoja ei tässä kirjoituksessa käydä uudelleen läpi, mutta lyhyt kertaus lienee paikallaan.

Suunnittelun lähtökohdat ja tavoitteet

Energiantuotannon ilmastovaikutuksilla on aina viime vuosiin saakka viitattu erityisesti sähköntuotannon hiilidioksidipäästöihin, ja myös päästövähennystoimenpiteet ovat painottuneet tuuli- ja aurinkoenergian osuuden kasvattamiseen. Suomessa ilmastokeskustelun painopiste on kuitenkin jo siirtymässä sähköstä energiasektorin muille osa-alueille. Syy tähän on ainakin osittain se, että noin 85% kotimaisesta sähköstä tuotetaan jo nyt vähähiilisillä energiamuodoilla. Asuin-, toimisto- ja liikekiinteistöjen lämmityksessä käytetään kuitenkin edelleen paljon fossiilisia polttoaineita. Ylivoimaisesti suosituin lämmitysmuoto Suomessa on kaukolämpö, joten keskitetyn lämmöntuotannon puhdistamisessa piilee huomattavan suuri päästövähennyspotentiaali.

Yksi tapa tuottaa vähähiilistä lämpöä on ydinenergia, jonka soveltuvuudesta suomalaiseksi kaukolämpöratkaisuksi on tehty erinäisiä selvityksiä jo 1970-luvulta lähtien. Teknisesti ydinreaktori soveltuu lämmöntuotantokäyttöön varsin hyvin. Kaukolämpöverkkojen 65–120°C syöttölämpötilaan päästään tavanomaisella reaktoriteknologialla. Reaktorin toimintaan liittyvien haasteiden sijaan kyse onkin enemmän siitä, miten tuotanto ja kulutus saadaan kohtaamaan. Sähköstä poiketen kaukolämmölle ei ole olemassa koko maan kattavaa jakeluverkkoa, vaan lämpö sekä tuotetaan että kulutetaan paikallisesti. Perinteiset ydinvoimalaitokset ovat yksikkökooltaan suuria, ja jopa kehitteillä olevista pienreaktoreista on vaikea löytää sellaista teknologiaa, joka sopisi kokoluokkansa puolesta muualle kuin Helsingin kaukolämpöverkkoon.i VTT:n kehityshankkeen tavoitteena on suunnitella sellainen reaktori, joka soveltuu myös pienten ja keskisuurten suomalaiskaupunkien tarpeisiin.

Reaktorin suunnittelulle asetettiin jo alkuvaiheessa joukko erilaisia tavoitteita. Teknologiariskien pienentämiseksi kehityksessä pyritään hyödyntämään mahdollisimman yksinkertaisia ja hyvin tunnettuja ratkaisuja. Suunnittelussa haluttiin huomioida myös suomalaisen ydinenergiaosaamisen erityispiirteet. Suomen nykyiset ja suunnitteilla olevat ydinvoimalaitokset perustuvat kevytvesiteknologiaan, josta on käyttökokemusta yli neljän vuosikymmenen ajalta. Teknologian edut ja rajoitukset tunnetaan siis hyvin. Myös ydinenergian käyttöä ohjaava lainsäädäntö sekä käytetyn polttoaineen loppusijoitusratkaisu ovat rakentuneet saman teknologian ympärille. Tutusta linjasta ei ollut syytä poiketa, sillä perinteinen kevytvesireaktori soveltuu sähköntuotannon lisäksi myös lämmöntuotantokäyttöön.

Huomattava osa ydinvoimalaitosten toiminnoista liittyy turvallisuuden varmistamiseen. Kaukolämpöreaktorin turvallisuussuunnittelussa haluttiin hyödyntää passiivisia järjestelmiä, jotka pumppujen ja muiden aktiivisten toimilaitteiden sijaan nojaavat fysikaalisiin prosesseihin, erityisesti veden luonnolliseen kiertoon lämpötilaeron vaikutuksesta. Korkea turvallisuustaso on tällöin mahdollista saavuttaa yksinkertaisemmalla teknologialla, mikä näkyy myös laitoksen hinnassa. Passiivista teknologiaa hyödynnetään yleisesti muissakin pienreaktoreissa, mutta kaukolämpöreaktorin satoja asteita tavanomaista matalampi käyttölämpötila yksinkertaistaa järjestelmien toteutusta edelleen.

Perinteisen kevytvesireaktorin paineastian valmistus on teknisesti erittäin haastava prosessi, johon kykenee ainoastaan muutama valmistaja koko maailmassa. Vaatimattomien toimintaolosuhteiden ansiosta kaukolämpöreaktorin komponenttien valmistukseen voidaan sen sijaan soveltaa samoja menetelmiä kuin teollisuudessa käytetyille painelaitteille. Suunnittelun tavoitteeksi otettiinkin myös korkea kotimaisuusaste. Polttoainetta, säätösauvoja ja muita reaktorisydämen ydinteknisiä komponentteja lukuun ottamatta reaktoreiden valmistuksessa halutaan hyödyntää suomalaista teollisuutta.

Vaikka reaktori on suunniteltu erityisesti Suomen tarpeisiin, vähähiiliselle kaukolämmölle on suuri tarve myös ulkomailla. Suomessa kaukolämpöä tuotetaan vuosittain noin 40 terawattituntia. Euroopan mittakaavassa vuotuinen lämmitystarve on yli satakertainen. Potentiaalisia markkina-alueita ovat erityisesti Baltian maat, Puola sekä itäinen Keski-Eurooppa, missä kaukolämpö on Suomen tapaan yleinen lämmitysmuoto, eli lämmön jakeluun voidaan käyttää olemassa olevaa infraa.

Ydinkaukolämpölaitoksen yleiskuvaus

Kaukolämpöä tuottavan ydinlaitoksen suunnittelun perustaksi otettiin 50 megawatin reaktori, joka tuottaa 100–120°C asteista vettä verkkoon. Teho ja lämpötila ovat säädettävissä tarpeen mukaan. Reaktori kytkeytyy kaukolämpöverkkoon välipiirin ja kahden lämmönvaihtimen välityksellä. Tällä estetään lämmönvaihtimen vuotaessa primääripiirin veden pääsy kaukolämpöverkkoon. Reaktori ja välipiiri toimivat myös verkkoa matalammassa paineessa. Koska energian siirtyminen piiristä toiseen vaatii tietyn lämpötilaeron, reaktorin toimintalämpötilan on oltava jonkin verran kaukolämpöverkon syöttöveden lämpötilaa korkeampi. Lämpötilan nostaminen veden kiehumispisteen yläpuolelle edellyttää jäähdytyskierron paineistamista. Käyttöpaine jää silti alle kymmeneen baariin, joka on perinteisiin kevytvesilaitoksiin verrattuna varsin vähän.ii

VTT:n kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate on esitetty kuvassa 1. Vesi lämpenee reaktorin sydämessä. Lämpötilan noustessa sen tiheys pienenee, jolloin nostevoima saa virtauksen suuntautumaan ylöspäin. Reaktoriastian yläosassa virtaus kääntyy, ja ohjautuu astian ulkoreunaa kiertäviin lämmönvaihtimiin. Lämmön siirtyessä välipiiriin veden lämpötila laskee, ja tiheys vastaavasti kasvaa. Jäähtynyt vesi laskeutuu takaisin reaktoriastian pohjalle, mistä virtaus ohjataan uudelleen sydämeen. Vesi kiertää reaktoriastian sisällä pelkän lämpötilaeron vaikutuksesta, eli virtauksen ylläpitämiseen ei käytetä lainkaan pumppuja. Tällaisen luonnonkierron aikaansaaminen edellyttää kuitenkin tiettyä korkeuseroa kuuman reaktorin ja viileämmän lämmönvaihtimen välillä. Samasta syystä reaktoriastia on muodoltaan kapea ja korkea.

Reaktoriastia on edelleen suljettu suuremman teräksisen suoja-astian sisälle, ja koko reaktorimoduuli on upotettu vesialtaaseen. Reaktorimoduulin halkileikkaus on esitetty kuvassa 2. Suoja-astia vastaa perinteisen ydinvoimalaitoksen kaasutiivistä suojarakennusta, jonka tehtävänä on vastaanottaa onnettomuustilanteessa reaktorista purkautuvan höyryn aiheuttama painekuorma. Suoja-astia toimii myös nk. syvyyssuuntaisen puolustuksen uloimpana vapautumisesteenä, joka vakavan sydänvaurion sattuessa estää radioaktiivisen päästön ympäristöön. Yksittäinen reaktorimoduuli vastaa kooltaan suunnilleen linja-autoa.

Suurimmissa kaupungeissa lämmitystarve voi kovimmilla talvipakkasilla nousta tuhansiin megawatteihin. Suomesta löytyy kuitenkin yli sata sellaista paikkakuntaa, joissa kaukolämpöverkon kokonaiskapasiteetti on 50–200 MW. VTT:n reaktorikonseptissa skaalautuvuus toteutuu modulaarisella teknologialla. Kaukolämpölaitos voi rakentua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä. Reaktorirakennus on kaikille moduuleille yhteinen, ja se pitää sisällään myös yhteisiä tiloja, joita tarvitaan esimerkiksi polttoaineen vaihtoon ja määräaikaishuoltoihin, sekä erilaisille apujärjestelmille. Koska laitos ei tuota lainkaan sähköä, siihen ei kuulu myöskään turbiinia, generaattoria tai muita sähköntuotantoon tarkoitettua järjestelmiä.

Kaukolämpölaitoksen sijoitukseen on olemassa erilaisia vaihtoehtoja. Reaktorit voidaan sijoittaa esimerkiksi maanalaiseen kallioluolaan tai käytöstä poistetun kattilalaitoksen olemassa oleviin tiloihin. Alustavissa kustannusarvioissa on kuitenkin vielä yksinkertaisuuden vuoksi tarkasteltu maanpäällistä rakentamista uudelle laitospaikalle. Tällaisessa sijoitusvaihtoehdossa reaktoreiden vaatima pystysuuntainen tila louhitaan kallioon, ja reaktorirakennus ja laitoksen muut tilat rakennetaan maan päälle. Kahdesta moduulista muodostuvan sadan megawatin referenssilaitoksen poikkileikkaus on esitetty kuvassa 3.

Kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate.

Kuva 1: Kaukolämpöreaktorin toimintaperiaate. Primääripiirin vesi virtaa reaktoriastian sisällä suljetussa kierrossa, ja lämpenee kulkiessaan sydämen läpi. Lämpö siirtyy lämmönvaihtimen kautta suljettuun välipiiriin, ja sieltä edelleen toisen lämmönvaihtimen kautta kaukolämpöverkkoon.

Reaktorimoduulin läpileikkaus.

Kuva 2: Reaktorimoduulin läpileikkaus. Primääripiirin komponentit on suljettu kokonaisuudessaan reaktoriastian sisälle. Reaktoriastia on edelleen suljettu suuremman suoja-astian sisälle. Kuvasta on yksinkertaisuuden vuoksi jätetty pois lämmönvaihtimeen kytkeytyvät välipiirin putkiyhteydet, sekä muita pienempiä yksityiskohtia.

Kaukolämpölaitoksen läpileikkaus.

Kuva 3: Kahdesta 50 megawatin reaktorimoduulista muodostuvan kaukolämpölaitoksen läpileikkaus. Reaktoriyksiköt on sijoitettu lämpönieluna toimiviin vesialtaisiin. Välipiirin putkistot on vedetty reaktorihallin vieressä olevaan huoneeseen, missä ne kytkeytyvät lämmönvaihtimen välityksellä kaukolämpöverkkoon. Havainnekuva esittää, miltä lämpölaitos voisi näyttää teollisuusalueeksi kaavoitetulla tontilla. Maanalaisessa sijoitusvaihtoehdossa laitoksen tilat louhitaan kokonaisuudessaan kallion sisään.

Perinteistä kevytvesiteknologiaa

Reaktorin osalta kaukolämmöntuotanto ei vaadi suuria muutoksia olemassa olevaan kevytvesiteknologiaan. VTT:n konseptissa reaktorin sydän muodostuu tavanomaisista painevesireaktorin polttoainenipuista, jotka on lyhennetty 120–150 senttimetrin korkeuteen. Nippuja on sydämessä yhteensä 37 kappaletta, ja niissä olevan uraanin väkevöintiaste on vajaa 3%. Reaktorin säätöön käytetään liikuteltavia absorbaattorisauvoja. Polttoainelataus riittää kerralla noin 30 kuukauden yhtämittaiseen käyttöön täydellä teholla. Vuotuinen käyttökerroin voi kuitenkin jäädä sadan prosentin alapuolelle, sillä lämmitystarve laskee merkittävästi kesäkuukausien aikana. Esimerkiksi 75% käyttöasteella reaktorin latausväliksi tulisi reilu kolme vuotta.

Reaktorin sydänsuunnittelun tavoitteena on varmistaa, että reaktoria voidaan käyttää halutulla tehotasolla turvallisesti ja mahdollisimman taloudellisesti käyttöjakson alusta loppuun saakka. Reaktori on pystyttävä käynnistämään ja sammuttamaan, ja sen tehoa on kyettävä säätämään muuttuvan kulutuksen mukaan. Ydinenergian käyttöä ohjaavissa viranomaisvaatimuksissa reaktorin toiminnalle on asetettu erilaisia ehtoja, joilla varmistetaan käytön turvallisuus sekä normaalikäytön aikana että poikkeavissa käyttötilanteissa. Turvallisuusvaatimukset näkyvät suunnittelussa erilaisina rajoituksina ja reunaehtoina.

Yksi tärkeimmistä turvallisuusvaatimuksista on ketjureaktion stabiilisuus. Reaktorin teho ei saa lähteä itsestään kasvamaan, vaan ketjureaktion on hakeuduttava sellaiseen toimintatilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Stabiili toimintatila saavutetaan erilaisilla sisäsyntyisillä takaisinkytkennöillä, jotka lämpötilan noustessa saavat reaktorin fissiotehon laskemaan. Samojen takaisinkytkentöjen ansiosta reaktori sammuttaa ongelmatilanteessa itse itsensä.

Myös reaktorin säätöjärjestelmille on asetettu tiettyjä rajoituksia. Järjestelmävian tai ohjaajan tekemän virheen aiheuttama säätösauvojen tahaton ulosveto ei saa aiheuttaa sydämessä niin suuria tehonmuutoksia, että polttoaine ylikuumenee ja vaurioituu. Nämä vaatimukset on kyettävä täyttämään kaikissa käyttötilanteissa, eli suunnittelussa on huomioitava myös esimerkiksi polttoaineen isotooppikoostumuksen muuttuminen käyttöjakson edetessä.

Passiivinen turvallisuus

Koska kevytvesireaktorit toimivat luonnostaan stabiilissa tilassa, ketjureaktion hallinta ei myöskään ole riippuvainen automaatiojärjestelmistä tai ohjaajien toimenpiteistä. Huomattavasti suuremman haasteen turvallisuussuunnittelulle muodostavat erilaiset jäähdytysjärjestelmien häiriötilanteet, sekä polttoaineeseen kertyneiden radioaktiivisten isotooppien tuottama jälkilämpö. Polttoaineen jälkilämmön vuoksi reaktorin teho ei putoa välittömästi nollaan ketjureaktion katkaisemisen jälkeen, minkä vuoksi sydämessä on ylläpidettävä pientä vesikiertoa myös silloin, kun reaktori on sammutettu.

Kaukolämpöreaktorin matala käyttölämpötila ja -paine helpottavat ratkaisevasti jäähdytysjärjestelmien suunnittelua. Koska vesi kiertää reaktorin sydämestä lämmönvaihtimeen ilman sähkötoimisia pumppuja, myöskään poikkeuksellisiin käyttötilanteisiin ei liity rajuja nopeita muutoksia. Vesikierto on suljettu kokonaisuudessaan reaktoriastian sisälle, eikä primääripiiriin kytkeydy sellaisia putkia, joiden katkeaminen voisi aiheuttaa suuren jäähdytteenmenetysonnettomuuden. Vuototilanteisiin ei muutenkaan liity korkeapaineisia ilmiöitä.iii Koska reaktori on kooltaan pieni, myös polttoaineen jälkilämmöntuotto jää suhteellisen vähäiseksi. Sama pätee sydämen aktiivisuusinventaariin.

VTT:n reaktorikonseptissa jäähdytys ja jälkilämmönpoisto hoidetaan poikkeustilanteissa täysin passiivisesti ilman liikkuvia mekaanisia osia. Periaate on esitetty kuvassa 4. Reaktorimoduulin eri osat on erotettu fyysisesti toisistaan, mutta lämpö pääsee siirtymään johtumalla teräsrakenteiden läpi. Lämmönsiirron kannalta avainasemassa on reaktori- ja suoja-astian välinen tila, joka on täytetty osittain vedellä.

Reaktorin normaalissa toimintatilassa sydämessä muodostunut lämpö otetaan reaktoriastiasta ulos lämmönvaihtimen kautta. Häviöt pyritään vastaavasti minimoimaan. Kun primääripiirin vesi virtaa lämmönvaihtimen läpi, sen lämpötila laskee noin 85 asteeseen. Myös välitilassa reaktoriastian seinämän toisella puolella olevan veden lämpötila jää tällöin kiehumispisteen alapuolelle. Reaktorin toimiessa täydellä teholla alle prosentti sen tuottamasta lämmöstä pääsee karkaamaan ulkopuolella olevaan vesialtaaseen. Eristys ei ole täydellinen, mutta käyttötarkoitukseen riittävän hyvä.

Jos lämmönvaihtimen toiminta syystä tai toisesta katkeaa, lämpöenergia ei enää pääse kulkeutumaan reaktoriastiasta ulos normaalia reittiä pitkin. Veden lämpötila alkaa nousta, mikä kasvattaa myös lämpövirtaa reaktoriastian seinämän läpi. Välitilassa oleva vesi alkaa lämmetä, ja ennen pitkää myös kiehua. Muodostunut höyry täyttää suoja-astian ilmatilan, ja alkaa lauhtua viileää vesiallasta vasten olevalla seinämällä astian yläosassa. Tämä muodostaa tehokkaan lämmönsiirtoreitin ulos. Radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö saadaan näin siirrettyä polttoaineesta reaktori- ja suoja-astian läpi ilman sähkötoimisia pumppuja tai avautuvia venttiilejä. Lämpönieluna toimiva vesiallas kykenee vastaanottamaan jälkilämpöä vähintään useamman viikon ajan ennen kuin jäähdytykseen tarvitsee puuttua aktiivisin toimenpitein.iv

Pohjimmiltaan passiivisessa jäähdytyksessä on siis kyse siitä, että polttoaineessa syntyvälle lämmölle järjestetään luontainen reitti reaktorista ulos. Normaalissa toimintatilassa jäähdytykseen käytetään tehokkaampaa järjestelmää, tässä tapauksessa lämmönvaihdinta, jonka toisiopuolen vesikiertoa ylläpidetään sähkötoimisilla pumpuilla. Niin kauan kuin lämmönvaihdin on toiminnassa, energia saadaan reaktorista hyötykäyttöön. Myös passiivinen lämmönsiirtoreitti pysyy tällöin kiinni. Häiriötilanteessa reaktori palaa kuitenkin aina luontaiseen tilaansa, jossa lämpö siirtyy ulos ilman ulkoista käyttövoimaa.

Passiivinen jäähdytys.

Kuva 4: Passiivinen jäähdytys VTT:n kaukolämpöreaktorissa. Normaalissa toimintatilassa (vasen) lämmönvaihtimesta sydämeen virtaavan veden lämpötila on noin 85ºC. Reaktori- ja suoja-astian välisessä tilassa oleva vesi on tällöin kiehumispisteen alapuolella. Lämpövirta reaktorista altaaseen jää pieneksi. Häiriötilanteessa (oikea) lämmönvaihdin lakkaa toimimasta, jolloin lämpötila reaktoriastian alaosassa alkaa nousta. Lämmön siirtyessä reaktoriastian seinämän läpi myös välitilassa oleva vesi alkaa lämmetä, ja lopulta kiehua. Muodostunut höyry kohoaa suoja-astian ilmatilaan, ja lauhtuu takaisin vedeksi viileää ulkoseinämää vasten. Polttoaineessa muodostuva jälkilämpö pääsee tällöin kulkeutumaan reaktoriastian sisältä lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen.

Esimerkkejä turvallisuusanalyyseistä

Suunnitteluvaiheessa reaktorille tehtiin erilaisia laskennallisia analyysejä, joissa käytettyjä menetelmiä ja työkaluja on esitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Näillä analyyseillä haluttiin ennen kaikkea tarkastella passiivisen lämmönsiirtojärjestelmän toimivuutta erilaisissa käyttö- ja häiriötilanteissa. Yksi tarkastelluista skenaarioista oli täydellinen sähköverkon menetys (station black-out, SBO), joka oli myös kymmenen vuotta sitten tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden taustalla.v

Kaukolämpöreaktorin kannalta sähköverkon menetys tarkoittaa sitä, että välipiirin vettä kierrättävät pumput pysähtyvät, minkä jälkeen reaktori siirtyy itsestään passiiviseen lämmönsiirtomoodiin. Tilanne simuloitiin VTT:n Apros-ohjelmalla. Reaktorin toiminnan estävä käyttöhäiriö johtaa tavallisesti myös automaattiseen pikasulkuun, jossa ketjureaktio katkaistaan pudottamalla säätösauvat sydämeen. Sähköverkon menetys simuloitiin myös ilman pikasulkua nk. ATWS-tilanteena (Anticipated Transient Without Scram). Säätösauvojen pudottamisen sijaan reaktorin teho katkeaa tällöin omia aikojaan negatiivisiin takaisinkytkentöihin.

Analyysien tuloksia on esitelty kuvassa 5. Reaktorin teho putoaa pikasulun jälkeen nopeasti jälkilämmön tasolle. Sammuttamisen hetkellä polttoaineen radioaktiivinen hajoaminen lämmittää vettä reilun kolmen megawatin teholla. Parin tunnin kuluttua sammuttamisesta jälkilämpöteho on laskenut alle puoleen megawattiin. Koska polttoaineen tuottama energia ei siirry enää lämmönvaihtimen kautta ulos, veden lämpötila reaktoriastiassa alkaa nousta. Suoja-astian välitilassa olevan veden lämpötila seuraa perässä.

Lämpötilat jatkavat nousuaan noin kuuden tunnin ajan, aina siihen saakka, että välitilassa oleva vesi alkaa kiehua. Kun lämmönsiirto altaaseen tehostuu, lämpötila reaktoriastian sisällä kääntyy aluksi laskuun, ja asettuu sitten 115–120°C tienoille. Reaktori siis hakeutuu itsestään sellaiseen tilaan, jossa lämpö siirtyy passiivisesti ulos. Reilun kolmen vuorokauden jälkeen polttoaineen jälkilämmöntuotto on pudonnut jo niin alas, että lämpötilat reaktori- ja suoja-astian sisällä alkavat laskea. Simulaatio kestää yhteensä viikon. Tässä ajassa lämpönieluna toimivan vesialtaan lämpötila ehtii nousta 20 asteella.

ATWS-skenaariossa ketjureaktio ei katkea pikasulkuun. Negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta reaktori kuitenkin sammuttaa itse itsensä lämpötilojen kääntyessä nousuun. Polttoaineen lämmöntuotto putoaa tällöin jälkilämmön tasolle. Kuuden tunnin kuluttua lämpötilat ovat laskeneet niin alas, että ketjureaktio käynnistyy uudelleen. Tehokäyrässä näkyy muutama heilahdus, kun fissioteho seuraa veden lämpötilan muutoksia. Reaktori asettuu lopulta tilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Korkeampi tehotaso saa myös altaan veden lämpenemään nopeammin. Lämpötila ei viikon mittaisella tarkastelujaksolla silti kohoa niin korkeaksi, että polttoaineen jäähdytys vaarantuisi.vi

Esimerkkituloksia.

Kuva 5: Reaktorin teho ja lämpötilat täydellisen sähköverkon menetyksen jälkeen. (a) Reaktorin tuottama lämpöteho; (b) Veden lämpötila reaktoriastian sisällä; (c) Veden lämpötila reaktori- ja suoja-astian välisessä tilassa; (d) Veden lämpötila lämpönieluna toimivassa vesialtaassa. ATWS-skenaariossa reaktorin pikasulku epäonnistuu, ja ketjureaktio katkeaa omia aikojaan negatiivisiin takaisinkytkentöihin. Simulaatiot on tehty VTT:n Apros-ohjelmalla.

Suunnittelu jatkuu

VTT:n kaukolämpöreaktorin esisuunnitteluvaiheen tavoitteena oli ennen kaikkea kehittää toimiva peruskonsepti. Komponenttien suunnittelua ei vielä ole viety yksityiskohtaiselle tasolle, minkä vuoksi esimerkiksi lämmönvaihtimen suorituskykyyn liittyy edelleen tiettyjä epävarmuuksia. Tuntemattomia tekijöitä on huomioitu jättämällä suunnitteluun niin suuria marginaaleja, että reaktorin jatkokehitys ei vaarannu vaikka yksittäisten parametrien arvioinnissa olisi tehty virheitä. Työ jatkuu tarkentavilla analyyseillä ja suunnittelun optimoinnilla. Meneillään olevissa selvityksissä tarkastellaan esimerkiksi reaktorin toimintaa todellisessa käyttötilanteessa, jossa kaukolämpöverkon lämpötila seuraa sään ja ulkolämpötilan vaihtelua.

Kaukolämpöreaktorihankkeen toteuttamiskelpoisuus riippuu ratkaisevasti siitä, minkälaiselle tasolle tuotetun lämmön hinta asettuu. Teknistaloudellisissa tarkasteluissa ydinenergia on jo yleisellä tasolla todettu varteenotettavaksi vaihtoehdoksi fossiilisille polttoaineille, joten perusedellytykset hankkeen onnistumiselle ovat olemassa. VTT:n reaktorikonseptin osalta pääoma- ja käyttökustannusten arviointi on edelleen käynnissä. Arviot tarkentuvat teknisen suunnittelun edetessä. Kilpailukykyyn vaikuttaa olennaisesti myös lämpömarkkinan kehitys. Hallituksen päätöksen mukaan kivihiilen energiakäytöstä tullaan luopumaan vielä tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Myös turpeen käytön nopeasta alasajosta on tehty kansalaisaloite. Lämpöenergian tuotantotavoissa on siis joka tapauksessa odotettavissa suuria muutoksia.

Yksi ydinkaukolämmön eduista on se, että lämmön jakeluun voidaan käyttää olemassa olevaa infrastruktuuria. Lämpöenergiaa ei kuitenkaan ole mahdollista siirtää pitkiä matkoja kustannustehokkaasti, vaan tuotanto on saatava lähelle kulutusta. Jotta reaktori voisi toimia kaupungin tai tiheästi asutun taajaman läheisyydessä, turvallisuus on saatava sellaiselle tasolle, että suuren radioaktiivisen päästön mahdollisuus voidaan käytännössä sulkea pois. Pieni yksikkökoko ja passiiviset järjestelmät edesauttavat tavoitteen saavuttamista, mutta korkean turvallisuustason osoittaminen vaatii silti paljon työtä.

Suurimmat haasteet eivät myöskään välttämättä liity turvallisuustekniseen luvitukseen, vaan ydinkaukolämmölle on saatava myös yleinen hyväksyntä. Ajatus kaupunkireaktorista voi tuntua vieraalta, sillä perinteiset sähköä tuottavat ydinvoimalaitokset elävät omaa elämäänsä jossain kaukana poissa kaupunkilaisten silmistä ja mielistä.

Aivan ennenkuulumattomasta ajatuksesta ei kuitenkaan ole kyse. Megawattiluokan ydinreaktoreita on nimittäin rakennettu esimerkiksi yliopistojen kampusalueille. Münchenin yliopiston kampuksella Saksan Garchingissa toimii 20 megawatin tutkimusreaktori. Kaupungissa on yli 15,000 asukasta, ja Münchenin lentokentälle ja lähimmille tiheästi asutuille esikaupunkialueille on reaktorilta alle kymmenen kilometrin matka. Ranskan Grenoblessa toimii vielä suurempi 58 MW:n reaktori. Reaktoria operoiva tutkimuslaitos sijaitsee aivan 160,000 asukkaan kaupungin keskustassa.vii


i) Ydinvoimalat ovat lämpövoimaloita, joissa reaktorin tuottama lämpöenergia muutetaan turbiinikierrossa mekaaniseksi energiaksi, ja generaattorissa edelleen sähköksi. Prosessin hyötysuhdetta rajoittavat termodynamiikan lait, minkä vuoksi tuotannon yhteydessä syntyy paljon hukkalämpöä. Suomen nykyinen kaukolämmöntarve olisi määrällisesti katettavissa jo Loviisan ja Olkiluodon nykyisten reaktoreiden hukkalämmöllä. Käytännössä ydinvoimaloiden yhteistuotantokäyttöä vaikeuttaa kuitenkin se, että laitospaikkakuntien läheisyydessä ei ole suuria kaupunkeja, jotka kykenisivät lämmön hyödyntämään. Ydinvoimalaitoksia käytetään sähkön ja lämmön yhteistuotantoon erityisesti Venäjällä. Viime vuosia ydinlämpöä on alettu hyödyntää myös Kiinassa. Shandongin provinssissa sijaitseva Haiyangin ydinvoimalaitos kytkettiin kaupungin kaukolämpöverkkoon marraskuussa 2020. Yhteistuotantokäytön lisäksi Kiinassa kehitetään myös erityisesti lämmöntuotantoon soveltuvaa matalan lämpötilan reaktoriteknologiaa.

ii) Perinteisissä kevytvesilaitoksissa reaktori tuottaa tuhansia megawatteja lämpötehoa, josta reilu kolmannes saadaan muunnettua sähköksi. Reaktorin käyttölämpötila on tavallisesti yli 300°C. Kiehutusvesireaktorit toimivat 70 baarin ja painevesireaktorit 120-150 baarin paineessa.

iii) Perinteisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa vesikiertoa ylläpidetään sähkötoimisilla pumpuilla, joiden toiminta voi estyä esimerkiksi sähköverkon vikaantuessa. Pumpun pysähtyessä veden virtaus sydämeen katkeaa. Onnettomuustilanne voi saada alkunsa myös putkivuodosta. Reaktorit toimivat niin korkeassa paineessa, että suuren jäähdytysvesiputken katketessa primääripiiri pyrkii avatun kuohuviinipullon tapaan tyhjentymään nopeasti vedestä. Tällaisten tilanteiden varalta reaktoreihin on suunniteltu erilaisia hätäjäähdytysjärjestelmiä, jotka ylläpitävät sydämen vesikiertoa ja estävät polttoaineen ylikuumenemisen. Korkean turvallisuustason varmistamiseksi hätäjäähdytysjärjestelmille on määritelty tiukkoja vikakriteerejä, eli myös varajärjestelmien vikaantuminen on huomioitava reaktorin turvallisuussuunnittelussa.

iv) VTT:n kaukolämpöreaktori muistuttaa ulkoisesti amerikkalaisen NuScale-yhtiön kehittämää pienreaktoria. Molemmissa konsepteissa primääripiirin virtaus toimii luonnonkierrolla, ja reaktorimoduuli muodostuu korkeista sisäkkäisistä paineastioista, jotka on sijoitettu lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen. Sähköntuotantokäyttöön suunnitellun NuScalen toimintalämpötila on kuitenkin sen verran korkea, että lämpöhäviöiden hillitsemiseksi reaktori- ja suoja-astian välinen tila on pidettävä tyhjänä vedestä. Reaktori toimii ikään kuin eristävän termospullon sisällä. Passiivinen lämmönsiirto käynnistetään avaamalla reaktoriastian ylä- ja alaosassa olevat venttiilit, jolloin välitila pääsee täyttymään vedellä ja lämpöeristys rikkoutuu.

v) Perinteisissä ydinvoimalaitoksissa reaktorin jälkilämmön poistoon käytetään erilaisia sähkötoimisia järjestelmiä. Koska kyse on turvallisuuden kannalta kriittisistä toiminnoista, vesikiertoa ylläpitävien pumppujen toiminta on varmistettu dieselgeneraattoreilla ja muilla varajärjestelmillä. Fukushimassa perimmäinen ongelma oli varajärjestelmien turvallisuussuunnittelu, joka edusti 1960-luvulta peräisin olevaa käsitystä riskeistä. Laitosalueelle vyörynyt maanjäristyksen aiheuttama tsunami tuhosi neljällä laitosyksiköllä kaikki dieselgeneraattorit, jotka oli sijoitettu rakennusten kellaritiloihin. Sähkönsyötön menetyksen jälkeen radioaktiivisen hajoamisen tuottamaa jälkilämpöä ei saatu enää siirrettyä reaktoreista ulos. Myöhemmin valmistuneissa laitoksissa sähkönsyötön varajärjestelmille on asetettu tiukempia vaatimuksia esimerkiksi erilaisten yhteisvikojen osalta. Yksittäinen alkutapahtuma ei saa johtaa kaikkien varajärjestelmien samanaikaiseen menetykseen. Passiivisesti turvallisissa laitoksissa sähkönsyötön ongelmat on kierretty suunnittelemalla jäähdytysjärjestelmät sellaisiksi, että jälkilämmön poistoon ei tarvita lainkaan ulkoista käyttövoimaa.

vi) Käytännössä pikasulun epäonnistuminen on erittäin epätodennäköistä. Säätösauvat putoavat reaktoriin painovoiman vaikutuksesta, kun niitä kannattelevien sähkömagneettien käämeissä kulkeva virta katkeaa. Reaktorin sammuttamiselle on asetettu lisäksi vikasietoisuusvaatimus, jonka mukaan ketjureaktion katkaisemiseen on varattava myös toisenlaiseen teknologiaan perustuva järjestelmä. Käytännössä tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi ruiskuttamalla neutroneita absrboivaa booria sisältävää vettä esipaineistetusta säiliöstä reaktorin jäähdytyskiertoon. ATWS-skenaariot ovat turvallisuusanalyyseissä eräänlaisia onnettomuustilanteiden laajennuksia. Vaikka tässä esitetty skenaario, jossa reaktori jää viikoksi käyntiin ilman hallintaa, ei välttämättä ole erityisen realistinen, se toimii hyvin esimerkkinä havainnollistamaan ydinreaktorin toiminnan perusluonnetta. Ketjureaktio on stabiili prosessi. Vaikka laitoksen hallinta menetetään täysin, reaktori asettuu tasapainotilaan, eikä teho lähde itsestään karkaamaan.

vii) Myös Aalto-yliopiston kampuksella Otaniemessä toimi vuoteen 2015 saakka VTT:n käytössä ollut FiR 1 -tutkimusreaktori. Garchingin ja Grenoblen reaktoreihin verrattuna FiR 1 oli kuitenkin kooltaan varsin pieni, sillä sen fissioteho oli vain 250 kilowattia.

2 vastausta artikkeliin “Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 3”

  1. Todella hyvä ja selkeä kirjoitus, joka aukeaa hyvin maallikollekin! Jakoon menee ja opetuskäyttöön!
    Yt. Jari Visto, kestävän kehityksen kouluttaja

    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