Ketjureaktio käynnistyi Olkiluoto kolmosella

Jaakko Leppänen – 21.12.2021

Suomen viidennen ydinvoimalaitoksen käyttöönotossa saavutettiin maaliskuussa merkittävä virstanpylväs, kun Olkiluodon kolmosreaktoriin ladattiin ensimmäistä kertaa ydinpolttoainetta. Laitoksesta tuli samalla virallisen luokituksen mukainen käytössä oleva ydinvoimalaitos. Reaktori käynnistettiin ensimmäistä kertaa tiistaina 21.12.2021. Ketjureaktio saavutti itseään ylläpitävän tilan kello 3:22. Aikataulun mukaan voimalaitos on määrä kytkeä sähköverkkoon tammikuun lopulla. Jos käyttöönotto-ohjelma etenee suunnitelmien mukaan, säännöllinen sähköntuotanto voisi alkaa ensi kesänä.

Olen itse seurannut OL3 -hankkeen etenemistä käytännössä koko tähänastisen työurani ajan. Valmistuin diplomi-insinööriksi keväällä 2002, jolloin myös uusi ydinvoimalaitos sai eduskunnan periaatepäätösäänestyksessä vihreää valoa. Projektista käytettiin tuolloin lyhennettä FIN5, sillä laitoksen sijoituspaikaksi oli vielä kaksi vaihtoehtoa. Olkiluodon sijaan uusi reaktori oltaisiin voitu rakentaa myös Loviisan ydinvoimalaitosalueelle. Paikkavalinta lyötiin lukkoon seuraavana vuonna. Laitostoimittajaksi valittiin ranskalaisen Framatomen ja saksalaisen Siemensin muodostama konsortio, joka kehitti 1600 megawatin European Pressurized Water Reactor (EPR) -painevesireaktoria. Rakennustyöt pääsivät alkamaan heinäkuussa 2005.

Alkuvaiheen jälkeen hanke ei tunnetusti ole edennyt suunnitelmien mukaan. Alun perin laitoksen piti tuottaa sähköä verkkoon jo vuonna 2009, eli tavoitteesta ollaan reilusti yli kymmenen vuotta jäljessä. Projekti on kestänyt niin kauan, että moni on varmasti ehtinyt epäillä: valmistuuko suomen viides ydinvoimalaitos koskaan? Myös median huomio on keskittynyt lähinnä projektin ongelmiin. Hanke eteni rakentamisesta käyttöönottovaiheeseen vailla suurempaa huomiota. Otsikoita saatiin aikaiseksi lähinnä testeissä havaituista poikkeamista. Olkiluoto kolmosta on myös väitetty maailman kalleimmaksi rakennukseksi. Hintaan kuitenkin sisältyy paljon muutakin kuin viiden eduskuntatalon verran betonia. Minkälaisen ydinvoimalaitoksen Suomi on sitten pitkän odotuksen jälkeen lopulta saamassa?

Perinteistä kevytvesiteknologiaa

Olkiluoto-3 oli ensimmäinen EPR-mallin reaktori, jota alettiin rakentamaan. Ranskalaisten oma EPR-hanke Flamanvillessä käynnistyi kaksi vuotta myöhemmin, ja kahden vastaavan laitosyksikön rakentaminen aloitettiin Taishanin ydinvoimalaitoksella Kiinassa vuosina 2009–2010. Myös Iso-Britannian Hinkley Pointiin ollaan parhaillaan rakentamassa kahta EPR-laitosyksikköä. Olkiluodon tapaan myös ranskalaisten projekti on viivästynyt vuosilla alkuperäisestä aikataulustaan. Taishanin laitokset tuottavat kuitenkin jo sähköä verkkoon, eli aivan ainutlaatuisesta hankkeesta ei Olkiluodossakaan enää ole kyse.

Ydinteknologian historia jaetaan tavallisesti neljään sukupolveen. Kehityksen kaari ulottuu varhaisista prototyypeistä sellaisiin tulevaisuuden reaktoriteknologioihin, jotka eivät vielä ole laajamittaisessa käytössä. Loviisan ja Olkiluodon vanhat laitosyksiköt edustavat ydintekniikan toista sukupolvea. Tähän luokitukseen kuuluvat perinteiset paine- ja kiehutusvesireaktorit, jotka valloittivat markkinat 1970-luvulle tultaessa.

Olkiluodon EPR sekä Fennovoiman tilaama venäläinen AES-2006i sen sijaan kuuluvat jo seuraavaan teknologiasukupolveen. Kolmannen sukupolven reaktorit muistuttavat perusratkaisuiltaan perinteisiä toisen sukupolven laitoksia, mutta niiden suunnittelussa on lähtökohtaisesti otettu huomioon vuosien varrella kertyneitä käyttökokemuksia. Varsinaisen teknologiaharppauksen sijaan kyse on kuitenkin enemmän evolutiivisesta muutoksesta, minkä vuoksi myös sukupolvien välinen jako on jossain määrin häilyvä.

Perusratkaisuiltaan EPR on siis varsin tyypillinen painevesilaitos. Reaktorin ydintekninen puoli on kehitetty ranskalaisen Framatomen 1980-luvulla suunnitteleman N4-reaktorin pohjalta, joka on puolestaan pitkän, edellisille vuosikymmenille ulottuvan kehityslinjan tulos. Laitoksen turbiiniteknologia on lainattu konsortion toisen osapuolen, saksalaisen Siemensin kehittämistä Konvoi-laitoksista. Molemmat reaktorityypit ovat toimineet menestyksekkäästi, ja niitä on edelleen käytössä. EPR:ssä laitoskokoa on kasvatettu muutamalla sadalla megawatilla. Reaktori tuottaa 4300 MW fissiotehoa ja 1600 MW sähköä.

Ydinreaktorin polttoaineena käytettävä uraanioksidi on reaktorissa sormenpään kokoisina pelletteinä, jotka on suljettu pitkien kaasutiiviiden metallikuoristen polttoainesauvojen sisälle. Sauvat on edelleen kasattu suurempiin nippuihin, jotka muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Yksittäisessä EPR-polttoainenipussa on 265 metallikuorista uraanisauvaa. Nipun halkaisija on vajaa 22 senttimetriä ja korkeus reilu neljä metriä. Sydämessä on yhteensä 241 nippua, ja uraanin kokonaismäärä on vajaa 128 tonnia.

Reaktorin käynnistämiseen, sammuttamiseen ja tehon säätöön käytetään neutroniabsorbaattoria sisältäviä säätösauvoja, jotka työntyvät polttoainenipuissa oleviin ohjausputkiin. Painevesireaktoreissa säätöön käytetään myös veteen liuotettua boorihappoa, jonka pitoisuutta muuttamalla voidaan vaikuttaa reaktorin neutronitasapainoon. Booripitoisuutta laimentamalla kompensoidaan erityisesti polttoaineen kulumista.

Polttoainenippu

Kuva 1: Länsimaisen painevesireaktrorin polttoainenippu. Uraanioksidia sisältävät polttoainesauvat on tyypillisesti asetettu 17×17 sauvan neliöhilaan. 24 sauvapaikkaa on korvattu ontoilla ohjausputkilla, joihin reaktorin säätösauvat (oikealla) työntyvät. Tässä mallissa nipun keskimmäinen sauvapaikka on varattu instrumentoinnille. Lähde: www.world-nuclear.org.

Reaktorin sydän on suljettu paksuseinämäisen paineastian sisälle. EPR:ssä paineastialla on leveyttä noin viisi ja korkeutta 15 metriä. Koska kyse on painevesireaktorista, vesikierto on jaettu kahteen sisäkkäiseen piiriin. Sydämen läpi virtaava jäähdyte pidetään nestemäisessä olomuodossa korkean paineen avulla. EPR:ssä primääripiirin paine on nostettu 155 baariin (n. 155 ilmakehään). Veden kiehumispiste nousee tällöin 345 celsiusasteen tienoille. Vesi virtaa paineastiaan sisään 296ºC lämpötilassa, ja lämpenee polttoainesauvojen välissä kulkiessaan noin 30 asteella. Reaktorin käydessä sydämen läpi virtaa noin 30 kuutiota vettä sekunnissa. Määrä ylittää reippaasti esimerkiksi Vantaanjoen keskimääräisen virtaaman.

Primäärikierto muodostuu neljästä putkihaarasta. Jokaiseen haaraan on kytketty virtausta ylläpitävä pääkiertopumppu, sekä primääri- ja sekundäärikierron välisenä lämmönvaihtimena toimiva höyrystin. Sekundääripuolen vesi virtaa matalammassa, n. 75 baarin paineessa, ja kiehuu kulkiessaan höyrystimien läpi. Höyry johdetaan ensin yhdelle korkeapaine-, ja tämän jälkeen kolmelle matalapaineturbiinille. Turbiinit pyörittävät samalle akselille kytkettyä generaattoria, joka tuottaa sähköä valtakunnanverkkoon. Primääripiirin paineen säätöön käytetään paineistinta, joka on käytännössä yhteen putkihaaraan kytkeytyvä suuri paisuntasäiliö. Paineen nostaminen tapahtuu kiehuttamalla säiliössä olevaa vettä sähkövastuksilla, ja laskeminen ruiskuttamalla viileämpää vettä höyryn täyttämään ylätilaan.

Painevesilaitos

Kuva 2: Painevesilaitoksen toimintaperiaate. Lähde: TVO.

Olkiluodon ydinvoimalaitosten toimintaperiaatetta on kuvattu TVO:n sivulta löytyvällä videolla. EPR-laitoksen tekniikasta löytyy paljon lisätietoa pdf-muotoisesta esitteestä. Sivustolta on ladattavissa myös voimalaitoksen yksityiskohtainen halkileikkaus.

Kolmannen sukupolven turvallisuussuunnittelua

Koska EPR edustaa varsin perinteistä kevytvesiteknologiaa, myös reaktorin turvallisuussuunnittelun haasteet ovat pohjimmiltaan samat kuin vanhoissa toisen sukupolven ydinvoimalaitoksissa.ii Polttoainesauvojen metalliset suojakuoriputket eivät kestä korkeita lämpötiloja, ja ylikuumenemisen välttämiseksi sydämessä on kyettävä kaikissa käyttötilanteissa ylläpitämään riittävää vesikiertoa. Haasteellisimpia tilanteita ovat erilaiset jäähdytteenmenetysonnettomuudet, jotka voivat saada alkunsa esimerkiksi primääripiirin putkivuodosta. Vuodon sattuessa korkeassa paineessa oleva reaktori pyrkii tyhjenemään avatun kuohuviinipullon tavoin nopeasti vedestä. Jos polttoainesauvat pääsevät kuivumaan pinnastaan, niiden lämpötila alkaa nousta.

Kaikkien ydinreaktoreiden turvallisuussuunnittelu nojaa muutamaan yleismaailmalliseen periaatteeseen. Tärkein näistä on nk. syvyyssuuntainen puolustus. Reaktorissa syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset aineet on eristettävä ympäristöstä useammalla sisäkkäisellä ja toisistaan riippumattomalla vapautumisesteellä. Polttoaineena käytettävä uraani on kiinteässä keraamisessa olomuodossa metallisten suojakuoriputkien sisällä. Polttoainesauvojen kanssa kosketuksissa oleva vesi virtaa suljetussa primäärikierrossa. Reaktori ja primääripiirin komponentit on edelleen suljettu kaasutiiviin paineenkestävän suojarakennuksen sisälle. Radioaktiivinen päästö ympäristöön on mahdollinen vasta kun kaikki sisäkkäiset vapautumisesteet on menetetty. Eli vaikka reaktorin polttoaine pääsisi vaurioitumaan, uloimpana vapautumisesteenä toimiva suojarakennus rajoittaisi päästön laitoksen sisätiloihin.

Syvyyssuuntaista puolustusta tuetaan erilaisilla aktiivisilla ja passiivisilla turvallisuusjärjestelmillä. Jäähdytteenmenetysonnettomuudessa reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmät alkavat syöttää sydämeen lisää vettä. Tarkoituksena on estää polttoainevauriot, eli ensimmäisen vapautumisesteen pettäminen. Putkivuototilanteessa reaktorista purkautuva höyry alkaa nostaa suojarakennuksen sisäistä painetta. Ilmatilaa voidaan jäähdyttää esimerkiksi vesiruiskutuksella, mikä pienentää seinämiin kohdistuva painekuormaa.

Turvallisuuden kannalta kriittisten järjestelmien toteutuksessa sovelletaan moninkertaisia varmistuksia, jotka perustuvat erilaisiin vikasietoisuuskriteereihin. Redundanssi- eli rinnakkaisuusperiaatteen mukaan reaktorin hätäjäähdytys on toteutettava siten, että polttoaine ei saa putkivuototilanteessa päästä ylikuumenemaan, vaikka vain osa veden syöttöön varatuista pumpuista toimisi tarkoitetulla tavalla. Diversiteetti- eli erilaisuusperiaatteella puolestaan pyritään pienentämään yhteisvikojen mahdollisuutta. Sähkötoimisten pumppujen käyttövoima voidaan ottaa tarkoitukseen varattujen dieselgeneraattoreiden lisäksi esimerkiksi liikuteltavilta aggregaateilta tai viereiseltä laitosyksiköltä. Olkiluodossa sähkönsyöttöä varmistaa myös kantaverkon varavoimayksikkönä toimiva kaasuturbiinilaitos, sekä erilliset sähköyhteydet Paneliankosken voiman verkkoon ja Harjavallan vesivoimalaitokselle.

Reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmien osalta kolmannen sukupolven EPR ei eroa ratkaisevasti vanhemmista toisen sukupolven laitoksista Loviisassa ja Olkiluodossa.iii Turvallisen toiminnan perusperiaatteet on kirjattu ydinenergialakiin ja viranomaisohjeisiin, ja ne koskevat sekä uusia että vanhoja laitoksia. Suurimmat erot löytyvät sen sijaan varautumisesta ulkoisiin uhkiin sekä vakaviin onnettomuustilanteisiin. EPR:n suojarakennus on esimerkiksi mitoitettu kestämään suuren matkustajalentokoneen törmäys.

Näkyvin osa kolmannen sukupolven turvallisuussuunnittelua on kuitenkin reaktorikuilun alapuolelle sijoitettu sydänsulan leviämisalue. Vakavassa reaktorionnettomuudessa polttoaine voi sulaa paineastian pohjan läpi. Sula sydänmassa valuu tällöin laakeaan teräskaukaloon, jolloin jäähdytykseen käytettävissä oleva lämmönsiirtopinta-ala kasvaa mahdollisimman suureksi. Onnettomuustilanne saadaan hallintaan jäähdyttämällä sydänsula takaisin kiinteään olomuotoon.

Sydänsieppari

Kuva 3: EPR-painevesireaktorin vakavien onnettomuuksien hallintaan tarkoitettu sydänsulan leviämisalue reaktorin alapuolella. Lähde: Areva.

Eli vaikka polttoaineen vaurioituminen pyritään kaikin keinoin estämään, reaktorin turvallisuussuunnittelussa on varauduttu myös pahimpiin mahdollisiin onnettomuustilanteisiin. Edes täysmittaisesta sydämensulamisonnettomuudesta ei saa seurata suurta radioaktiivista päästöä ympäristöön. Myös vanhempiin ydinvoimalaitoksiin on jälkiasennuksina kehitetty erilaisia tapoja hoitaa vakavia onnettomuustilanteita, mutta vielä 1970-luvulla turvallisuussuunnittelun lähtökohta oli, että täysmitaisen sydämensulamisonnettomuuden mahdollisuus voidaan sulkea pois, jos vain reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmien toiminta on varmistettu riittävän huolellisesti.iv

Käyttöönotto etenee vaiheittain

Olkiluoto 3 siirtyi käyttöönottovaiheeseen vuonna 2016, kun viimeiset rakennus- ja asennustyöt oli saatu päätökseen, ja uudelle ydinvoimalalle haettiin käyttölupaa. Laitoksella oli tosin tehty jo kaksi vuotta aikaisemmin esimerkiksi suojarakennuksen tiiveyskoe, jossa testattiin rakenteiden kestävyyttä korkean paineen alla. Käyttöönotto-ohjelman alkuvaiheessa reaktorin järjestelmille tehtiin erilaisia kylmä- ja kuumakokeita, joissa testattiin mm. primääripiirin pumppujen ja venttiilien toimintaa. Hallitus myönsi reaktorille käyttöluvan maaliskuussa 2019.

Käyttöönottovaiheen viimeinen osuus alkoi tämän vuoden maaliskuussa, kun reaktoriin ladattiin ensimmäisen kerran polttoainetta. Ennen reaktorin käynnistämistä laitoksella tehtiin vielä lisää kuumakokeita, sekä sydämen instrumentoinnin ja säätösauvakoneistojen testausta. Seuraava vaihe oli ketjureaktion käynnistäminen, jonka oli määrä tapahtua elokuussa. Käyttöönottokokeiden yhteydessä laitoksen matalapaineturbiinilla havaittiin kuitenkin vaurioita, joiden korjaaminen ja tarkastus lykkäsi aikataulua vielä neljällä kuukaudella eteenpäin.

Painevesireaktorit käynnistetään kuumasta tilasta, eli ennen fissiotehon nostamista reaktorin primäärijäähdyte lämmitettiin vajaan kolmensadan asteen käyttölämpötilaan. Lämmitykseen käytetään reaktorin pääkiertopumppuja, jotka nostavat virtausnopeuden niin korkeaksi, että putkistoissa kulkeva vesi alkaa lämmetä kitkan vaikutuksesta. Pumppujen yhteenlaskettu tehonkulutus voi EPR:ssä nousta 36 megawattiin. Huomattava osa pumppaukseen käytetystä energiasta muuttuu lopulta lämmöksi.

Kun riittävän korkea lämpötila oli saavutettu, reaktorin säätösauvoja alettiin vetämään ulos sydämestä. Sauvat on jaettu useampaan ryhmään, jotka yhtä ryhmää lukuun ottamatta nostettiin ensin yläasentoon. Jäähdytteen booripitoisuus laimennettiin tämän jälkeen lähelle kriittistä konsentraatiota. Käynnistäminen tapahtui vetämällä viimeistä säätösauvaryhmää ulos sydämestä kunnes ketjureaktio saavutti itseään ylläpitävän tilan.

Ensimmäisissä kriittisyyskokeissa reaktori tuottaa vielä hyvin vähän lämpöä. Tehon nosto tapahtuu vaiheittain käyttöönotto-ohjelman edetessä. Varsinaisen koekäytön aikana reaktoria tullaan ajamaan vaihtelevalla teholla. Laitos on määrä kytkeä sähköverkkoon ensimmäisen kerran tammikuun lopulla. Jos käyttöönotto etenee tämän jälkeen aikataulun mukaan, säännölliseen tuotantoon päästään ensi kesänä.

Suomessa ydinreaktorit on suunniteltu toimimaan 12 kuukauden käyttöjaksolla. Olkiluodon uudessa reaktorissa jakso voi olla myös pidempi, esimerkiksi 24 kuukautta. Vuosihuollot ja polttoaineen vaihto on mielekästä ajoittaa kesäkuukausille, jolloin sähkön tarve on minimissään. Reaktori toimii koko käyttöjaksonsa ajan yhtämittaisesti samalla polttoainelatauksella. Lataustavasta riippuen noin neljännes tai viidennes reaktoriin ladatuista polttoainenipuista vaihdetaan jakson päätteeksi uusiin. Käytöstä poistetut niput ovat korkea-aktiivista ydinjätettä, jonka kohtalona on Suomessa geologinen loppusijoitus. Olkiluotoon louhittu loppusijoitusluolasto on mitoitettu vastaanottamaan myös OL3:n käytetyn polttoaineen. Reaktorin suunniteltu käyttöikä on 60 vuotta.

Käytetty polttoaine

Kuva 4: OL3-reaktori kuluttaa 60 vuoden käyttöikänsä aikana noin 3800 polttoainenippua. Vierekkäin aseteltuna nämä mahtuisivat seisomaan tenniskentän kokoiselle alueelle. Havainnekuvaan piirretty jakkara helpottaa mittakaavan hahmottamista. Kaikki käytöstä poistetut niput tullaan aikanaan loppusijoittamaan syvälle kallioperään Olkiluodon saarelle.

Suomen suurin ympäristöteko?

Vuonna 2010 ympäristöjärjestö Greenpeace julkaisi Itsekkyyden muistomerkiksi nimetyn kivipaaden, johon kaiverrettiin kaikkien lisäydinvoiman puolesta äänestäneiden kansanedustajien nimet. Kyse oli tällöin eduskunnan periaatepäätöksestä, jolla ratkaistiin Olkiluodon neljännen sekä Fennovoiman uuden ydinvoimalaitoksen kohtalot.v Olkiluodon kolmosyksikön rakentaminen oli tässä vaiheessa ollut käynnissä viitisen vuotta. Greenpeacen lisäksi tilaisuutta oli näkyvästi masinoimassa myös joukko ydinvoimaa vastustavia poliitikkoja, erityisesti vihreiden riveistä.

Itsekkyyden muistomerkki seisoo edelleen Töölönlahden rannassa, mutta ydinvoimakeskustelun sävy on selvästi muuttunut. Vihreiden periaateohjelmasta ydinvoiman kategorinen vastustaminen on jo pudotettu pois. Puolueen sisällä toimiva Tieteen ja teknologian vihreät -jäsenyhdistys on mennyt kannanotoissaan vieläkin pidemmälle toteamalla, että ydinvoima pitäisi nähdä yhtenä keinona taistelussa ilmastonmuutosta vastaan. Mielipidemittausten mukaan ydinvoiman suosio on noussut jo uuteen ennätykseen. Kymmenessä vuodessa tapahtunut asennemuutos voi vaikuttaa yllättävältä. Samalle ajanjaksolle mahtuu historian toiseksi vakavin ydinvoimalaonnettomuus, ja Olkiluodon kolmosreaktori on myöhästynyt alkuperäisestä aikataulustaan 13 vuodella.

Mitä energia-alalla sitten on kuluneen vuosikymmenen aikana tapahtunut? Ensimmäiset kansainväliset sopimukset kasvihuonekaasupäästöjen leikkaamisesta tehtiin jo 1990-luvulla, mutta sekä ilmakehän hiilidioksidipitoisuus että päästölukemat ovat edelleen vain kasvussa. Muutamaa poikkeusvuotta lukuun ottamatta ilmaan on joka vuosi päässyt edellisvuotta enemmän lämpenemistä edistäviä kasvihuonekaasuja. Uusiutuvaan energiantuotantoon on panostettu voimakkaasti jo 2000-luvun alusta lähtien, mutta yrityksistä huolimatta tuuli- ja aurinkoenergialla ei olla saatu aikaiseksi luvattuja päästövähennyksiä.vi

Kertooko asennemuutos kenties siitä, että ideologinen energiapolitiikka on ainakin Suomessa tulossa tiensä päähän? Asiantuntija-arvioiden mukaan ilmastomuutoksen vaikutusten rajoittaminen luonnon monimuotoisuuden ja ihmisten hyvinvoinnin kannalta siedettävälle tasolle edellyttää kasvihuonekaasupäästöjen pudottamista nollaan vuosisadan puoliväliin mennessä. Aika on käymässä vähiin, ja lupausten ja kunnianhimoisten tulevaisuusskenaarioiden sijaan tarvitaan jo konkreettista näyttöä siitä, että suunta on todella kääntymässä.

Maailman kasvihuonekaasupäästöt 1960-2018

Kuva 5: Kasvihuonekaasupäästöjen kehittyminen aikavälillä 1960–2018, sekä Kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n asettama päästövähennystavoite. 2000-luvulla päästöt ovat kasvaneet eniten Kiinassa, mihin on siirtynyt länsimaista paljon energiaa kuluttavaa teollisuustuotantoa. COVID-19 -pandemia on jonkin verran hidastanut päästöjen kasvua, mutta merkkejä suunnan kääntymisestä ei vieläkään ole. Ennuste vuoden 2021 kokonaispäästöille on 36.4 miljardia tonnia. Lähde: reddit.

Globaalissa mittakaavassa Suomen kasvihuonekaasupäästöt ovat vain pisara meressä. Pienikin maa voi silti toimia suunnannäyttäjänä. Teollisuuden voima kutsuu Olkiluoto kolmosta Suomen suurimmaksi ilmastoteoksi. Onko kyse pelkästä mainoslauseesta, vai saavutetaanko uuden ydinvoimalan käyttöönotolla todella niin merkittävää hyötyä kuin mitä väite antaa ymmärtää? Ydinvoima on yksi vähäpäästöisistä sähköntuotantomuodoista,vii mutta miten suuren lisäyksen puhtaaseen tuotantoon yksittäinen reaktori voi lopulta tuoda?

Vuonna 2020 Suomessa tuotettiin sähköä yhteensä 66 terawattituntia. Tuotanto-osuudet jakautuivat ydinvoiman (22.4 TWh), vesivoiman (15.6 TWh), biomassan (10.1 TWh), tuulivoiman (7.8 TWh) sekä fossiilisten polttoaineiden (9.1 TWh) ja muiden energialähteiden kesken. OL3:n arvioitu vuosituotanto tulee olemaan 12–13 TWh, mikä tarkoittaa ydinenergiantuotannon kasvattamista yli puolella, tai lähes 20% lisäystä sähkön kokonaistuotantoon. Ydinvoima on jo pitkään ollut Suomen merkittävin yksittäinen sähköntuotantomuoto, ja uuden laitoksen käynnistyminen nostaa ydinsähkön tuotanto-osuuden yli 40%:iin.

Suomen sähköntuotanto 2020 + OL3

Kuva 6: Kotimaisen sähköntuotannon jakautuminen vuonna 2020. Kuvaan on piirretty myös Olkiluoto 3 -voimalaitoksen arvioitu vuosituotanto. Sähkön kokonaistuotanto ja -kulutus olivat 66 ja 81 TWh, eli sähköä tuotiin lisäksi ulkomailta 15 terawattitunnin verran. Vuonna 2020 noin 85% kotimaisesta tuotannosta saatiin vähäpäästöisistä energiamuodoista. Data: Energiateollisuus ry.

Ydinenergiaa kritisoidaan monessa yhteydessä liian hitaaksi keinoksi vaikuttaa maailman kasvihuonekaasupäästöihin. Tällaiset väitteet pohjaavat kuitenkin enemmän erilaisiin tulevaisuusskenaarioihin kuin toteutuneeseen tuotantoon. Huoli ydinvoimarakentamisen hitaudesta kuvaakin paremmin sitä, ettei mikään vähähiilinen energiantuotantomuoto korvaa globaalissa mittakaavassa fossiilisia polttoaineita riittävän nopeasti. Kuvan 6 luvuista nähdään, että OL3:n tuotanto ylittää selvästi esimerkiksi Suomen kaikkien tuulivoimaloiden vuoden 2020 yhteenlasketun vuosituotannon. Se, että 13 vuotta aikataulusta myöhässä valmistuva ydinvoimala menee ohi tuulivoimasta, ei anna kovin mairittelevaa kuvaa myöskään uusiutuvien energiantuotantomuotojen rakentamisen nopeudesta.

Vaikka Olkiluodon EPR-laitosta käytetään monissa yhteyksissä osoituksena ydinvoimarakentamisen ongelmista, tilastojen perusteella kyse on enemmän poikkeuksesta kuin säännöstä. Projektin aikana maailmalla on viety onnistuneesti maaliin yli 50 ydinvoimalahanketta huomattavasti lyhyemmässä ajassa. Suurin osa laitoksista on rakennettu Kiinaan, missä keskimääräinen rakentamisaika on pudonnut kuuteen vuoteen. Uusimpien suunnitelmien mukaan Kiinaan on määrä valmistua 150 uutta reaktoria seuravien 15 vuoden kuluessa.

Aikataulujen venyminen lännessä kertoo todennäköisesti enemmän ydinvoimarakentamisen perinteen hiipumisesta kuin teknisistä rajoitteista. Edellinen ydinvoimabuumi koettiin yli 40 vuotta sitten, jolloin uusia laitoksia valmistui huomattavasti nykytahtia nopeammin. Esimerkiksi Ruotsin kaikki 12 kaupallista ydinvoimalaitosyksikköä otettiin käyttöön huomattavan lyhyessä ajassa vuosina 1971–1985. Uusien laitosten rakentamisesta vastaa nykyisin jo uusi sukupolvi, jolle ei vastaavaa rutiinia ja käytännön kokemusta ole vielä ehtinyt kertyä.

Onko suurten ydinvoimalaitosten aika jo ohi?

Ydinenergia-alalla on tapahtunut Olkiluoto-3 -projektin kuluessa kehitystä, eikä laitos edusta enää markkinoiden uusinta teknologiaa. Kun reaktori tilattiin vuosituhannen alussa, laitosvalmistajat keskittyivät vielä kolmannen sukupolven kevytvesiteknologiaan. Ydinvoiman suosio oli romahtanut jo 1980-luvulle tultaessa, samoin uusien laitosten tilaukset. Markkinoilla pärjätäkseen laitosvalmistajien oli parannettava kilpailukykyään, mikä tehtiin pitkälti yksikkökokoa kasvattamalla.

Alan kehitys on sittemmin kääntynyt kohti ketterämmin valmistettavia ja rakenteeltaan yksinkertaisempia modulaarisia pienreaktoreita. Myös suurille laitosyksiköille on silti ainakin vielä toistaiseksi ollut kysyntää. Kun tarve puhtaalle sähkölle on suuri, myös suurten tuotantolaitosten rakentaminen voi edelleen olla houkutteleva vaihtoehto. Esimerkiksi Puolassa valtiollisen energiaohjelman tavoitteeksi on otettu rakentaa seuraavien vuosikymmenien aikana kuusi suurta kevytvesireaktoria, kapasiteetiltaan yhteensä 6000–9000 megawattia. Kyse on suurista investoinneista, joilla edesautetaan siirtymistä kivihiilestä puhtaampiin energiamuotoihin. Koska käyttötapa on ydinvoimalaitokselle varsin perinteinen, myös ratkaisuksi soveltuu perinteinen, hyvin tunnettu teknologia.viii

Monessa maassa uusilla laitoksilla korvataan käytöstä poistuvaa ydinvoimakapasiteettia, jota on tyypillisesti rakennettu samalle laitospaikalle tuhansien megawattien edestä. Ympäristöluvat sekä sähköverkon siirtoyhteydet ja muu infra tukevat tällöin valmiiksi suuria laitosyksiköitä. Venäjällä Suomenlahden rannalla sijaitsevan Leningradin ydinvoimalaitoksen Tšernobyl-tyyppisiä RBMK-reaktoreita ollaan korvaamassa moderneilla kevytvesireaktoreilla. Ensimmäiset AES-2006 -sarjan laitokset otettiin käyttöön vuosina 2018–2020. Reaktorityyppi on sama kuin Fennovoiman tilaamassa laitoksessa. Myös Iso-Britanniassa tarvitaan paljon uutta kapasiteettia korvaamaan käyttöikänsä päähän tulevia kaasujäähdytteisiä AGR-laitoksia, sekä vähentämään riippuvuutta fossiilisesta maakaasusta. Uusimmassa energiastrategiassa ydinvoiman lisärakentaminen on nostettu jälleen merkittävään rooliin. Samaan tapaan maakaasusta riippuvaisessa Hollannissa tehtiin hiljattain vastaava poliittinen päätös ydinvoiman lisärakentamisesta.

Vaikka pienreaktoreihin kohdistuu suuria odotuksia, kyse ei ole vielä siinä mielessä kaupallisesti kypsästä teknologiasta, että komponenttien sarjavalmistus ja tyyppihyväksyntään perustuvat luvituskäytännöt odottavat edelleen käytännön demonstraatiota. Tilanne voi kuitenkin muuttua jo parissa vuodessa. Aika näyttää, ajaako uusi teknologia lopulta kolmannen sukupolven suuret ydinvoimalaitokset kokonaan pois markkinoilta.

Miten tästä eteenpäin?

Suomen vanhoilla ydinvoimalaitoksilla on vielä käyttöikää jäljellä. Olkiluodon ykkös- ja kakkosyksikön käyttöluvat uusittiin kolme vuotta sitten. Laitosten käyttöä voidaan jatkaa ainakin vuoden 2038 loppuun saakka. Loviisan nykyiset käyttöluvat umpeutuvat vuosina 2027 ja 2030, mutta on hyvin mahdollista, että laitoksille haetaan vielä käyttöiän pidennystä. Fennovoiman Hanhikiven voimalaitoksen on määrä valmistua tämän vuosikymmenen loppuun mennessä. Laitos kasvattaa Suomen ydinvoimakapasiteettia vielä 1200 megawatilla.

Suomessa sähkön tuotantorakenne on jo sen verran puhdas, ettei suuria päästövähennyksiä ole mahdollista saavuttaa yksinomaan vähähiilistä lisäkapasiteettia rakentamalla. Kysymys ydinvoiman lisärakentamisesta noussee silti ennemmin tai myöhemmin uudelleen pöydälle. Syy tähän on energia-alan rakennemuutos. Autokannan sähköistyminen tulee siirtämään fossiilisten polttoaineiden muodossa kulutetun energian osuutta yhä enemmän sähköntuotannon ongelmaksi. Vielä suurempia lisäyksiä on odotettavissa teollisuuden puolelta. Viime vuonna julkaistussa tiekartassa pelkästään kemianteollisuuden syötevirtojen puhdistamisen ennustetaan kasvattavan sähkön kulutusta lähes 60 terawattitunnin verran. Lukema lähentelee jo nykyistä kotimaista kokonaistuotantoa (66 TWh).

Energiateollisuuden päästöleikkaukset eivät siis tarkoita että sähkön kokonaiskulutus olisi laskemassa, pikemminkin päin vastoin. Ydinenergialle ollaan myös etsimässä uusia käyttökohteita perinteisen sähköntuotannon ulkopuolelta. Suomen tapauksessa mielenkiintoisia mahdollisuuksia tarjoaa kaukolämpö, jonka tuotannossa käytetään edelleen runsaasti fossiilisia polttoaineita. VTT:llä kehitetään parhaillaan tarkoitukseen soveltuvaa matalan lämpötilan pienreaktoria.

Globaalissa mittakaavassa varteenotettavan vaihtoehdon erityisesti teollisuuden ja liikenteen päästövähennyksiin tarjoaa vetytalous, joka tarkoittaa käytännössä öljyn ja muiden fossiilisten energiaraaka-aineiden korvaamista puhtaasti tuotetulla vedyllä. Laajamittaiseen vetytalouteen siirtyminen edellyttää kuitenkin vähähiilisen vedyntuotantokapasiteetin tuhatkertaistamista, eli aivan pienestä haasteesta ei ole kyse. Tulevaisuuden energiatarpeet vaikuttavat väistämättä myös ydinteknologian kehitykseen. Kuluvan vuosisadan jälkipuoliskolla suurin osa maailman reaktorikannasta voi jo muodostua keskitettyyn sähköntuotantokäyttöön valjastettujen kevytvesilaitosten sijaan korkean lämpötilan reaktoreista, joita on rakennettu suurten teollisuuskompleksien yhteyteen tuottamaan puhdasta vetyä. Kiinassa ensimmäinen korkean lämpötilan HTR-PM -demonstraatiolaitos käynnistettiin tänä syksynä.


i) AES-2006 kuuluu samaan VVER-kehityslinjaan kuin Loviisan VVER-440 -reaktorit. Laitos muistuttaa perusratkaisuiltaan ja turvallisuusominaisuuksiltaan länsimaisia kolmannen sukupolven painevesireaktoreita. Itäreaktoreille ominaisia piirteitä ovat lähinnä polttoainesauvojen ja -nippujen sijoittaminen mehiläiskennon muotoiseen kuusikulmiohilaan. Länsimaiset reaktorivalmistajat kasaavat polttoaineen neliöhilaan. Lännessä höyrystimet sijoitetaan pystyasentoon ja venäläisissä laitoksissa vaakatasoon. Vaakahöyrystimien kerrotaan olevan perua sukellusveneteknologiasta. Pitkänomainen lämmönvaihdin onkin helppo kuvitella makaamaan kyljelleen sukellusveneen kapean rungon sisälle.

ii) Ydinreaktorin toiminta perustuu ketjureaktioon, jossa uraaniytimen fissiossa syntyneet neutronit jatkavat reaktioketjua eteenpäin aiheuttamalla jatkuvasti uusia fissioita. Vastoin yleistä mielikuvaa ketjureaktio on luonteeltaan stabiili prosessi. Sisäsyntyisten negatiivisten takaisinkytkentöjen ansiosta stabiili reaktori hakeutuu luonnostaan sellaiselle tehotasolle, jossa polttoaineen lämmöntuotto vastaa jäähdytystä. Ketjureaktion hallintaan ei tällöin tarvita aktiivista säätöä, eikä reaktorin teho voi lähteä itsestään kasvamaan. Ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelussa fissiotehon hillintää suuremman haasteen muodostaa polttoaineeseen kertyneiden lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva jälkilämpö. Kun reaktori sammutetaan, jälkilämmön osuus putoaa nopeasti muutamaan prosenttiin reaktorin alkuperäisestä fissiotehosta. Suuressa kevytvesireaktorissa kyse on kuitenkin kymmenistä megawateista, mikä riittää aiheuttamaan vakavia polttoainevaurioita jos jäähdytyskierto sydämeen katkeaa pitkäksi aikaa. Koska polttoaineen lämmöntuottoa ei saada millään keinolla pudotettua välittömästi nollaan, turvallisuussuunnittelu on tehtävä jälkilämmön ehdoilla.

iii) EPR:ssä polttoaineen hätäjäähdytys ja jälkilämmönpoisto nojaavat toisen sukupolven reaktoreiden tapaan pääasiassa sähkötoimisiin järjestelmiin. Korkea turvallisuustaso edellyttää tällöin vikasietoisuutta ja moninkertaisia redundanssi- ja diversiteettiperiaatteen mukaisia varmistuksia. Aktiivisten sähkötoimisten järjestelmien rinnalle on alettu kehittää myös passiivisia järjestelmiä, jotka perustuvat veden luonnolliseen kiertoon lämpötilaeron vaikutuksesta. Jos jäähdytysjärjestelmä suunnitellaan toimimaan ilman sähkötoimisia pumppuja, myös sähkönsyötön varmistukset jäävät tarpeettomina pois. Korkea turvallisuustaso on tällöin saavutettavissa yksinkertaisemmalla ja halvemmalla teknologialla. Passiivisia järjestelmiä on alettu suosia erityisesti pienreaktoreissa, joiden suunnittelu pääsi toden teolla vauhtiin 2010-luvun jälkipuoliskolla.

iv) Vielä 1970-luvulla ydinvoimalaitosten turvallisuussuunnittelu nojasi ennalta määrättyihin alkutapahtumiin, joista reaktorin oli selvittävä ilman suuria polttoainevaurioita. Ajattelutapa oli, että jos hätäjäähdytysjärjestelmät mitoitetaan suurimpien putkivuotojen mukaan, laitos selviää myös kaikista pienemmistä ongelmatilanteista. Polttoaineen sulamiseen johtava onnettomuustilanne voitaisiin tällöin sulkea kokonaan pois. Yhdysvalloissa vuonna 1979 tapahtunut Three-Mile-Islandin ydinvoimalaonnettomuus osoitti kuitenkin tämän turvallisuusajattelun vähintäänkin puutteelliseksi. Onnettomuustilanne sai alkunsa suhteellisen vähäpätöisestä venttiiliviasta, joka kehittyi monimutkaisen tapahtumaketjun kautta lopulta vakavaksi sydämensulamisonnettomuudeksi. TMI:tä voidaan pitää ydinturvallisuuden kehityksessä käännekohtana, jonka jälkeen suunnittelussa alettiin tarkastelemaan enemmän laitoksen kokonaiskäyttäytymistä, huomioiden myös vakavat onnettomuustilanteet.

v) Suomessa ydinvoimalaitosten luvitus kulkee monivaiheisen prosessin läpi. Uusien hankkeiden kannalta ratkaisevin vaihe on valtioneuvoston tekemä periaatepäätös siitä, palveleeko hanke yhteiskunnan kokonaisetua. Päätös viedään edelleen eduskunnalle, joka joko vahvistaa tai hylkää sen. Eduskunta vahvisti vuoden 2010 äänestyksessä Fennovoiman ja TVO:n uusien ydinvoimalaitosten periaatepäätökset. Myös Fortum haki samassa yhteydessä lupaa Loviisan kolmannelle laitosyksikölle. Tämän osalta hallituksen päätös oli kuitenkin kielteinen, eli hakemusta ei viety eduskunnan käsiteltäväksi. Myös TVO:n Olkiluoto-4 -projekti jouduttiin laittamaan jäihin viisi vuotta myöhemmin, kun päätöksentekoprosessin seuraavan vaiheen, eli laitoksen rakentamisluvan jättämisen takaraja tuli täyteen. TVO oli hakenut lisäaikaa vedoten kolmosyksikön aikataulun venymiseen, mutta hallitus ei suostunut tinkimään takarajasta.

vi) Esimerkiksi Saksassa tuuli- ja aurinkoenergiakapasiteettia on rakennettu jo 120 gigawattia, joka on lähes tuplasti maan keskimääräisen sähkönkulutuksen verran. Muuttuvaa tuotantoa joudutaan kuitenkin jatkuvasti paikkaamaan fossiilisilla polttoaineilla. Vuonna 2020 reilu kolmannes saksalaisesta sähköstä tuotettiin kivihiilellä ja maakaasulla. Ero päästöissä on huomattava verrattaessa esimerkiksi naapurimaahan Ranskaan. Yksi kilowattitunti saksalaista verkkosähköä tuottaa hiilidioksidipäästöjä noin kahdeksankertaisesti ranskalaiseen sähköön verrattuna. Ranskassa 70% sähköstä tuotetaan ydinvoimalla, ja fossiilisen tuotannon osuus jää alle kymmeneen prosenttiin. Esimerkki osoittaa hyvin sen, että vaikka uusiutuvan energiantuotannon korkeaa osuutta käytetään monissa yhteyksissä eräänlaisena menestyksen mittarina, päästöjen kannalta ratkaisevampaa on se, miten suuri osuus jää fossiiliselle tuotannolle. Eri maiden sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä voi vertailla reaaliaikaisesti electricitymap.org -sivustolla.

vii) Kansainvälisen ilmastopaneelin IPCC:n käyttämät ominaispäästöluvut ovat tuulivoimalle 11, ydinvoimalle 12, vesivoimalle 24, aurinkoenergialle 45 ja biomassalle 230 hiilidioksidiekvivalenttigrammaa kilowattituntia kohden. Fossiilisista polttoaineista maakaasun vastaava lukema on 490 ja hiilivoiman 820 g/kWh. Fossiilisten polttoaineiden ja biomassan tapauksessa suurin päästövaikutus tulee polttamisen yhteydessä vapautuvasta hiilidioksidista. Muissa tuotantomuodoissa päästöjä aiheutuu välillisesti esimerkiksi tuotantolaitosten rakentamisesta. Ydinvoiman tapauksessa päästötaseeseen on laskettu mukaan myös ydinpolttoaineen koko elinkaari uraanin louhinnasta geologiseen loppusijoitukseen. IPCC:n käyttämät luvut ovat mediaaneja vuosien varrella tehdyistä elinkaarianalyyseistä. Tuoreemmissa selvityksissä ydinvoima on osoittautunut kaikkein vähäpäästöisimmäksi sähköntuotantomuodoksi. Myös vaikutukset maankäyttöön sekä raaka-aineiden kulutukseen jäävät pienemmiksi kuin uusiutuvilla.

viii) Valtiollisen energiaohjelman rinnalla Puolassa on vireillä myös muita ydinenergiahankkeita. Kemianteollisuuden suuryhtiö Synthos on selvittänyt erilaisten pienreaktoriteknologioiden soveltuvuutta omiin tarpeisiinsa. Kiinnostus on kohdistunut erityisesti korkean lämpötilan reaktorityyppeihin, joita voitaisiin käyttää kustannustehokkaasti teollisen mittakaavan vedynvalmistukseen. Vety on yksi kemianteollisuuden eniten käytetyistä raaka-aineista, jonka valmistus nykyisillä menetelmillä tuottaa runsaasti kasvihuonekaasupäästöjä.

Yksi ajatus artikkelista “Ketjureaktio käynnistyi Olkiluoto kolmosella”

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -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

%d bloggaajaa tykkää tästä: