Jaakko Leppänen – 2.11.2021
Espoon Otaniemessä toteutettiin vuodenvaihteessa 2020–2021 poikkeuksellinen operaatio, kun käytöstä poistetun FiR 1 -tutkimusreaktorin polttoaine siirrettiin Aalto-yliopistosta kuorma-autoilla Vuosaaren satamaan, ja sieltä laivakuljetuksena Yhdysvaltoihin.i Tiukkojen turvajärjestelyjen vuoksi kuljetuksesta kerrottiin julkisesti vasta kun toimitus oli jo perillä. Tarkkasilmäiset MarineTraffic -palvelun seuraajat tosin huomasivat ydinpolttoaineen kuljetukseen rekisteröidyn aluksen saapuneen Suomeen jo jouluaattona.
Polttoainesauvat toimitettiin Yhdysvaltain geologisen tutkimuskeskuksen Denverin yksikköön, missä toimii vastaava TRIGA Mark II -sarjan reaktori. Vaikka tarpeettomaksi jäänyt polttoaine luokiteltiin Suomessa korkea-aktiiviseksi ydinjätteeksi, siinä oli vielä runsaasti käyttökelpoista uraania jäljellä. Denverin TRIGA-reaktorissa sen käyttö tulee näillä näkymin jatkumaan vuoteen 2035 saakka. Polttoaineen palautus Yhdysvaltoihin käänsi Otaniemen reaktorin historiassa viimeisen lehden. Reaktorilaboratorion muiden tilojen purkaminen viedään päätökseen tulevien vuosien aikana.
Vuoteen 2015 saakka toiminnassa ollut FiR 1 ei kuitenkaan ollut Suomen ensimmäinen ydinreaktori. Ennen sen käyttöönottoa Otaniemen kampuksella oli nimittäin toiminut jo neljän vuoden ajan alikriittinen koereaktori, jota kutsuttiin myös eksponentiaalimiiluksi. FiR 1:een verrattuna miilun tarina on selvästi vähemmän tunnettu. Kyse oli kuitenkin merkittävästä koelaitteesta Suomen ydinenergia-alan historiassa. Miilun tarina juontaa juurensa 1950-luvulle, jolloin ydintekniikka alkoi kylmän sodan keskellä vapautua siviilipuolen käyttöön.
Reaktoriteknologian varhainen kehitys
Ensimmäiset ydinreaktorit rakennettiin toisen maailmansodan jälkipuoliskolla Manhattan-projektin, eli liittoutuneiden ydinaseohjelman tarpeisiin. Reaktoreissa valmistettiin uutta keinotekoista alkuainetta, plutoniumia, jota käytettiin ydinpommien raaka-aineena. Kehitys tapahtui salassa, ja vei kaikkiaan vain muutaman vuoden. Itseään ylläpitävä ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran joulukuussa 1942. Nobel-palkitun fyysikon Enrico Fermin vetämän tutkimusryhmän suunnittelema reaktori oli kasattu Chicagon yliopiston urheilukentän alla sijaitsevalle vanhalle squash-kentälle. Uraaniytimen halkaiseva fissioreaktio oli löydetty Saksassa vasta neljä vuotta aikaisemmin.
Kun ketjureaktion toimintaperiaate oli saatu demonstroitua, reaktoriteknologian kokeellinen tutkimus alkoi keskittyä Tennesseen osavaltioon perustettuun Oak Ridgen laboratorioon. Lyhyen pilottivaiheen jälkeen ydinmateriaalin tuotannossa siirryttiin teolliseen mittakaavaan, kun Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordissa otettiin käyttöön kolme plutoniumintuotantoreaktoria vuosina 1944–1945. Hanfordin reaktorit olivat nykymittapuulla arvioituna varsin alkeellisia, mutta ne tuottivat energiaa jo satojen megawattien teholla.
Tieto ydinaseiden olemassa olosta pidettiin visusti salassa aina Hiroshiman ja Nagasakin atomipommituksiin saakka. Toinen maailmansota päättyi Japanin antautumiseen syyskuussa 1945. Vaikka reaktoriteknologia oli alun perin kehitetty ydinasemateriaalin tuotantoon, reaktoreille alkoi heti sodan jälkeen löytyä käyttökohteita myös siviilipuolelta. Ketjureaktiossa syntyneitä neutroneita hyödynnettiin fysiikan perustutkimuksessa. Ydinreaktoreilla voitiin myös valmistaa uusia radioaktiivisia isotooppeja lääketieteen ja teollisuuden tarpeisiin.
Uuden teknologian houkuttelevin käyttökohde oli kuitenkin energiantuotanto. Sodan jälkeinen jälleenrakennuskausi johti monessa maassa nopeaan teollistumiseen, joka vaati jatkuvasti lisää energiaa. Yhdysvalloissa mielenkiinto suuntautui jo vuosikymmenen vaihteessa väkevöidyllä uraanilla toimiviin kevytvesireaktoreihin. Ensimmäiset painevesityyppiset reaktorit kehitettiin sukellusveneiden voimanlähteiksi. Pidemmälle tulevaisuuteen tähtäävissä suunnitelmissa häämöttivät plutoniumilla toimivat nopeat hyötöreaktorit, jotka kykenivät jatkuvasti uudistamaan oman polttoaineinventaarinsa.
Ydintekniikan kehitys oli nopeaa myös USA:n liittolaismaissa. Kanadan Ontarioon perustetussa Chalk Riverin tutkimuslaboratoriossa kehitettiin raskasvesiteknologiaa jo Manhattan-projektin aikana. Kanadan ensimmäinen ydinreaktori ZEEP (Zero Energy Experimental Pile) aloitti toimintansa vain muutama päivä toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. Manhattan-projektin riveissä työskennelleet eurooppalaiset tutkijat toivat reaktoriteknologian mukanaan palattuaan sodan jälkeen kotiin, ja kehitys lähti etenemään nopeasti myös Iso-Britanniassa ja Ranskassa. Neuvostoliitto pidettiin ulkona länsiliittouman ydinaseohjelmasta, mutta Manhattan-projektissa toimineet vakoojat saivat toimitettua niin paljon teknistä materiaalia Moskovaan, että maa oli sodan jälkeen kehityksessä vähintään samalla viivalla Iso-Britannian ja Ranskan kanssa.
Atomit rauhan asialla
Toisen maailmansodan päättyessä Yhdysvallat oli maailman ainoa ydinasevaltio. Monopoliasema jäi kuitenkin lyhytaikaiseksi. Neuvostoliitto teki ensimmäisen ydinkokeensa vuonna 1949, ja seuraavilla vuosikymmenillä myös Iso-Britannia, Ranska ja Kiina liittyivät ydinasevaltioiden joukkoon. Myös ydinaseiden tuhovoima kasvoi nopeasti. 1950-luvulla kehitetyt vetypommit vastasivat voimakkuudeltaan satoja tai jopa tuhansia Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettuja fissiopommeja. Jännite suurvaltojen välillä kasvoi, ja ydinaseiden leviäminen maailman jokaiseen kolkkaan alkoi näyttää hyvinkin konkreettiselta uhkakuvalta.
Globaalin ydinsodan uhan liennyttämiseksi Yhdysvaltain presidentti Dwight D. Eisenhower piti joulukuussa 1953 järjestetyssä YK:n yleiskokouksessa puheen, jossa ehdotettiin teknologiayhteistyön avaamista kaikille jäsenvaltioille. Ajatus oli, että pidättäytymällä aseteknologian kehittämisestä ydinaseettomat maat pääsisivät osallisiksi rauhanomaisen ydinenergiantuotannon hyödyistä. Ydinasevaltiot puolestaan lupautuisivat olemaan toimittamatta aseteknologiaa ydinaseettomille maille. Samojen ajatusten pohjalta perustettiin myös Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA neljä vuotta myöhemmin.
Eisenhowerin Atoms for Peace -puheen taustamotiivit eivät olleet täysin vilpittömät. Yhdysvalloissa ymmärrettiin, että ydinenergiasta kiinnostuneet maat saataisiin parhaiten pidettyä ulkona Neuvostoliiton vaikutuspiiristä sitouttamalla ne länsimaiseen teknologiaan. Avoimuuden lisääminen antaisi myös paremmat mahdollisuudet seurata kehitystä rautaesiripun toisella puolen. Suurvaltojen välistä asevarustelukierrettä ei saatu katkaistua, mutta ydinaseettomille maille teknologiayhteistyön avautuminen tarjosi paljon uusia mahdollisuuksia. Ydinteknologia alkoi levitä nopeasti myös sellaisiin maihin, jotka olivat aikaisemmin olleet kehityksestä sivussa.
Suomessa ensimmäiset konkreettiset selvitykset ydinenergian hyödyntämisestä aloitettiin 1950-luvun puolivälissä Teknillisen korkeakoulun professorin Erkki Laurilan johdollla. Yhteiskunta oli nopeasti teollistumassa, energian kulutus kasvoi jatkuvasti, ja Suomen suurten jokien kosket oli pian valjastettu vesivoiman tuotantoon. Uuden energiamuodon hyödyntäminen vaikutti luontevalta askeleelta tulevaisuuteen. TKK:lla alettiin valmistelemaan ydinenergiatekniikan opetusta, minkä lisäksi lainsäädäntöä ja viranomaistoimintaa päivitettiin ajan tasalle. Tukea saatiin myös teollisuuden suunnalta. Sellu- ja paperiteollisuusyritysten perustama Voimayhdistys Ydin alkoi jakaa stipendejä ydintekniikan opintoihin Yhdysvalloissa. Suomalaisia asiantuntijoita koulutettiin esimerkiksi Argonnessa ja Oak Ridgessä.
Kokeellinen tutkimus käynnistyy
Vuonna 1957 Voimayhdistys Ydin päätti lahjoittaa TKK:lle alikriittisen ydinreaktorin, jota kutsuttiin myös eksponentiaalimiiluksi, tai lyhyemmin vain miiluksi.ii Vastaavia koelaitteita käytettiin 1950-luvulla yleisesti reaktoritutkimuksen perustyökaluina. Alikriittisessä reaktorissa ketjureaktio ei toimi itseään ylläpitävässä tilassa, vaan reaktori tavallaan monistaa ulkoisen lähteen tuottamaa neutronisuihkua. Vaikka toimintaperiaate poikkesi energiantuotantoon käytetyistä reaktoreista, miilulla voitiin tarkastella monia vastaavia neutronien kulkeutumiseen liittyviä ilmiöitä.
Miilu valmistui pitkälti kotimaisella osaamisella, joskin sen ydintekniset komponentit jouduttiin tilaamaan ulkomailta. Polttoaineena käytettiin Iso-Britanniasta hankittua luonnonuraania. Uraani toimitettiin Ahlströmin Varkauden konepajalle tuuman paksuisina tankoina, jotka kapseloitiin 140 senttimetriä pitkien alumiiniputkien sisälle. Puhdas uraani ei ole niin radioaktiivista, että sen käsittely edellyttäisi erityisiä säteilysuojelutoimenpiteitä. Polttoainesauvojen valmistusta vaikeutti kuitenkin se, että uraani toimitettiin metallisessa olomuodossa. Metallinen uraani on pyroforinen aine, joka voi syttyä itsestään palamaan päästessään kosketuksiin ilman kanssa.
Reaktori muodostui 150 cm leveästä ja 170 cm korkeasta sylinterimäisestä vesitankista, jonka sisälle voitiin asettaa 112 polttoainesauvaa erilaisiin geometrioihin. Neutronilähde oli sijoitettu reaktoritankin alle, ja ympäröity grafiitilla. Miilun käyttöehdoissa neutronien monistusta mittaavan kasvutekijän maksimiarvoksi oli määritetty 0.97. Vesitankkiin upotetut polttoainesauvat olisivat tällöin vahvistaneet lähteen tuottaman neutronisuihkun noin 30-kertaiseksi. Käytännössä kasvutekijä ja monistuskerroin jäivät vielä tässä vaiheessa paljon maksimiarvojen alapuolelle.iii
Miilu kasattiin Otaniemen uudelle kampusaluelle Teknillisen fysiikan osastoa vastapäätä rakennettuun puuparakkiin alkuvuonna 1958. Yliopisto toimi vielä pääosin Vanhalla Polilla Hietalahden torin laidalla Helsingissä. Presidentti Kekkonen vihki miilun käyttöön saman vuoden toukokuussa. Otaniemeen on kampusalueen perustamisen jälkeen noussut niin paljon uusia rakennuksia, että miiluparakin sijainti ei vanhoja valokuvia tai alueen nykyistä karttaa silmäillessä ole aivan ilmeinen. Rakennus purettiin vuonna 1976 Teknillisen fysiikan osaston laajennusosan tieltä. Suunnilleen samoissa koordinaateissa sijaitsi omana opiskeluaikanani fyysikkokillan kiltahuone, sekä luentosali F1. Nykyisin paikalla oleva rakennus tunnetaan Terveysteknologian talona.
Miilua käytettiin 1950–1960 -lukujen vaihteessa aktiivisesti ydintekniikan kursseilla opetus- ja havainnointivälineenä. Oppilastöiden aiheissa vilahtelee tuttuja, joskin jo hieman vanhahtavia termejä, kuten reaktorin kupevuuden, termisen käyttösuhteen sekä migraatioalan mittaukset. Reaktorilla tehtiin myös useita opinnäytetöitä. Osa töiden otsikoista voisi hyvinkin olla myös tältä vuosikymmeneltä. Esimerkiksi diplomi-insinööri Koskisen lisensiaatintyössä selvitettiin heterogeenisten reaktoreiden anisotrooppisia polttoainejakaumia. Vastaavia analyysejä tehdään nykyisin laskennallisen mallinnuksen keinoin.
Kuva 1: Kuvia miilun alkutaipaleelta. a) Uraanitankojen kapselointi Ahlströmin konepajalla Varkaudessa; b) Puinen miiluparakki Otaniemessä; c) Polttoainesauvoista muodostuva reaktorin sydän vesitankissa; d) Presidentti Kekkonen seuraamassa miilun vihkiäisiä 22.5.1958.
Kuva 2: Miilun sijainti Aalto-yliopiston kampusalueella Otaniemessä. Vasemmanpuoleiseen kaaviokuvaan on piirretty FiR 1 -reaktorin ja alikriittisen miilun (sub-critical assembly) sijainti entisen Teknillisen fysiikan osaston vanhan siiven vieressä. Vihreäkattoinen reaktorirakennus erottuu selvästi myös oikeanpuolimmaisesta ilmakuvasta. Miilun paikalla on nykyisin rakennuksen laajennusosa.
Kuva 3: Havainnekuva miilurakennuksen sisältä. Kuvasta on jätetty selvyyden vuoksi pois reaktoritankin yläpuolelle sijoitetut tukirakenteet, joita käytettiin polttoainesauvojen ripustukseen. Värimaailman ja pintamateriaalien osalta visualisoinnissa on käytetty mielikuvitusta. Miilurakennuksen sisältä on vain muutama mustavalkoinen valokuva.
Uusi sydän
Miilu toimi alkuperäisellä sydämellä vuoteen 1964 saakka, jolloin Neuvostoliitosta saatiin uutta polttoainetta, jossa uraanin väkevöintiaste oli nostettu kymmeneen prosenttiin. Väkevöidyt “EK-10” -polttoainesauvat poikkesivat ulkomitoiltaan niin paljon vanhoista, että koko reaktorin perusrakenne päätettiin suunnitella uusiksi. Muodoltaan lyhyet ja ohuet polttoainesauvat liitettiin pareittain yhteen Ahlströmin Varkauden konepajalla. Vanhat luonnonuraanisauvat lähetettiin Ruotsiin ASEA:lle. Vastineeksi saatiin sama määrä uraania uusia polttoainesauvoja vastaavissa mitoissa. Luonnonuraani- ja väkevöidyistä polttoainesauvoista koottiin 25 sauvan elementtejä, jotka muodostivat reaktorin uuden sydämen.
Helposti fissioituvan U235-isotoopin pitoisuus on luonnonuraanissa niin matala, ettei ketjureaktio olisi edes teoriassa voinut käynnistyä vanhassa sydämessä. Uusi väkevöity polttoaine mahdollisti reaktorin kasvutekijän nostamisen lähemmäs kriittisyysrajaa, mikä kasvatti reaktorin neutronimonistuskerrointa, mutta toi mukanaan myös uusia haasteita. Reaktorilla tehdyt muutokset eivät siis olleet ainoastaan rakenteellisia, vaan myös toimintatapoja ja turvallisuusperiaatteita jouduttiin tarkentamaan. Reaktorille hankittiin myös uusi instrumentteja, mukaan lukien voimakkaampi neutronilähde. Reaktoritankki vaihdettiin kooltaan pienempään astiaan, ja sen ympärille rakennettiin korotettu lava työskentelyä helpottamaan. Reaktoritankkiin asennettiin myös lämmitysvastukset, mikä mahdollisti esimerkiksi erilaisten reaktiivisuuskertoimien määrittämisen.iv
Kirjoituksen alussa mainittu amerikkalaisvalmisteinen FiR 1 -reaktori valmistui viereiseen rakennukseen vuonna 1962. Uudistuksista huolimatta miilu kävikin lopulta tutkimuslaitteena tarpeettomaksi. Käyttö loppui vuoteen 1973 mennessä, ja kolme vuotta myöhemmin puinen miiluparakki sai tehdä tilaa Teknillisen fysiikan osaston uudelle siivelle.
Kuva 4: Havainnekuva miilun polttoaineesta. Vasemmalla vanhantyyppinen polttoainesauva, joka koostui alumiiniputken sisälle kapseloiduista tuuman paksuisista uraanitangoista. Oikealla uuden sydämen polttoaine-elementti, joka oli kasattu 25 ohuemmasta polttoainesauvasta.
Myöhemmät vaiheet
Miilun mekaaniset osat lahjoitettiin käyttökelpoisia mittalaitteita ja ydinteknisiä komponentteja lukuun ottamatta Tekniikan museolle. Väkevöityä uraania sisältävät polttoainesauvat siirrettiin reaktorilaboratorion holviin, ja luonnonuraanisauvat TKK:n laserlaboratoriossa olevaan kassakaappiin (samoissa tiloissa toimi myöhemmin VTT:n jodilaboratorio). Polttoaine ei reaktorin mitättömän pienen tehon vuoksi sisältänyt merkittäviä määriä korkea-aktiivisia fissiotuotteita. Uraaniin, ja erityisesti väkevöityyn polttoaineeseen liittyi kuitenkin ydinmateriaalivalvonnasta seuraavia velvoitteita.
Uraanipolttoaineelle löytyi neljä vuosikymmentä myöhemmin lopulta uutta käyttöä. Vuonna 2018 miilun polttoainesauvat lahjoitettiin Prahan Teknilliselle yliopistolle, missä ne tullaan aikanaan lataamaan alikriittiseen VR-2 -reaktoriin. Reaktori toimii miilun alkuperäisen käyttötarkoituksen tapaan tutkimus -ja opetusvälineenä.
Miilusta jäi yli myös neljä tonnia grafiittia, joka ympäröi reaktoriastian alapuolelle sijoitettua neutronilähdettä. Myöskään grafiittielementit eivät olleet aktivoituneet reaktorin käytön aikana, mutta uraanin tapaan myös reaktorilaatuinen erittäin puhdas grafiitti kuuluu ydinmateriaalivalvonnan piiriin. Materiaalin koostumuksesta ei hankintavaiheessa saatu tarkkaa tietoa, minkä vuoksi elementtejä säilytettiin monta vuosikymmentä lukitussa varastossa, joka sijaitsi Otaniemen yhteisväestönsuojan tiloissa Dipolin alapuolella.
Vuonna 2013 tehdyissä tarkemmissa selvityksissä grafiitin epäpuhtauspitoisuuksien todettiin ylittävän reippaasti reaktoriluokan grafiitille määrätyn valvottavuusrajan. Materiaali vapautettiin valvonnasta, ja väestönsuojan peruskorjauksen yhteydessä elementit siirrettiin lukittuun varastokonttiin Konalaan, ja sieltä myöhemmin kierrätykseen. Vuonna 2015 osa grafiittielementeistä päätyi osaksi kuvanveistäjä Crystal Bennesin modernin taiteen installaatiota ”One Hundred Thousand Cities of the Sun”.
Alikriittinen miilu ja FiR 1 -reaktori olivat aikanaan tärkeitä tutkimuslaitteita, joilla koulutettiin ensimmäinen suomalainen ydinenergiatekniikan asiantuntijasukupolvi. Tälle osaamiselle tuli käyttöä 1970-luvulla, kun Loviisaan ja Olkiluotoon alettiin rakentamaan ensimmäisiä kaupallisia ydinvoimalaitoksia. Erityisesti Neuvostoliitosta tilatun Loviisan laitoksen tarina pitää sisällään niin eriskummallisia juonenkäänteitä, että ilman vahvaa kotimaista osaamista lopputulos olisi voinut näyttää hyvinkin erilaiselta.
i) Edellisen kerran ydinjätettä on toimitettu ulkomaille 1990-luvun puolivälissä, kun Loviisasta palautettiin viimeinen käytetyn polttoaineen erä Venäjälle. Nykyisin ydinenergialaki edellyttää, että kaikki Suomessa syntynyt ydinjäte on loppusijoitettava pysyväksi tarkoitetulla tavalla maan rajojen sisäpuolelle. Otaniemen tutkimusreaktorin osalta laissa oli kuitenkin poikkeus, sillä reaktorin alkuperäiseen 1960-luvulla solmittuun toimitussopimukseen kuului optio palauttaa käytetty polttoaine aikanaan Yhdysvaltoihin. Sopimusneuvottelut ehtivät vuosien saatossa mutkistua, ja palautusvaihtoehdon rinnalla valmisteltiin pitkään myös geologista loppusijoitusta Posivan ydinjäteluolaan.
ii) Eksponentiaalimiilun nimi viittasi siihen, että alikriittisen reaktorin neutronitiheys laskee likimain eksponentiaalisesti kuljettaessa kauemmas neutronilähteestä.
iii) Reaktorin kasvutekijä on suhdeluku, joka kertoo kuinka monta uutta neutronia yksi reaktoriin syntynyt neutroni keskimäärin tuottaa seuraavassa sukupolvessa. Jos neutronisukupolven koko on 1000 neutronia ja kasvutekijä 0.97, niin seuraavaan sukupolveen syntyy neutroneita keskimäärin 0.97*1000 = 970 kappaletta. Nämä 970 neutronia synnyttävät kolmanteen sukupolveen edelleen 0.97*970 = 941 neutrona, neljänteen sukupolveen 912 neutronia, sitten 885, 859, ja niin edelleen. Matematiikassa lukujonoa, jonka peräkkäisten termien suhdeluku on vakio, kutsutaan geometriseksi sarjaksi. Sarja suppenee kun suhdeluku on alle ykkösen. Termien summaksi saadaan tällöin äärellinen luku. Kasvutekijän arvolla 0.97 tuhannesta neutronista alkunsa saaneen sarjan summaksi saadaan 33333, eli lähdetermi monistuu noin kertoimella 33.3.
iv) Reaktiivisuuskerroin kertoo miten reaktori vastaa toimintatilan muutoksen. Lämpötilan muutos vaikuttaa neutronien kulkeutumiseen ja sitä myöten ketjureaktion tilaan. Näillä reaktiivisuuden takaisinkytkennöillä on tärkeä rooli myös turvallisuuden kannalta. Negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta ketjureaktio toimii stabiilissa tilassa.
Fissioreaktori 
Jälleen kerran hyvä ja mielenkiinoinen kirjoitus, kiitos.
TykkääTykkää