Ydinvoiman kuormanseuranta

Ville Tulkki – 27.6.2018

Suomen Ilmastopaneeli julkaisi 21.6. muistion paneelin näkemyksistä pitkän aikavälin päästövähennystavoitteen asettamisessa huomioon otettavista seikoista. Tällaiset ilmaston parissa vaikuttavien tahojen lausunnot ovat ammatin puolesta mielenkiintoisia, sillä varsinkin aiemmin ydinvoima on ollut vaikea aihe. Joko sitä ei ole mainittu sanallakaan tai sitten hyvin anteeksipyydellen. Mutta muutosta on ilmassa, ja Ilmastopaneelikin tunnustaa ydinvoiman roolin tulevaisuudessa. Sana ydinvoima esiintyy muistiossa kolmasti: ensimmäiseksi huomiossa että Suomelle hyvä verrokkimaa on Ruotsi sähköntuotantopaletin samankaltaisuuden vuoksi, ja toiset kaksi seuraavassa kappaleessa (muistion sivu 7):

Ilmastopolitiikan tueksi tuotetut vähähiilistä energianjärjestelmää koskevat skenaariot ovat vanhentuneet ja konservatiiviset. Ne olisi syytä uudistaa pikimmiten. Esimerkiksi käytetyt energian tuotantoa ja energiajärjestelmää koskevat kuvaukset ja laskelmat tulee uudistaa. Tulevia muutossuuntia edustavat muun muassa kaukolämpöön liittyvät uudet ratkaisut, kuten hajautettu lämmöntuotanto, tai lämmön tuotannon sähköistyminen. Myös koko sähköntuotantorakenne muuttuu. Paitsi että vaihtelevan tuotannon osuus kasvaa edelleen myös ydinvoiman rooli kasvaa merkittävästi. Jo nyt kirjallisuus antaa viitteitä siihen, että ydinvoiman tuotanto voi joustaa ja täten mahdollisesti jouduttaa tuuli- ja aurinkovoiman markkinoille tuloa. Tulevissa matalahiilisen yhteiskuntaan liittyvissä tiekarttatarkasteluissa on painotettava aiempaa enemmän uusien teknologioiden valmistumisen ja käyttöönoton aikataulun realistisuuden arviointia erityisesti Suomen olosuhteissa. Erillisen tarkastelun ansaitsee innovaatioiden rooli tulevaisuudessa: energiajärjestelmän syvällinen murros, raskaan teollisuuden, erityisesti teräksen ja sementin valmistuksen, saaminen hiilivapaaksi, ruuan tuotannon vallankumous, asumisen ja liikkumisen uudet ekologiset ratkaisut.

Itse olen työssäni viime aikoina pyrkinyt sekä selvittämään ydinvoiman mahdollisuuksia nimenomaan kaukolämmön ja teollisuuden lämmönkäytön tuottamiseen ydinvoimalla sekä jakamaan tästä tietoa. Tästä jatkossa enemmän, sillä vaikka ylläolevassa Ilmastopaneeli roolittaa ydinvoiman vain sähköntuotannon osaksi niin sillä on paljon annettavaa myös sähköntuotannon ulkopuolella. Nämä vain eivät ole tunnistettuja esimerkiksi juuri Ilmastopaneelin vanhentuneiksi kritisoimissa skenaarioissa. Esimerkiksi kansainvälisen energiajärjestön IEAn Energy Technologies Perspectives 2017 toteaa ydinvoiman lämpökäytöstä että se on hyvin lupaava mahdollisuus tehokkaisiin ilmastotoimiin. Sitä vain ei ole otettu IEAn skenaarioissa huomioon koska sille ei ole malleja. Mutta jätän nyt tämän aiheen tulevaan kirjoitukseen, sillä haluaisin kommentoida Ilmastopaneelin toteamusta

Jo nyt kirjallisuus antaa viitteitä siihen, että ydinvoiman tuotanto voi joustaa 

ja sen implikaatioita.

Usein kuulee väitettävän että ydinvoima on “joustamatonta” sähköntuotantoa. Tällä annetaan ymmärtää että jatkossa ydinvoiman rooli on enemmän tien tuke vaihtelevatuottoisten uusiutuvien lisäämiselle eikä soveltuva tulevaisuuden sähköverkkoon. Tällaiset väitteet ovat ongelmallisia sekä raamituksen vuoksi että sen takia että se nyt vain ei pidä paikkaansa. Raamitus on ongelmallinen sillä voi kysyä mikä on tavoitteemme, ilmastonmuutoksen hillintä vai uusiutuvan energiantuotannon osuus. Ja taas teknisesti ydinvoimalat on voitu rakentaa – ja monesti rakennettukin – joustavaa sähköntuotantoa varten. Joten ilmastonmuutoksesta huolestuneelle insinöörille on hyvin vaikeaa ymmärtää miksi ihmeessä tällaista väitettä levitetään.

Silloin kun nyt käynnissä olevia ydinvoimaloita suunniteltiin ja rakennettiin, uskottiin laajalti että ydinvoimasta voisi tulla valtaosa käyttämästämme sähköstä. Tämän vuoksi ydinvoimaloihin suunniteltiin hyvät kuormanseurantaominaisuudet. Kovin monessa maassa tätä ydinvoiman suurta osuutta ei koskaan saavutettu, ja verkon tasapainottamiseen käytetään joko vesivoimaa tai kalliimpia polttoaineita käyttäviä laitoksia. Tämä kuitenkaan ei ole ollut mahdollista Ranskassa, jossa ydinvoimalla tuotetaan noin 80% sähköstä. Ranskassa ydinvoimalat rutiininomaisesti sekä osallistuvat verkon tasapainottamiseen että laskevat tehojaan verkon kuorman laskiessa esimerkiksi viikonloppuisin.

Ranskalainen ydinvoima
Ranskalaisen ydinvoimalan teho kuormanseurantasyklin aikana. Lähde OECD/NEA.
Saksalainen ydinvoima
Saksalaisten ydinvoimaloiden kuormanseurantaa yhden vuorokauden aikana. Lähde OECD/NEA.

Käytännössä ydinvoimaloiden kuormanseuranta tehdään nykyisin liikuttamalla neutroneita kaappaavia säätösauvoja (paine- ja kiehuvesilaitokset) tai reaktorin läpi virtaavan veden määrää muuttamalla (kiehuvesilaitokset). Koska säätösauvat poistavat neutroneita reaktorista, vaikuttaa tämä säätö reaktorin tehoprofiiliin tehden siitä epäoptimaalisen. Säätöön käytetään niin kutsuttuja harmaita sauvoja, jotka eivät absorboi niin voimakkaasti neutroneita kuin reaktorin sulkemiseen käytettävät mustat sauvat. Säätösauvojen valintakin on eri tavoitteiden välistä kaupankäyntiä: monimutkaisilla säätökuvioilla voidaan saada tehokas reaktorin säätö – mutta sillä hinnalla että reaktorin säätö muuttuu monimutkaisemmaksi.

Ydinreaktorin tehoa muuttaessa täytyy ottaa erinäisiä reunaehtoja huomioon. Ydinreaktorin tehon säätö on oma taiteenlajinsa takaisinkytkentöineen. Polttoaineessa ei teho saa muuttua liian nopeasti liian paljon tai vaarana on yksittäisten polttoainesauvojen hajoaminen. Pitkäaikaiset pysymiset eri tehotiloilla ehdollistavat polttoainetta kulloinkin pidettyyn tilaan, ja niiden jälkeen muutokset pitää tehdä hitaasti. Myös tehon muuttuessa tulee varmistaa ettei minkään nipun kohdalla mennä kalvokiehuntaan. Tämä on tila jossa kuuman polttoainesauvan ympärille muodostuu höyrykalvo joka toimii lämmöneristeenä, täten nostaen suojakuoriputken ulkolämpötilaa. Mikään näistä ei ole este kuormanseurannalle, vaan ne ovat reaktorin ajon suunnittelussa huomioitavia asioita.

Viimeisen vuoden aikana on julkisuudessa ollut kirjoituksia siitä miten ydinvoimalat eivät todennäköisesti sovellu kuormanseurantaan. Tästä esimerkkinä on annettu Brokdorfin ydinvoimalassa tapahtunutta useamman polttoainenipun voimakasta oksidoitumista, jonka syytä ei ole toistaiseksi julkaistu. Kansainvälisessä mediassa on siteerattu Saksan viranomaisen tukiorganisaatiota, jonka mukaan kuormanseurantaoperaation vaikutusta oksidoitumiseen ei voi sulkea pois, ja saksalaisen ministerin päätelmää että tästä seuraa se ettei ydinvoima sovi kuormanseurantaan. Nämä väitteet kuitenkin jättävät huomiotta sen, että kuormanseurantaa on tehty ydinvoimalla jo vuosikymmeniä. Kuten aiemmin kirjoitin, yksittäisiin polttoainevaurioihin voi olla monia syitä, eikä ole tavatonta että tapahtuneen juurisyytä selvitetään pitkään. Kuormanseurannan lisäksi Brokdorfissa oli muutama vuosi aiemmin nostettu reaktorin tehoa, Saksassa oli uraaniveron takia ajettu reaktoreita hyvin epätavallisesti, joskus virheitäkin sattuu. Mikä tahansa näistä voi olla syy tälle yksittäistapahtumalle – ennen virallista lausuntoa emme tiedä.

Ydinvoiman kuormanseuranta on tehtävissä. Sen haluttavuus riippuu muista sähköverkon ja muiden tuotantomuotojen reunaehdoista. Nykyisellään sitä tehdään joko kun vaihtoehtoja ei ole (Ranska) tai poliittisilla päätöksillä vaikutetaan voimallisesti sähköntuotantoon (Saksa). Tällä hetkellä kukaan ei voine täysin varmasti sanoa millainen tulevaisuus sähköntuotannon suhteen on. Suomen Ilmastopaneelin ajatus siitä että ydinvoiman sähköntuotannon joustaminen mahdollistaa suuremman vaihtelevatuottoisten uusiutuvien osuuden on ajatuksena yleinen, mutta jättää huomiotta ehkä tärkeimmän yksityiskohdan: mikä on tavoitteena? Jos tavoitteena on vain uusiutuvien osuuden maksimointi, vielä joustavampia ja halvempia tapoja on kuten kaasumoottorit. Tosin tällöin joko joudutaan nojaamaan paljon fossiilisiin polttoaineisiin tai yli-investoimaan uusiutuvien kapasiteettiin – silti pitäen varalla polttoon pohjautuvaa varakapasiteettia jota vain ei käytetä. Viimeisin oli kyseessä Wärtsilän viime viikkoina paljon puhutussa selvityksessä, jossa lopulta Wärtsilän skenaario pohjautui tuulivoiman tuotantoylimäärään ja fossiilikapasiteetin varuillaoloon. Oletukset hinnoista olivat osittain kyseenalaisia, ja julistetut erot päästöissä juontuivat siitä että tuulivoimaskenaariossa oletettiin lämmityksen hoituvan lämpöpumpuilla ja ydinvoimaskenaariossa turpeella. Missä nyt ei ole mitään mieltä jos vain sähköntuotannon vaihtoehtoja vertaillaan.

Jos kuitenkin otamme ilmastonmuutoksen tosissaan, niin sähköntuotannossa ei voida nojata fossiilisiin polttoaineisiin. Tällöin useiden tutkimusten mukaan ydinvoima on oleellinen osa tuotantopalettia. Vaikka yksittäisten voimaloiden tuottaman sähkön hintavertailussa tuulivoima on nykyisellään halvinta uutta tuotantokapasiteettia, puhuttaessa koko systeemistä niin uusiutuvilla kuin ydinvoimallakin on nouseva systeemikustannus ja siten jonkinlainen kannattava osuus järkevästä kokonaisuudesta. Kuinka suuri osa riippuu myös paikallisista oloista kuten sähköverkosta sekä vesivoiman ja muiden sähköntuotantomuotojen saatavuudesta.

Jopa viime vuosina usein täysin uusiutuvaa energiantuotantoa perustelemaan käytetty Lappeenrannan teknillisen yliopiston 100%Renewable Finland 2050 -tutkimus näyttää ydinvoiman systeemihyödyt. LUTin selvitys olettaa voimakkaasti alenevat uusiutuvien ja varastoinnin hinnat ja nousevat ydinvoiman hinnat, ja silti selvityksessä oletetuilla vuonna 2050 rakennettavalla paletilla täysin uusiutuva verkko on vain hieman halvempi kuin verkko jossa on ydinvoimaa mukana. Hinta- ja teknologiaoletuksia ei varioitu, joten vuoteen 2050 ennustettaessa tulevia epävarmuuksia ei käsitelty. Vaikka olettaisimme mallinnuksen oletukset oikeiksi, niin sen perusteella jos haluamme toimia ennen vuotta 2050 ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi on ydinvoimalla roolinsa osana energiapalettia. Suurempi kysymys onkin miksi kyseistä julkaisua käytetään usein perustelemaan tämänhetkistä politiikkaa – siihen vetoavien olisi hyvä edes tutustua auktoriteettina käyttämäänsä tutkimukseen.

Joka tapauksessa on hyvin positiivista että Suomen Ilmastopaneeli on muistiossaan todennut sekä uusiutuvien energianlähteiden että ydinvoiman yhä kasvavan roolin ilmastonmuutoksen hidastamisessa. Yksityiskohdilla on kuitenkin myös merkitystä. Ydinvoiman sähköntuotannon joustavuus tai joustamattomuus on yksi aihe josta on ollut paljon porua mutta vähän villoja – varsinkin kun se on niin haluttaessa teknisesti toteutettavissa.

Mainokset

Rikkoutuvista polttoainesauvoista

Ville Tulkki 28.2.2018

Väliin törmään somessa viesteihin missä kauhistellaan ydinvoimaloiden vuotavia polttoaineita ja sitä miten välttämättä “edes STUK ei tiedä mistä on kyse”. Ja totta, uutisissa voi olla hyvinkin villejä kuvauksia “mystisistä uraanivuodoista” jotka ovat jatkuneet vuodesta toiseen. Kun lopuksi todetaan fraasinomaisesti että tästä ei ole ollut vaaraa ihmisille tai ympäristölle voi alkaa jo epäluuloisempaa huolestuttamaan. Ydinreaktori, polttoaine vuotaa ja syytä ei varmuudella tiedetä – tämän konteksti voi kyllä olla haastavaa kommunikoida.

Ydinpolttoaine

Ydinvoimaloissa on radioaktiivisten aineiden leviämisen estämiseksi sisäkkäisiä esteitä: polttoainetabletin keraaminen matriisi, suojakuoriputki, suljettu jäähdytepiiri (käytän jatkossa epäeksaktia ilmaisua primääripiiri) sekä voimalan suojarakennus. Kun puhutaan vuotavista polttoainesauvoista, niin suojakuoriputki on vioittunut ja vuotaa radioaktiivisia aineita primääripiirin jäähdytteeseen, ei ympäristöön.

20814654546_3a29f6a4ee_o
Ydinvoimalan periaatepiirros. Fyysiset leviämisesteet ovat polttoainesauvat (reaktorissa), primääripiiri ja suojarekennus. Kuvan lähde.

Kevytvesireaktoreiden polttoaine koostuu päistään suljetun zirkoniumpohjaista metallia olevan suojakuoriputken sisään pinotuista keraamisista uraanioksiditableteista. Tabletit ovat vajaan senttimetrin korkuisia ja paksuisia sylintereitä, suojakuoriputket (ja siten polttoainesauvat) taas muutaman metrin pituisia ja noin sentin paksuisia. Putken ja tablettien väliin jää pieni kaasutila, joka on täytetty heliumilla. Sauvat kootaan joko neliö- tai heksahilaiseen nippuun, jossa on välitukilevyjä pitämässä sauvoja paikoillaan, sekä nipun päissä päätylevyt ja käsittelyn mahdollistavia rakenteita.

Nuclear_fuel_element
Ydinpolttoaine-elementti. Sauvat on koottu neliöhilaan jota pidetään koossa välitukilevyillä. Kuva on ydinkäyttöisen rahtilaivan NS Savannahin polttoainenipusta. Kuvan alkuperäinen lähde.

Esimerkiksi yhdessä Olkiluodon kiehuvesilaitoksen reaktorissa on 500 polttoainenippua. Nykyisin kiehuvesilaitosten polttoainenipuissa on noin 90 polttoainesauvaa per nippu, joten reaktorissa on noin 45 000 polttoainesauvaa. Puhuttaessa vuotavista polttoainesauvoista, usein kyseessä on pieni reikä tai kuluma. Siitä pääsee höyryä sisään polttoainesauvaan ja kaasuraossa olevia aineita (radioaktiiviset fissiotuotteet, aktinidit) huuhtoutuu jäähdytteeseen. Yksittäisen polttoainesauvan vuotaminen ei ole mitenkään epätavallinen tilanne, vuosien varrella niitä on ollut jokaisessa suomalaisessa reaktorissa.

Näyttökuva 2018-2-25 kello 21.02.14
Loviisan ydinreaktoreissa olleet vuotavat sauvat vuosittain. Kuvan lähde.

 

Näyttökuva 2018-2-25 kello 21.01.49
Olkiluodon ydinreaktoreissa olleet vuotavat sauvat vuosittain. Kuvan lähde.

Vuotojen syyt

Mikä sitten vuodon aiheuttaa? Mahdollisia syitä on muutamia, ja tyypillisimmät on esitelty tässä alla. IAEA:n katsauksen mukaan välillä 1994-2006 painevesilaitoksilla tyypillisimmät vuodon syyt olivat välitukilevyn aiheuttama polttoainesauvan hiertymä, vierasesineet ja valmistusvirheet, kun taas kiehuvesilaitoksilla yleisimmät syyt olivat paikallinen korroosio, vierasesineet, valmistusvirheet ja polttoainetabletin ja suojakuoriputken vuorovaikutuksesta aiheutuva jännityskorroosiomurtuma. Osassa polttoainevuodoista juurisyytä ei pystytä määrittämään.

Näyttökuva 2018-2-17 kello 21.36.58
Painevesilaitosten vuotavia sauvoja sisältävien polttoainenippujen lukumäärä ja syyt Euroopassa Ranskan ulkopuolella. Kuvan lähde.

 

Näyttökuva 2018-2-17 kello 21.36.24
Kiehuvesilaitosten vuotavia sauvoja sisältävien polttoainenippujen lukumäärä ja syyt Euroopassa. Kuvan lähde.

Vierasesineet ovat jäähdytevirtauksen mukana polttoainenippuun kulkeutuneita irtaimia esineitä. Ne voivat esimerkiksi jäädä kiinni johonkin välitukilevyn ja polttoainesauvan väliin, ja pikku hiljaa hiertää polttoainesauvaa. Sauvan pinnalle muodostuu reaktorissa korroosiolta suojaava oksidikerros, ja jos sitä hierretään pois jatkuvasti samasta kohdasta voi siihen kohtaan syntyä reikä. Vierasesineiden kulkeutumista nippuun estetään nipun alaosassa olevalla filtterillä, mutta ne eivät tietenkään täydellisiä suojia ole.

Välitukilevyn hankauman prosessi on vastaava, kovemmasta materiaalista tehty välitukilevy hinkkaa pois suojaavaa oksidikerrosta, jolloin paikallinen korroosio nopeutuu. Näistä pyritään eroon välitukilevyjen suunnittelulla ja materiaalivalinnoilla. Esimerkiksi Loviisan polttoainevaurioiden harvinaistuminen 2000-luvulle tultaessa arveltiin tapahtuneen mahdollisesti sen takia, että välitukilevyt vaihdettiin teräksisistä zirkonium-pohjaisiin.

Siinä missä tasainen oksidikerros muodostaa korroosiota hidastavan pinnan polttoainesauvan päälle, paikalliset olosuhteet saattavat aiheuttaa voimakasta paikallista korroosiota. Näitä on pyritty hallitsemaan sekä suojakuoriputken ja muiden rakennemateriaalin kehittämisellä että primääripiirin vesikemialla.

Polttoainetabletin ja suojakuoriputken vuorovaikutus puolestaan tapahtuu paikallisen tehon noustessa voimakkaasti reaktorin tehonsäädön yhteydessä. Tällöin polttoaineen lämpötila nousee ja polttoainetabletit laajenevat lämpölaajenemisen takia. Ne puskevat viileämpää suojakuoriputkea aiheuttaen siihen jännityksen, ja samalla kemiallisesti agressiivisia aineita voi vapautua suojakuoriputken sisäpinnalle. Jännitys ja korrodoivat aineet voivat yhdessä aiheuttaa suojakuoriputken jännityskorroosiomurtuman. Tätä on pyritty estämään sekä kehittämällä polttoaineita, jotka ovat vähemmän herkkiä jännityskorroosiomurtumalle että reaktorin tehonsäätönopeutta rajoittamalla. Myös polttoainevalmistuksen laadunvarmennuksen parantaminen on auttanut, sillä sylinterimuodosta poikkeavat polttoainetabletit voivat aiheuttaa paikallisia jännityksiä, jotka toimisivat murtuman lähteinä.

Kuten yllä nähdään, syitä yksittäisten sauvojen vuotamiseen on monia ja ne voivat vaihdella samoissa reaktoreissa eri vuosina.

Rikkoutumisen syyn selvittäminen

Polttoainesauvan vuotamisen syy halutaan saada selville jotta niitä voidaan jatkossa välttää, ja tiedetään ettei kyseessä ole mikään systemaattinen vika operoinnissa, laitoksessa tai polttoaineessa. Tässä on vuosien varrella edistytty huomattavasti, sekä itse polttoaineen suunnittelun ja valmistuksen laadunvarmistuksen, että reaktorien operoinnin osalta.

Syyn löytäminen vuotajalle voi olla haastava löytää. Käytetty polttoainesauva säteilee, ja sitä pitää käsitellä asianmukaisesti. Voimalaitoksella pystytään useimmiten vain ainetta rikkomattomiin tarkasteluihin, eli esimerkiksi kuvaamaan niput ja yksittäiset sauvat ja mahdollisesti mittaamaan niiden oksidikerroksen paksuutta pyörrevirtamittauksella. Joidenkin vaurioiden juurisyy kyetään tällä tavoin päättelemään, esimerkiksi löytämällä vierasesine vauriokohdan vierestä tai löytämällä vaurio paikasta joka viittaisi valmistusvirheeseen. Jos juurisyytä ei kyetä näillä tavoin määrittämään, voidaan sauva myös viedä tarkempiin tutkimuksiin. Nämä materiaalia rikkovat tutkimukset tehdään tätä tarkoitusta varta vasten rakennetuissa kuumakammioissa, joissa voidaan käsitellä säteileviä näytteitä. Meitä lähimmät käytetyn polttoaineen käsittelyyn lisensoidut kuumakammiot ovat Ruotsissa.

Seuraukset

Ydinvoimaloissa on järjestelmät, jotka puhdistavat primääripiirin vettä. Primääripiirin veden mukana kulkeutuu normaalioloissakin korroosiotuotteita jotka aktivoituvat reaktorin läpi mennessään. Primääripiirin jäähdytteen aktiivisuustasoa tarkkaillaan. Vuotava sauva päästää radioaktiivisia aineita jäähdytteeseen, ja sen aiheuttama aktiivisuuden muutos havaitaan. Radioaktiivisuuden määrästä ja laadusta voidaan myös tehdä arvioita vuotavien sauvojen lukumäärästä ja myös niiden sijainti reaktorissa voidaan päätellä. Reaktorin ajotavan muuttamisella voidaan minimoida myös päästöt jäähdytteeseen sauvasta ja estää sauvan vuotamisen paheneminen. Usein vuotavan sauvan kanssa voidaan reaktoria ajaa suhteellisen normaalisti suunnitellun käyttöjakson loppuun, jonka jälkeen nippu jossa sauva on poistetaan. Joskus seuraavaan seisokkiin on turhan pitkä aika tai vuotava sauva aiheuttaa liikoja rajoitteita reaktorin operoinnille, ja voidaan päätyä ylimääräiseen seisokkiin vuotavan sauvan poistamiseksi reaktorista. OECD/NEAn katsaus käytäntöihin vuotavien sauvojen tapauksessa tässä.

Ydinturvallisuudesta puhuttaessa ydinpolttoaine muodostaa ensimmäiset fyysiset esteet vaarallisten radionuklidien leviämiselle. Mutta myös määrä ratkaisee, ja tilanteet joissa muutama sauva kymmenistätuhansista vuotaa eivät aiheuta vaaraa ihmisille tai ympäristölle.

Ydinvoimaviestinnän vaikeudesta – kolikon kääntöpuoli

Alkukipinä tämän blogin perustamiseen tuli useammasta uutisesta, joissa ydinvoimasta esitettiin hyvinkin kyseenalaisia väitteitä. Usein tässä on taustalla tarve tehdä repäiseviä otsikoita, ja teknisen aiheen kanssa sorrutaan helposti liioitteluun. Myös kolikon toinen puoli on tullut tutuksi viime aikoina.

Pienet modulaariset reaktorit, tai tuttavallisemmin pienreaktorit tai SMRt (sanoista Small Modular Reactor), ovat olleet viimeisen muutaman kuukauden aikana tapetilla julkisuudessa. Siinä missä ne ovat olleet alalla “se seuraava juttu” matalalla mutta kasvavalla intensiteetilla viimeisen vuosikymmenen, ei niitä suomalaisessa mediassa ole näkynyt ennen viime syksyä. Silloin sekä media että uudet kaupunginvaltuustot alkoivat kiinnostua “uudesta ydinvoimasta.” Ydinvoiman käytön selvittämiseen velvoittavien valtuustoaloitteiden – tätä kirjoittaessa Helsingissä, Espoossa, Kirkkonummella, Nurmijärvellä ja Turussa – ja niihin liittyvän uutisoinnin myötä voi hyvin alkaa uskoa että SMRt ovat ratkaisu kaikkeen. Mikä ei tietenkään pidä paikkaansa.

Teimme viime vuonna VTT:n sisäisessä projektissa selvityksiä pienten modulaaristen reaktoreiden mahdollisista käyttökohteista teknistaloudellisista lähtökohdista. Minkälaisia reaktoreita on lähiaikoina tulossa markkinoille, kuinka todennäköisiksi arvioimme reaktorivalmistajien lupaukset, mitä käyttökohteita näillä pienreaktoreilla olisi. Ajankohtaisimmat tuloksista julkaisimme tiedotteella kun samaan aikaan kaupunginvaltuustojen aloitteita alkoi ilmaantua. Tämän myötä itsellenikin tuli useampi haastattelu, joiden myötä aloin pohtia kuinka huomiotaloudessa elämmekään.

Tutkijan on paha mennä syyttämään vain mediaa tutkimustulosten nostamasta hypestä. Tutkimusten mukaan nimittäin hypen alkuperä on usein jo tutkimuslaitosten tai lehtien tiedotteista lähtöisin. Haastatteluissa usein pyritään löytämään ne mielenkiintoiset asiat, arkisten ja tylsien haasteiden ja varausten jäädessä vähemmälle, joten ylilyönnit ja lentävät kielikuvat ovat inhimillisiä. Pienreaktoreiden osalta hypeä ja mielikuvia löytyy, mutta niillä on myös paljon annettavaa työssä kohti hiilineutraalia yhteiskuntaa. Joten miten löytää se punainen lanka? Tässä blogissa on tarkoitus kommentoida ajankohtaisista aiheista ja taustoittaa teknisiä yksityiskohtia, joten eiköhän pienreaktoreista ole jatkossa kirjoitettavaa. Mutta tässä lyhyesti perusteet siitä mistä niissä on kyse. Teknisiä yksityiskohtia on tarkoitus laajentaa myöhemmissä blogikirjoituksissa.

Pienet modulaariset ydinreaktorit

Kyseessä on sateenvarjotermi heterogeeniselle joukolle ydinreaktoreita, jotka ovat “pieniä” ja sarjavalmisteisia. Pienuus on katsojan silmässä, sillä pääosin kyseessä ovat teollisuuslaitokset kokoiset voimalat joihin komponentit (tai moduulit) pystyttäisiin valmistamaan tehtaalla ja kokoamaan paikan päällä. Suunnitteilla on myös kokonaisuudessaan rekan tai lentokoneen kyytiin mahtuvia mikroreaktoreita, mutta nämä soveltuisivat hintansa puolesta lähinnä kaukaisten yhdyskuntien tai kaivosten voimanlähteiksi paikkoihin, joihin ei ole vedetty sähköverkkoa.

Modulaarisuus tarkoittaa mahdollisimman pitkälle vietyä tehdasvalmistusta ja eri osien asennusta paikan päällä. Joissain tapauksissa kyse on myös siitä, että yhdessä voimalassa on monta reaktoria. Tämä voi olla taloudellinen tapa luoda juuri tarpeeseen sopivan kokoinen voimala.

Pienreaktorit ovat kaikki ydinreaktoreita, joissa energia tuotetaan hajoavien atomiytimien ketjureaktiolla. Eri teknologiat ovat laajasti edustettuina nyt suunnitteilla olevissa konsepteissa. Ydinreaktori vaatii tavan ylläpitää ketjureaktiota sekä tavan kuljettaa tuotettu lämpö pois. Ketjureaktio vaatii joko korkeaa fissiilin isotoopin U235:n väkevöintiastetta tai tuotettujen neutronien hidastamista elastisin törmäyksin kevyiden atomiydinten kanssa (veden vety, raskaan veden deuterium, grafiitin hiili). Reaktori voidaan jäähdyttää vedellä, kaasulla (helium tai hiilidioksidi), sulalla metallilla tai suoloilla. Yhdistelemällä tapoja ylläpitää ketjureaktiota ja jäähdyttää reaktori saadaan eri ydinreaktoreiden peruskonseptit. Nykyään yleisin on vesijäähdytteinen ja -hidasteinen kevytvesireaktori, mutta suurinta osaa muistakin yhdistelmistä on vähintään kokeiltu historian aikana.

Hyödyt ja haasteet

Pienreaktoreiden hyviä puolia sanotaan olevan sarjatuotannon edut, mahdollisuus toteuttaa turvallisuuden takaaminen yksinkertaisesti, monipuoliset käyttömahdollisuudet ja skaalautuvuus tarvetta vastaavaksi.

Ydinvoimaloissa kuten monessa muussakin asiassa keskittyminen ja koon kasvaminen laskevat kustannuksia. Käytännössä lisensoinsointiin, rakentamiseen ja operointiin kuuluu kustannuksia jotka skaalautuvat hyvin koon mukaan. Pienreaktorit pyrkivät tästä eroon yksinkertaistamalla systeemejä ja olettamalla sarjatuotannon laskevan hintoja. Tässä vaiheessa kehityskaarta kun sarjatuotantoa ei vielä ole, on ensimmäisillä rakennettavilla voimalaitoksilla suuri este päästä markkinoille – varsinkin jos puhutaan sähköntuotannosta.

Perustava vaatimus ydinvoiman käytölle on se, että se on turvallista. Vaadittu turvallisuuden taso taataan eri tavoilla. Periaatteessa pienreaktoreilla se voisi olla yksinkertaisempaa johtuen pienestä koosta ja lämpötehosta, jolloin turvallisuuden takaavat ratkaisut olisivat myös yksinkertaisempia, luotettavampia ja halvempia kuin vastaavat isoissa reaktoreissa. Tämä kuitenkin pitää näyttää tapauskohtaisesti ja – SMR:n ollessa enemmän sateenvarjotermi heterogeenisesta joukosta reaktorikonsepteja – mitään yleispätevää on mahdoton sanoa. Tämä on myös haaste julkisessa keskustelussa.

Siinä missä sähköntuotannon taloudellisuus on pienreaktoreille haasteellinen ainakin ennen sarjatuotannon etujen tapahtumista, suora lämmön tuottaminen voi olla hyvinkin kannattavaa. Ydinvoimala on kuitenkin lämpövoimakone, jossa tuotetaan lämpöä. Sähköntuotannossa noin kolme yksikköä lämpöä käytetään yhden yksikön sähköä tuottamiseen, ja vaikka sähkö onkin lämpöä arvokkaampaa niin suhde nykyisellään ei ole tuo yksi kolmeen. Täten varsinkin lähelle käyttöä sijoitettava ydinvoimala voi olla hyvinkin edullinen tapa tuottaa vähäpäästöistä ja luotettavaa lämpöä. Lämmöntuotanto ydinvoimaloilla on tuttua ja koeteltua teknologiaa. Erityisesti kaupunkien lämmityksen osalta Kiinassa ollaan lähtemässä liikkeelle vain kaukolämmön tuotantoon tehtyjen reaktoreiden rakentamisessa. Tällaisissa sovelluksissa haasteena ovat sekä nykyiset säännökset, jotka on tehty suuria kauas asutuksesta sijoitettavia sähköä tuottavia ydinvoimaloita varten, sekä korkean turvallisuustason todentaminen.

Pienreaktorien hypesykli

Pienreaktoreilla on potentiaali olla tärkeä osa tulevaisuuden energiantuotantopalettia, mutta tällä hetkellä haasteita on sekä perinteisen innovaation kuolemanlaakson ylittämisessä (miten saada uudesta ideasta ja toimivasta prototyypistä tuote myyntiin) että institutionaalisista esteistä. Monet uudet asiat seuraavat niinkutsuttua Gartnerin hypesykliä: alkuun suuri innostus ja yliampuvat lupaukset, sitten pettymys, jonka jälkeen pitkäjänteisen työn perusteella tekninen läpimurto ja sovellukset jotka eivät välttämättä vastaa alkuperäisiä lupauksia mutta tulevat käyttöön.

undefined
Gartnerin hypesyklin vaiheet. Kuvan lähde Jeremykemp englanninkielisessa wikipediassa.

Hyvä esimerkki hypesyklistä on korkean lämpötilan kaasujäähdytteinen kuulakekoreaktori. 2000-luvun alussa ja puolivälissä siitä piti tulla uuden energiatalouden airut, jolla tuotettaisiin halvalla, turvallisesti ja runsaasti vähäpäästöistä vetyä termolyysillä puhtaan vetytalouden tarpeisiin. Sitä edistivät niin Yhdysvaltojen Next Generation Nuclear Plant (NGNP)-ohjelma kuin internetin innokkaat ydinvoimafanit. Kuitenkin, vedyntuotanto termolyysillä osoittautui silloiselle teknologialle liian kunnianhimoiseksi tavoitteetteeksi, finanssikriisi vei isojen yhtiöiden investointihalut ja liuskekaasun tuleminen romutti yhdysvaltalaiset vetytaloussuunnitelmat. Kukaan ei paljoa kuulakekoreaktoreista puhunut enää 2010-luvulle tultaessa. Kiina kuitenkin kaikessa hiljaisuudessa jatkoi reaktoriteknologian työstämistä ja NGNP-ohjelma kehitti polttoaineen designin loppuun. Tänä vuonna pitäisi HTR-PM-demolaitoksen käynnistyä. HTR-PM on suunniteltu korvaamaan ylikriittisten hiilivoimaloiden lämpökattilat sekä prosessiteollisuuden lämmöntuotantoon. Tämä kehitysvaihe on vähemmän kunnianhimoinen kuin hypevaiheen vetytalousmaalailut, mutta osoittautuessaan toimivaksi voi olla hyvinkin tärkeä teknologia Kiinan pyrkiessä pääsemään irti hiilen käytöstä.

Pienreaktoreissa on mahdollisuutensa, ja osa niistä toteutuukin. Mutta vasta jälkikäteen voidaan sanoa mitkä niistä toteutuvat, sillä tietyn teknologian läpilyönnissä ei ole kyse vain teknologian hyvyydestä vaan myös ajoituksesta, politiikasta, onnesta ja monesta muusta seikasta.