Ympäristön säteilyhavainnot

Jaakko Leppänen – 15.8.2019 (päivitetty 16.8.2019)

Ympäristön säteilyvalvontaa alettiin tehostaa Suomessa vuonna 1986 tapahtuneen Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen. Koska suuri radioaktiivinen päästö voi edellyttää nopeita väestönsuojelutoimenpiteitä, säteilytilannetta seurataan jatkuvasti aktiivisilla mittauksilla. Tarkoissa seurantamittauksissa havaitaankin usein pieniä määriä radioaktiivisia aineita, jotka ovat tavallisesti peräisin terveydenhuollossa ja teollisuudessa käytetyistä isotooppilähteistä. Vaikka mitatut pitoisuudet ovat turvallisuuden kannalta merkityksettömän pieniä, havainnot ylittävät helposti uutiskynnyksen. Viime päivinä keskustelua on kuitenkin herättänyt vakavampi tapaus, kun radioaktiivisia aineita vapautui ilmaan Venäläisessä sotilastukikohdassa tapahtuneessa räjähdyksessä.

Käsittelen tässä blogikirjoituksessa lyhyesti ympäristön säteilyvalvontaa, erilaisia päästölähteitä sekä sitä, mitä kaikkea mittaukset voivat kertoa päästön alkuperästä. Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyviä käsitteitä ja yksiköitä on käyty tarkemmin läpi aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Jos aihe ei ole entuudestaan tuttu, niin ainakin aktiivisuuden ja säteilyannoksen käsitteet on hyvä tarkistaa.

Mitä mitataan?

Ympäristön säteilyvalvonnassa seurataan sekä ulkoisen säteilyn annosnopeutta (säteilytasoa) että keinotekoisten radioaktiivisten aineiden pitoisuuksia. Annosnopeuden mittaamiseen käytetään Suomessa automaattista säteilyvalvontaverkkoa, johon kuuluu 255 asemaa ympäri maata. Ulkoinen säteilytausta muodostuu pääasiassa gammasäteilystä, joka on peräisin maaperän luonnollisista radioaktiivisista aineista, sekä auringosta ja aurinkokunnan ulkopuolelta tulevasta kosmisesta säteilystä. Valvontaverkko mittaa taustasäteilyn voimakkuutta, ja hälyttää jos annosnopeus nousee luonnollisen vaihteluvälin yläpuolelle. Poikkeama säteilytasossa voi kertoa esimerkiksi rajojen yli Suomeen kulkeutuneesta radioaktiivisesta päästöpilvestä.

Kohonnut annosnopeus on merkki poikkeuksellisesta säteilytilanteesta, mutta se ei vielä itsessään kerro kovin paljon säteilyn alkuperästä. Tarkempaa tietoa päästön koostumuksesta saadaan mittaamalla yksittäisten radionuklidien pitoisuuksia. Ympäristönäytteitä kerätään säännöllisesti ilmasta ja vesistöistä. Automaattiseen näytteenottoon käytetään esimerkiksi radioaktiivisia hiukkasia poimivia ilmakeräimiä, mutta mittauksia tehdään myös käsin. Poikkeustilanteessa mittaukset voidaan kohdistaa tarkemmin sinne, missä annosnopeuden on havaittu kohonneen.

Luonnossa esiintyviä radioaktiivisia aineita ovat esimerkiksi uraanin ja toriumin pitkäikäiset isotoopit U238, U235 ja Th232, joita löytyy kaikkialta maan kuoresta. Myös kaliumilla on radioaktiivinen isotooppi K40, joka muodostaa noin 0.01% kaikesta luonnossa esiintyvästä kaliumista. Koska kalium on elintoimintojen kannalta välttämätön kivennäisaine, myös sen radioaktiivista isotooppia löytyy kaikista ihmisistä ja eläimistä. Uraania ja toriumia sisältävissä kivilajeissa esiintyy myös niiden hajoamissarjoihin kuuluvia lyhytikäisempiä ytimiä, kuten radiumin, radonin ja poloniumin isotooppeja. Hiilen radioaktiivista C14-isotooppia puolestaan muodostuu jatkuvasti ilmakehän yläkerroksissa kosmisen säteilyn vuorovaikuttaessa ilman typen kanssa.

Luonnollisten radioaktiivisten aineiden lisäksi ympäristöstä löytyy myös keinotekoisia isotooppeja, joihin kuuluu esimerkiksi 30 vuoden puoliintumisajalla hajoava cesium-137. Cesiumia on levinnyt ympäristöön erityisesti 1950-1960-luvuilla ilmakehässä tehdyissä ydinkokeissa, sekä vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa.i Tuoreessa ydinlaskeumassa on myös lyhytikäisempi ytimiä, kuten jodin isotooppia I131, jonka puoliintumisaika on 8 päivää. Radioaktiivisia aineita käytetään myös teollisuudessa, terveydenhuollossa ja tutkimuksessa. Koska kyse on aineista jotka ovat syntyneet ihmisen toiminnan seurauksena, ne erottuvat helposti poikkeamina luonnollisesta taustasta.

Radioaktiivisten isotooppien tunnistaminen on suhteellisen helppoa silloin kun kyse on ytimistä, jotka lähettävät hajotessaan gammasäteilyä. Atomiytimen energiatilat ovat kvantittuneet, eli ne voivat saada vain tiettyjä rakenteen ennalta määräämiä arvoja. Myös hajoamisreaktion yhteydessä emittoituvat fotonit syntyvät aina ennalta määrätyille energioille. Tällaiset isotoopit voidaan tunnistaa niiden emittoiman säteilyn spektrin perusteella (kuva 1). Koska gammasäteily etenee ilmassa pitkiä matkoja, spektri on helppo mitata ympäristöstä kerätystä näytteestä.

Jodin I131-isotoopin gammaemissiospektri

Kuva 1: Jodin I131-isotoopin gammaemissiospektri. Ytimen radioaktiivisessa hajoamisessa syntyy fotoneja tietyille ennalta määrätyille energioille. Gammasäteilyä emittoivat radioaktiiviset isotoopit voidaan tunnistaa niille ominaisten spektriviivojen perusteella.

Radioaktiivisia aineita voidaan havaita niiden lähettämän säteilyn perusteella pitoisuuksissa, jotka muilla menetelmillä olisivat täysin mittaustarkkuuden ulkopuolella. Säteilyturvakeskuksen ilmakeräimet havaitsivat Kotkan mittausasemalla tammi-helmikuussa 2019 pieniä määriä radioaktiivista jodia. Mitattu pitoisuus oli 0.2 mikrobecquereliä kuutiossa ilmaa. Massaksi muutettuna tämä tarkoittaa sitä, että yhdessä ilmakuutiossa oli noin 0.00000000000000000000004 grammaa (4⋅10-23 g) isotooppia I131. Näin pienten pitoisuuksien havaitsemiseksi mittaukset on kuitenkin tehtävä hyvin suurelle ilmamäärälle, mikä puolestaan tarkoittaa väistämättä pitkää mittausaikaa. Kotkassa toimiva suurtehokeräin imee radioaktiivisia hiukkasia keräävän suodattimen läpi 900 kuutiota ilmaa tunnissa. Suodatin vaihdetaan ja mitataan kerran viikossa.

Paljonko on paljon?

Radioaktiivisten aineiden määrää kuvaava becquerel tarkoittaa yhtä hajoamisreaktiota sekunnissa. Vaikka kyse on jo itsessään varsin pienestä yksiköstä, seurantamittauksissa käytettävien ilmakeräimien havaitsemat pitoisuudet ovat tavallisesti niin minimaalisia, että yksikkönä on käytettävä mikrobecquereliä, eli becquerelin miljoonasosaa. Edellisen jodihavainnon 0.2 μBq/m3 tarkoittaa sitä, että kuutiossa ilmaa tapahtuu keskimäärin yksi radioaktiivinen hajoaminen noin kahden kuukauden välein. Lukua voi verrata keskimääräisen suomalaisasunnon huoneilman radonpitoisuuteen, joka on 96 Bq/m3. Pinta-alaltaan 85 neliön asunnossa tämä tarkoittaa noin 20,000:ta radioaktiivista hajoamista joka sekunti. Aikuisen ihmisen K40-aktiivisuus on puolestaan luokkaa 4000 Bq, eli jopa kehon sisällä tapahtuu tuhansia hajoamisreaktioita sekunnissa.

Silloin kun ilmanäytteissä havaittavat aktiivisuuspitoisuudet mitataan becquerelin tuhannes- tai miljoonasosissa, on varsin perusteltua sanoa, että niiden vaikutus ihmisten säteilyaltistukseen jää luonnolliseen säteilytaustaan verrattuna merkityksettömän pieneksi. Aikayksikössä tapahtuvien hajoamisreaktioiden lukumäärää mittaava aktiivisuus ei kuitenkaan suoraan kerro päästön haitallisuudesta, vaan kyse on pikemminkin säteilyaltistuksen voimakkuutta mittaavan annosnopeuden lähdetermistä. Koska taustasäteilyä on kaikkialla, pienet pitoisuudet vieraita isotooppeja eivät näy myöskään annosnopeusmittauksissa. Reaaliaikaista tilannekuvaa tuottavan automaattisen mittausverkon onkin lähinnä tarkoitus havaita sellaiset poikkeamat säteilytasossa, jotka edellyttävät tarkempia mittauksia paikan päällä, tai pahimmassa tapauksessa nopeita väestönsuojelutoimia.

Annosnopeuden yksikkönä käytetään tavallisesti mikrosievertiä tunnissa. Suomessa luonnollisen taustasäteilyn normaali vaihteluväli on noin 0.05-0.30 µSv/h. Alueellinen vaihtelu aiheutuu pääasiassa maaperän radonpitoisuudesta. Pahimmilla radonalueilla lukemat voivat kuitenkin olla huomattavasti korkeampia, varsinkin pientaloissa joiden alapohjan ilmanvaihto toimii huonosti. Vaihtelun suuruusluokkaa kuvaa hyvin se, että yli 20,000 suomalaista asuu pientaloissa, joiden sisäilman radonpitoisuus on kymmenkertainen maan keskiarvoon verrattuna.ii

Toinen hyvä suuruusluokkamittari säteilyn voimakkuudelle on kosmisen säteilyn aiheuttama annosnopeus lentokoneessa. Maan ilmakehä toimii tehokkaana suojana avaruudesta tulevaa säteilyä vastaan, mutta suojaus on sitä heikompi, mitä korkeammalle noustaan. Kosmisen säteilyn voimakkuus riippuu jonkin verran lentokorkeudesta ja -reitistä, mutta esimerkiksi Euroopan ja Pohjois-Amerikan välisellä reittilennolla lukema on tyypillisesti 3-8 µSv/h. Luonnollinen taustasäteily voi siis lentokoneessa olla jopa sata kertaa voimakkaampaa kuin maanpinnan tasolla.

Suomen automaattisen säteilymittausverkon hälytysrajat on asetettu 0.2-0.4 mikrosievertiin tunnissa, riippuen mittauspisteen luonnollisesta säteilytaustasta. Hälytysrajoista on kuitenkin vielä matkaa siihen, että annosnopeudesta aiheutuisi ihmisille välitöntä vaaraa. Säteilyvaaratilanteiden varalta laadituissa valmiusohjeissa esimerkiksi sisätiloihin suojautumisen rajaksi on asetettu 100 µSv/h.iii

Radioaktiiviset sormenjäljet

Radioaktiivisen päästön koostumus voi kertoa paljon sen alkuperästä. Yksittäisestä isotoopista koostuva päästö on tavallisesti peräisin lääketieteessä tai teollisuudessa käytetystä säteilylähteestä. Edellä mainittua I131-isotooppia käytetään yleisesti kilpirauhasen liikatoiminnan ja kilpirauhassyövän hoitoon. Isotooppia päätyy toisinaan polttamalla hävitettävän sairaalajätteen joukkoon, jolloin ilmapäästö voi näkyä herkissä seurantamittauksissa jopa tuhansien kilometrien päässä lähteestä. Radioaktiivista jodia havaitaankin ilmanäytteissä suhteellisen usein. Muita lääketieteessä käytettäviä radionuklideja ovat esimerkiksi teknetiumin isotooppi Tc99m (merkkiainekuvaus) sekä koboltin isotooppi Co60 (sädehoito).

Säteilylähteissä käytettäviä radioaktiivisia aineita voi päästä ilmaan myös metalliteollisuuden prosesseista. Tornion terästehtaalla sattui vuonna 2018 lyhyen ajan sisällä neljä tapausta, joissa kierrätysmetallin joukosta löytyi monissa mittalaitteissa käytettäviä amerikium-241 -lähteitä. Kolmessa tapauksessa säteilylähde päätyi sulattoon saakka, jolloin päästö havaittiin tehtaan sisäisissä seurantamittauksissa.

Yksi viime vuosien suurimmista säteilyhavainnoista tehtiin syksyllä 2017, kun ympäri Eurooppaa otetuista ilmanäytteistä löytyi poikkeuksellisen korkeita pitoisuuksia ruteniumin isotooppia Ru106. Näitä havaintoja tehtiin 28.9.–9.10.2017 välisenä aikana myös Suomessa. Pitoisuudet eivät kohonneet niin korkeiksi että niistä olisi aiheutunut terveydellistä riskiä, mutta havainnot herättivät paljon huolta ja keskustelua. Aikasarja-analyysien perusteella päästölähde paikannettiin Venäjälle.

Vaikka ruteniumia syntyy fissiotuotteena, ydinreaktori voitiin jo heti alkuun sulkea päästölähteenä pois. Reaktorionnettomuudesta peräisin oleva päästö nimittäin koostuu aina useista isotoopeista, sillä säteilytettyyn ydinpolttoaineeseen kertyy reaktorin käytön aikana satoja fissiotuotteita ja kymmeniä aktinideja. Koska ruteniumhavaintojen yhteydessä ilmanäytteistä ei löytynyt lainkaan helposti vapautuvia jodin tai cesiumin isotooppeja, todennäköisimpänä päästölähteenä pidettiin jälleenkäsittelylaitosta, jossa käytetystä polttoaineesta erotetaan radioaktiivisia aineita jatkokäyttöä varten. Venäjä ei ole myöntänyt vuotoa saati paljastanut sen alkuperää, mutta epäilykset kohdistuvat vahvasti Tšeljabinskin alueella sijaitsevaan Majakin jälleenkäsittelylaitokseen.

Silloin kun radioaktiivisen päästön tiedetään olevan peräisin ydinreaktorista, sen isotooppikoostumus voi kertoa paljon esimerkiksi polttoainevaurioiden laajuudesta. Onnettomuustilanteessa helpoimmin vapautuvan päästökomponentin muodostavat radioaktiiviset jalokaasut, jotka karkaavat polttoaineesta heti uraanitabletteja suojaavan metallikuoren puhjettua. Jodin ja cesiumin isotoopit muodostavat matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia yhdisteitä, mutta esimerkiksi strontiumin vapautuminen edellyttää jo käytännössä polttoaineen sulamista. Isotooppikoostumuksen perusteella saadaan tietoa myös reaktorin käyttöhistoriasta ja päästön ajankohdasta.

Jos ydinvoimalaonnettomuus aiheuttaa merkittävän radioaktiivisen päästön ympäristöön, sitä on käytännössä mahdoton salata. Esimerkiksi Japanissa vuonna 2011 tapahtuneessa Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa vapautunut päästöpilvi kiersi maapallon, ja pieniä määriä radioaktiivista cesiumia ja jodia mitattiin myös Suomessa, 7500 kilometrin päässä lähteestä.

Myös ydinvoimalaonnettomuus ja ydinräjähdys voidaan erottaa toisistaan päästön koostumuksen perusteella. Vaikka päästöpilvi sisältää molemmissa tapauksissa paljon fissiotuotteita, alkuaineiden isotooppisuhteissa on selvästi havaittavia eroja. Reaktorionnettomuudessa ympäristöön vapautunut cesium koostuu erityisesti isotoopeista Cs134 ja Cs137. Ydinräjähdyksessä Cs134:n muodostuminen on sen sijaan huomattavasti vähäisempää. Pieni Cs134/Cs137 -suhde voi olla merkki esimerkiksi salassa tehdystä ydinkokeesta.iv

Uutisoinnin vaikeus

Yksi syy tämän blogin perustamiselle oli valottaa ydinvoimaan ja säteilyyn liittyvien uutisten ja keskustelujen taustoja. Aiheet ovat toimittajille vaikeita, ja uutisissa on usein pahojakin asiavirheitä. Käsitteet ja yksiköt menevät helposti sekaisin, ja annetut lukuarvot asetetaan vain harvoin niiden suuruusluokkaa kuvaavaan helposti ymmärrettävään mittakaavaan. Esimerkiksi syksyn 2017 ruteniumhavaintojen yhteydessä Ru106-isotoopin pitoisuuksien kerrottiin monissa uutisissa kohonneen jopa tuhatkertaiseksi normaalitasoon verrattuna. Tällainen vertailu johtaa lukijan helposti harhaan, sillä kyse on keinotekoisesta isotoopista, jota tavallisesti löytyy ympäristönäytteistä korkeintaan häviävän pienissä pitoisuuksissa.

Heinäkuussa 2019 monissa uutismedioissa kerrottiin että Norjanmereen 30 vuotta sitten uponneen K-278 Komsomolets -ydinsukellusveneen lähistöllä on havaittu kohonneita säteilyarvoja. Useimmissa uutisissa jutun keskeinen sisältö oli, että hylystä vuotaa mereen radioaktiivisia aineita, mikä on nostanut säteilyarvot 100,000-, ja paikoin jopa 800,000-kertaisiksi normaalitasoon verrattuna. Toisaalta samoissa uutisissa kerrottiin myös että asiantuntijoiden mukaan kohonneista säteilyarvoista ei aiheudu vaaraa ympäristölle, ja myös alueelta pyydettyä kalaa voi huoletta syödä. Satatuhatkertaisia säteilyarvoja ja asiantuntijan vakuuttelua tilanteen vaarattomuudesta on vaikea sovittaa mielessään yhteen, ja uutisesta voikin helposti saada sellaisen kuvan, että tilanteen vakavuutta yritetään jopa vähätellä.

Näennäinen ristiriita selittyy kuitenkin radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyvien termien huolimattomalla käytöllä. Mittaukset tehtiin Norjan merentutkimuslaitoksessa, jonka julkaisemasta alkuperäisestä tiedotteesta selviää ettei kyse ollutkaan kohonneista säteilyarvoista, vaan meriveden Cs137-pitoisuudesta. Koska radioaktiivista cesiumia ei esiinny lainkaan luonnossa, vertailutaso muodostuu lähinnä ilmakehän ydinkokeista ja Tšernobylin onnettomuudesta peräisin olevista jäämistä, jotka ovat vuosikymmenien kuluessa puoliintuneet ja laimentuneet veteen. Kyse on hyvin pienestä luvusta, jonka kertominen 100,000:lla antaa aktiivisuuspitoisuudeksi noin 100 becquereliä litrassa vettä. Vertailun vuoksi EU:n asettama suositusraja ruokasienien Cs137-pitoisuudelle on 600 Bq/kg. Huippuarvot oli mitattu aluksen ilmanvaihtokanavan suulta, ja kauempaa otetuissa näytteissä pitoisuudet olivat laimentuneet niin pieniksi, ettei niitä kyetty enää edes mittaamaan.

Vastaavia pieniä mutta sisällön ymmärtämisen kannalta merkittäviä epätarkkuuksia löytyy ydinvoimaa ja säteilyä käsittelevistä uutisista valitettavan usein. Tässä nimenomaisessa tapauksessa minua ihmetyttää eniten se, että eri mediatalojen toimittajat olivat toisistaan riippumatta päätyneet käyttämään samoja huonosti valittuja ja harhaanjohtavia sananmuotoja. Tämä siitäkin huolimatta, että kaikissa uutisissa alkuperäislähteeksi oli annettu Norjan merentutkimuslaitoksen tiedote, jossa asiat oli selitetty erittäin selkokielisesti.

Arkangelin räjähdys

Entä mitä viikko sitten Venäjällä tapahtuneesta räjähdyksestä sitten lopulta tiedetään? Venäjä on myöntänyt, että Arkangelin alueella Vienanmeren rannalla sijaitsevassa sotilastukikohdassa on tapahtunut torstaina 8.8. räjähdysonnettomuus, jonka yhteydessä ilmaan vapautui radioaktiivisia aineita. Ainakin viiden ihmisen kerrotaan kuolleen räjähdyksessä, mutta kuolinsyitä ei ole tarkemmin eritelty. Onnettomuuden jälkeen läheisessä Severodvinskin kaupungissa havaittiin hetkellinen säteilypiikki, jonka kerrotaan nostaneen annosnopeuden noin kahteen mikrosievertiin tunnissa (n. 16-kertaiseksi normaaliin taustasäteilyyn verrattuna). Tätä korkeammalle säteilytasolle altistuu tavallisella reittilennolla, eli jos luku pitää paikkansa, onnettomuudesta ei todennäköisesti ole aiheutunut asukkaille mainittavaa säteilyhaittaa.

Säteilytilannetta on seurattu tarkkaan myös Suomessa ja muissa Venäjän naapurimaissa, mutta kohonneita annosnopeuksia ei ole raportoitu. Kuopion, Imatran, Kotkan ja Helsingin ilmanäytteistä ei ole ainakaan toistaiseksi löytynyt merkkejä radioaktiivisista aineista. Merkittäviä pitoisuuksia ei myöskään ole odotettavissa, sillä päästölähde sijaitsee kaukana, ja ilmanvirrat suuntautuivat onnettomuuden aikaan Suomesta poispäin.

Räjähdyksen on kerrottu aiheutuneen rakettipolttoaineen syttymisestä, mutta Venäjä on muuten ollut tapahtumien taustoista vaitonainen. Koska tavanomaisissa raketeissa ja ohjuksissa ei käytetä radioaktiivisia aineita, epäilykset ovat kohdistuneet ydinkäyttöiseen 9M730 Burevestnik-risteilyohjukseen, josta käytetään myös NATO-nimeä SSC-X-9 Skyfall. Teknologiasta ei löydy yksityiskohtaista julkista tietoa, mutta sekalaisten internet-lähteiden perusteella ohjuksen työntövoima tuotetaan ilmeisesti patopainemoottorilla, jonka tarvitsema lämpö saadaan pieneltä ydinreaktorilta.v Tällainen ohjus voitaisiin varustaa ydinkärjellä, ja sen kantama on teoriassa lähes rajaton. Ennen ydinmoottorin käynnistymistä ohjus on kiihdytettävä suureen nopeuteen tavallisella rakettimoottorilla, mikä selittää rakettipolttoaineen roolin räjähdysonnettomuudessa.

Vastaavaa teknologiaa yritettiin kehittää Yhdysvalloissa 1950-1960-luvulla, ja myös Venäjän superase on todennäköisesti neuvostoajan peruja. Koska kyse on strategisiin ydinaseisiin liittyvästä sotilasteknologiasta, tarkempaa tietoa onnettomuuden taustoista lienee turha odottaa. Jos räjähdyksestä peräisin olevia radioaktiivisia aineita kuitenkin havaitaan Venäjän ulkopuolella, niiden koostumus voi kertoa jotain päästön lähteestä. Esimerkiksi fissiotuotteiden havaitseminen viittaisi siihen, että ohjuksen reaktoria on käytetty ennen räjähdystä. Reaktorin käynnistäminen vaikuttaa merkittävästi myös päästön suuruuteen, sillä säteilytetyssä polttoaineessa on monta kertaluokkaa enemmän aktiivisuutta kuin tuoreen polttoaineen puhtaassa uraanissa.

Päivitys (16.8.2019): Pohjois-Norjassa sijaitsevalla Svanhovdin tutkimusasemalla on havaittu radioaktiivista jodia. Tarkkaa pitoisuutta ei ole ilmoitettu, mutta määrän kerrotaan olevan hyvin pieni. Norjan säteily- ja ydinturvallisuuskeskus DSA on todennut, ettei päästöä voida varmuudella liittää Venäjällä tapahtuneeseen räjähdykseen. Tämä epävarmuus liittyy juuri siihen, että reaktorista peräisin olevassa päästössä on tyypillisesti mukana koko joukko muitakin isotooppeja, joita nyt ei ilmeisesti ole mittauksissa löytynyt. Radioaktiivista jodia havaitaan Norjan mittausasemilla tavallisesti 6-8 kertaa vuodessa. Mittausaseman annosnopeudessa ei ole havaittu poikkeamia.


i) Ilmakehässä on tehty kaikkiaan yli 500 ydinräjäytystä, joista suurin osa ajoittuu vuosille 1961-1962.

ii) Suomalaisten säteilyannoksista löytyy tarkempaa tietoa STUK:in Annoskakku 2012 -raportista.

iii) Jotta säteilystä aiheutuisi säteilysairaus tai muu välitön terveyshaitta, lyhyellä aikavälillä saadun annoksen on oltava noin yhden sievertin luokkaa. Yli 5 Sv:n annos johtaa tavallisesti hoitamattomana kuolemaan. Tällaisen kerta-annoksen saaminen ulkoisesta säteilystä edellyttää, että annosnopeus on vähintään miljoonia kertoja luonnollisen säteilytaustan yläpuolella. Pienempi annos voi kuitenkin aiheuttaa terveyshaittaa pitkällä aikavälillä. Säteilyaltistus alkaa näkyä selvästi kohonneena syöpäriskinä kun annos ylittää noin 0.1 Sv (100,000 µSv). Säteilyn terveysvaikutuksia on käsitelty tarkemmin toisessa blogikirjoituksessa.

iv) Eron taustalla on cesiumin Cs134-isotoopin suhteellisen monimutkainen tuotantoketju. Cs137:n fissiotuotto on korkea, ja suurin osa inventaarista syntyy suoraan uraani- tai plutoniumytimien haljetessa. Isotooppia Cs134 ei sen sijaan synny juuri lainkaan fissiossa, vaan hallitseva syntytapa on yhtä massalukua pienemmän Cs133:n neutronikaappausreaktio. Myöskään Cs133:n suora fissiotuotto ei ole erityisen suuri, vaan suurin osa Cs133:sta on peräisin toisen fissiossa syntyvän isotoopin, xenon-133:n betahajoamisreaktioista. Tämän isotoopin puoliintumisaika on 5.2 päivää, mikä muodostaa Cs134:n tuotolle ajallisen pullonkaulan. Ydinräjähdys tapahtuu alle mikrosekunnin aikaskaalassa, joten fissiossa syntyvä Xe133 ei ehdi hajota Cs133:ksi, joka voisi neutronin kaapatessaan muuttua edelleen isotoopiksi Cs134.

v) Venäläisuutisissa on käytetty myös termiä ”isotooppilähde”, joka reaktorin sijaan voisi periaatteessa viitata myös ydinparistoon. Perinteisten ydinparistojen toiminta perustuu radioaktiiviseen lähteeseen (esim. Sr90 tai Pu238), jonka tuottama hajoamislämpö muutetaan sähköksi termoelementeillä. Tällainen paristo on täysin huoltovapaa, ja se voi tuottaa sähköä yhtämittaisesti kymmeniä tai teoriassa jopa satoja vuosia kerrallaan. Ydinparistoja on käytetty voimanlähteinä esimerkiksi avaruusluotaimissa ja syrjäisissä kohteissa toimivissa majakoissa. Myös isotooppilähteisiin perustuvia raketteja on suunniteltu konseptitasolla, mutta teknologia tuskin soveltuu paljon työntövoimaa vaativaan nopeaan risteilyohjukseen.

Spoiler alert (HBO:n Tšernobyl-minisarja)

Jaakko Leppänen – 19.5.2019 (päivitetty 10.6.2019)

Update (June 10, 2019): This blog post is now also available in English.

HBO Nordicilla käynnistyi hiljattain Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta kertova minisarja, joka on jo ehtinyt keräämään paljon ylistäviä arvioita. Katsoin sarjan ensimmäiset jaksot, ja koska olen kirjoittanut aikaisemmin onnettomuuden syistä ja seurauksista, ajattelin että aihetta olisi mielenkiintoista käsitellä myös TV-sarjan tapahtumien kautta. Tarkoitus ei ole pilata kenenkään katselukokemusta oikomalla pikkutarkasti juonesta löytyvä virheitä, sillä kysehän ei ole dokumentista, vaan tositapahtumiin pohjautuvasta fiktiosta. Yritän siis parhaani mukaan olla nipottamatta turhasta, ja pikemminkin nostaa esille juonikuvioiden taustalla olevia todellisia tapahtumia, ja ylipäänsä sellaisia kohtauksia ja havaintoja, jotka itse koin mielenkiintoisiksi. Lähteenä olen käyttänyt pääasiassa samoja asiantuntijaraportteja kuin aikaisemmissakin kirjoituksissa.

Sarja on jaettu viiteen jaksoon:

Teksti on kirjoitettu sitä mukaa kun uusia jaksoa on tullut ulos, eli järjestys jossa asioita on käsitelty seuraa tarinan kulkua. Kirjoituksen loppuun olen kerännyt lisäksi yleisiä kommentteja ja lisähuomioita sellaisista asioista, joita ei sarjan varsinaisessa juonessa käsitelty. Sanomattakin lienee selvää, että kirjoitus sisältää juonipaljastuksia.


Jakso 1 – 1:23:45

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus tapahtui Ukrainassa lauantaina 26.4.1986, kun laitoksen nelosyksikön reaktori räjähti alasajon yhteydessä tehdyn rutiininomaisen turbiinikokeen jälkeen. Onnettomuusreaktori oli grafiittimoderoitu kanavatyyppinen kiehutusvesireaktori, joka poikkeaa tietyiltä osin tavanomaisista paine- ja kiehutusvesityyppisistä kevytvesireaktoreista. Reaktorin tyyppilyhenne RBMK mainitaan jakson kuluessa useampaan kertaan. Reaktorifyysikkona minua olisi erityisesti kiinnostanut nähdä miten onnettomuuteen johtanut tapahtumaketju sarjassa esitetään. Varsinaiset tapahtumat alkavat kuitenkin reaktorin räjähdyksestä, joka tapahtui aamuyöllä kello 01:23:45. Jätän onnettomuuden syiden kommentoinnin tältä erää väliin, sillä aiheeseen todennäköisesti palataan vielä myöhemmissä jaksoissa.

Sen verran täytyy kuitenkin heti alkuun todeta, että useimmissa dramatisoiduissa Tšernobyl-kuvauksissa onnettomuuden syy langetetaan reaktorin ohjaajien niskaan. Tämä käsitys on peräisin Neuvostoliiton IAEA:lle vuonna 1986 toimittamasta selvityksestä, ja se kumottiin jo 1990-luvun alussa kansainvälisen asiantuntijaryhmän laatimassa INSAG-7 -raportissa. Se, että yli 30 vuotta vanha neuvostopropaganda värittää edelleen länsimaisessa mediassa kerrottua tarinaa, kuvaa mielestäni hyvin aiheen vaikeutta.

Erityisesti laitosyksikön varapääinsinöörinä toiminut Anatoly Dyatlov on ollut tapana esittää tarinan roistona, joka omalla välinpitämättömällä toiminnallaan aiheutti reaktorin räjähtämisen. Dyatlov esitetään myös sarjan avausjaksossa varsin vastenmielisenä hahmona. Siltä osin kuvaus kuitenkin vaikuttaa todenmukaiselta, että käyttöhenkilökunta ei tunnu aluksi lainkaan ymmärtävän mistä on kyse. Räjähdys tapahtui myös todellisuudessa täysin yllättäen, ja vastoin kaikkea mitä reaktorin toiminnasta valvomossa tiedettiin. Dyatlov on itse kirjoittanut onnettomuusyön tapahtumista Nuclear Engineering International -lehteen vuonna 1991.

Onnettomuutta yritetään aluksi selittää turbiinihallissa tapahtuneella vetyräjähdyksellä. Monilla voimalaitoksilla vetykaasua käytetään generaattorin jäähdytykseen, joten painesäiliöihin varastoidun vedyn räjähtäminen saattoi ensialkuun vaikuttaa kaikkein johdonmukaisimmalta selitykseltä. Vuorosanoissa vaihtoehtoina vilahtavat myös sabotaasi ja sotilaallinen hyökkäys, joista aikalaiskertomusten mukaan todella keskusteltiin heti räjähdyksen jälkeen.

Valvomossa ensireaktio on varmistaa veden syöttö reaktorin sydämeen. Tämä liittyy siihen, että vaikka reaktori oli sammutettu juuri ennen räjähdystä, ydinpolttoaine tuottaa vielä fissiotehon katkeamisen jälkeenkin paljon lämpöä, kun lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vapautuu energiaa. Ydintekniikassa tätä kutsutaan reaktorin jälkilämmöksi. Jos polttoainetta ei jäähdytetä riittävästi, se voi ylikuumentua ja pahimmassa tapauksessa sulaa. Reaktorin pääkiertopumput eivät kuitenkaan enää toimi, ja myös fissiotehon katkaisevien säätosauvojen laskeutuminen näyttää pysähtyneen. Ydinvoimalaitoksille on tavallista, että turvallisuuden kannalta kriittisiä toimintoja voidaan ohjata eri tavoin. Työntekijöiden päättömältä vaikuttava juoksentelu paikasta toiseen ja jäähdytyskanavien venttiilien avaaminen käsin liittyy juuri siihen, että jäähdytysjärjestelmiä ja säätösauvoja yritetään saada vielä toimimaan.

Reaktorirakennuksen sisältä mitatun säteilytason havaitaan pian olevan koholla, mikä ei vielä sekään sulje pois turbiinipuolen vetysäiliössä tapahtunutta räjähdystä. Reaktorin sydämen läpi kulkenut jäähdytysvesi aktivoituu neutronien vaikutuksesta. RBMK on toimintaperiaatteeltaan kiehutusvesityyppinen reaktori, jossa turbiinia pyörittävä höyry otetaan suoraan reaktorin primäärikierrosta. Höyryputken tai syöttövesilinjan katkeaminen olisi voinut levittää radioaktiivista vettä reaktorirakennuksen tiloihin ja nostaa säteilytasoa. Dosimetrilla mitattu annoskertymä näyttää lukemaksi 3.6 röntgeniä, joka on sievert-yksiköissä n. 34 mSv.i Annos ei ole vaarallisen korkea (kts. säteilyn yksiköt ja suuruusluokat toisesta blogikirjoituksesta), mutta sen nopea kertyminen kertoo varsin korkeasta säteilytasosta. Todellisuudessa tällaisessa tilanteessa mitattaisiinkin kertymän lisäksi myös annosnopeutta, joka kertoo paremmin esimerkiksi sen, miten pitkään säteilevissä tiloissa on turvallista olla.

Tilannekuvan hahmottamista vaikeuttaa kuitenkin se, että 3.6 röntgeniä on mittarin maksiminäyttämä. Myös tämä juonikuvio perustuu todellisuuteen. Mittareiden mentyä välittömästi tappiin työntekijöillä ei ollut minkäänlaista käsitystä todellisesta säteilytasosta reaktorirakennuksen sisällä. Tulipaloa sammuttamaan saapuneilla palomiehillä ei ollut käytössään lainkaan säteilymittareita. Työntekijöiden ja palomiesten saamat tappavan korkeat säteilyannokset selittyvätkin pitkälti juuri sillä, että tilanteen vaarallisuus ei ollut aluksi kenenkään tiedossa. Pahimmissa paikoissa annosnopeus saattoi ylittää luonnollisen säteilytaustan miljardikertaisesti.

Kävellessään reaktorirakennuksen ikkunan ohi Dyatlov näkee laitoksen pihalla mustia kappaleita, jotka näyttävät grafiitilta. RBMK-reaktoreissa grafiittia käytetään reaktorin sydämessä neutronimoderaattorina (tähän palataan seuraavassa jaksossa). Ensimmäisen palokuntayksikön saapuessa paikalle palomies poimii käteensä yhden maassa lojuvista kappaleista. Kohtaukseen on ehkä saatu mallia aidosta valokuvasta (kuva 1), joka on otettu onnettomuuden jälkeen laitoksen pihalta. Hetkeä myöhemmin miehen käteen alkaa muodostua säteilyn aiheuttama palovamma. Ainoa mahdollinen selitys grafiitille on se, että räjähdys on tapahtunut reaktorissa eikä turbiinihallissa. Asiasta kuitenkin kiistellään vielä jakson loppuun saakka, vaikka koko reaktorirakennuksen yläosa on selvästi tuhoutunut räjähdyksessä, ja paikan päällä katsomassa käynyt työntekijä kertoo reaktorikuilun olevan auki. Myös todellisuudessa onnettomuuden mittakaavan hahmottaminen vei aikansa, minkä vuoksi pelastustoimissa tehtiin ihmishenkiä vaatineita virheitä.

grafiitti

Kuva 1: Grafiittimoderaattorin kappale kuvattuna laitoksen pihalla räjähdyksen jälkeen. Kappaleen keskellä oleva reikä on joko polttoaine- tai säätösauvakanava. Kappaleen läpimitta on 25 cm.

reaktorirakennus

Kuva 2: Ilmakuva räjähdyksessä tuhoutuneesta reaktorirakennuksesta.

Jakson loppua kohden aamu valkenee, ja yhä useammat säteilylle altistuneet työntekijät ja palomiehet alkavat kärsiä säteilysairauden oireista. Suurimmat säteilyannokset olivat yli 10 sievertin luokkaa. Akuutteja terveysvaikutuksia alkaa ilmentyä noin yhden Sv:n kokokehoannoksilla, ja hengenvaaralliseksi luokiteltava annos on 5-6 Sv. Suuren kokokehoannoksen lisäksi erityisesti palomiehet saivat betasäteilystä suuria paikallisia ihoannoksia.

Todellisuudessa pelastusoperaatio oli paljon sarjassa kuvattua suurempi. Ensimmäisen yön sammutustöihin osallistui noin 600 ihmistä. Räjähdystä seuranneen 12 tunnin aikana yhteensä 134 työntekijää toimitettiin säteilysairauden vuoksi hoitoon, ja sairauden aiheuttamiin välittömiin komplikaatioihin kuoli lopulta 28 ihmistä. Ohjelmasta ei käy ilmi se, miten suuren annoksen akuutin säteilysairauden kehittyminen todellisuudessa vaatii. Tšernobylin pelastustyöntekijät muodostavat suurimman osan kaikista koskaan raportoiduista tapauksista (Hiroshiman ja Nagasakin pommitusten aikaan vaikutuksia ei vielä kunnolla tunnettu). Kaikki tällaiset annokset saatiin juuri ensimmäisen vuorokauden pelastustöissä.

Lauantaiaamuna reaktorin tilanne oli siis se, että sydän oli kärsinyt räjähdyksessä vakavia vaurioita, ja rakennuksen kattoon oli puhjennut ammottava reikä. Sydämen päällä ollut tuhat tonnia painava betonisuoja oli kääntynyt poikittain, ja grafiittia ja polttoaineen kappaleita levinnyt 150 metrin säteelle. Lähes kaikki radioaktiivisen päästön tiellä olevat vapautumisesteet oli menetetty kerralla. Erityisesti radioaktiiviset jalokaasut olivat karanneet vaurioituneesta polttoaineesta nopeasti ilmaan. Ketjureaktio oli todennäköisesti katkennut kokonaan räjähdyksen tuhottua kriittisen geometrian (sarjan ensimmäisessä jaksossa tämä jäi vielä vähän epäselväksi).

Vaikka paikalliset tulipalot oli saatu sammumaan, onnettomuus ei ollut vielä ohi. Suurin osa polttoaineesta oli edelleen reaktorikuilussa. Radioaktiivinen hajoaminen tuotti paljon jälkilämpöä, ja seuraava uhka oli jäljelle jääneen polttoaineen sulaminen, joka vapauttaisi ilmaan lisää radioaktiivisia aineita. Reaktorin käydessä pääosa polttoaineeseen syntyneistä radionuklideista jää keraamisten uraanioksiditablettien sisälle, mutta lämpötilan noustessa niiden vapautuminen alkaa kiihtyä. Erityisesi jodi ja cesium muodostavat kaasuuntuvia yhdisteitä, jotka karkaavat helposti sulasta sydänmassasta. Reaktoriin yritettiin epätoivoisesti saada vettä syöttövesipumpuilla, mutta yrityksistä jouduttiin luopumaan aamuun mennessä. Käytännössä polttoaineen sulamista oli enää mahdoton välttää, ja pelastustoimet alkoivatkin keskittyä enemmän seurausten rajoittamiseen.

Lämpötila kohosi lopulta niin korkeaksi, että reaktorikuilussa syttyi raju tulipalo. Kaasu- ja aerosolimuotoisia päästöjä sekä polttoaineesta mekaanisesti irronneita kuumia hiukkasia alkoi nousta palokaasujen mukana korkealle ilmaan. Kaukokulkeuma levisi lopulta tuhansien kilometrien päähän. Sarjan tapahtumista poiketen tulipalo ei todennäköisesti syttynyt välittömästi räjähdyksen jälkeen. Joissain lähteissä liekkien sanotaan kohonneen kymmenien metrien korkeuteen vasta lauantai-iltaan mennessä.

Sekalaisia poimintoja:

  • Termi ”reactor core” on käännetty reaktorin ytimeksi. Oikea suomenkielinen termi on reaktorin sydän, jota olen käyttänyt myös tässä tekstissä.

  • Palavasta reaktorikuilusta nousee taivaalle sinertävä valokeila, jonka kerrotaan olevan Tšerenkovin säteilyä. Seuraavassa jaksossa loisteen sanotaan aiheutuvan ilman ionisaatiosta. Kyse on kahdesta eri ilmiöstä, jotka molemmat liittyvät gammasäteilyn vuorovaikutuksiin väliaineen kanssa.ii On hyvin mahdollista, että reaktorista peräisin olevat erittäin radioaktiiviset aineet saivat ilman hohtamaan. Keilamaisen valopatsaan muodostuminen herättää enemmän epäilyksiä. Jotkut silminnäkijät ovat tällaisesta puhuneet, mutta ainakaan itse en muista nähneeni ilmiöstä ainuttakaan valokuvaa.

  • Henkilökunnan välisissä keskusteluissa nostetaan toistuvasti esille mielikuva siitä, että RBMK-reaktori ei voi räjähtää. Todellisuudessa RBMK on lähestulkoon ainut reaktorityyppi, jolla Tšernobylin onnettomuuden kaltainen räjähdys on ylipäänsä mahdollinen. Vaikka laitoksen epäedulliset turvallisuusominaisuudet eivät olleet ohjaajien tiedossa, tuntuu silti oudolta painottaa sitä, että räjähdys olisi mahdoton juuri tässä nimenomaisessa reaktorityypissä. RBMK-reaktoreihin ei nimittäin liity sellaisia erityispiirteitä, minkä vuoksi henkilökunnalla olisi ollut syytä olettaa, että RBMK on myöskään esimerkiksi Loviisassa käytettävää VVER-reaktorityyppiä turvallisempi.

  • Reaktorin tulipalo muodostaa paksun tumman savupatsaan. Palamista ylläpitivät herkästi syttyvät kaasut (pääasiassa vety ja hiilimonoksidi), joita muodostui kuuman grafiitin ja zirkonium-metallisten rakennemateriaalien reagoidessa kemiallisesti veden kanssa. Tällainen tulipalo ei tuota suurta määrää savua, vaan palokaasut koostuvat lähinnä valkoisesta vesihöyrystä. Alkuvaiheessa mukana saattoi tosin olla myös kattorakenteissa käytettyä bitumia, joka kyllä tuottaa palaessaan mustaa savua.

  • Pripjatilaisessa sairaalassa synnytysosaston lääkäri ja sairaanhoitaja keskustelevat ydinvoimalaitoksen tulipalosta, joka näkyy horisontissa huoneen ikkunasta. Hoitaja kysyy onko sairaalan varastossa jodia, eikä lääkäri tunnu aluksi ymmärtävän kysymystä. Neuvostoliitto oli vuonna 1986 valmistautunut ydinsotaan jo 40 vuoden ajan, ja jokaisella terveydenhuollon ammattilaisella oli taatusti käsitys siitä, minkälaisia toimenpiteitä ydinlaskeuma aiheuttaa. Joditabletteja käytetään kyllästämään kilpirauhanen stabiililla jodilla, mikä vähentää merkittävästi laskeuman mukana tulevan radioaktiivisen I131-isotoopin imeytymistä. 60-70% Pripjatin asukkaista sai jodisuojauksen puolentoista vuorokauden kuluessa reaktorin räjähdyksestä.


i) Käytän tässä tekstissä yksinkertaisuuden vuoksi kaikista säteilyannoksista sievert-yksikköä (Sv), vaikka akuuttia säteilyhaittaa mittaavan absorboituneen annoksen yksikkö on gray (Gy).

ii) Sinistä Tšerenkovin säteilyä syntyy kun korkeaenergisten fotonien compton-sironta irrottaa atomeilta elektroneja. Jos elektronin nopeus ylittää sähkömagneettisen aaltoliikkeen nopeuden väliaineessa, kentän energia pakkautuu hiukkasen eteen muodostaen samankaltaisen kiilamaisen shokkiaallon kuin yliäänennopeudella lentävä hävittäjäkone. Mekaanisen ääniaallon tapauksessa ilmiö aiheuttaa voimakkaan pamahduksen, ja elektronin tapauksessa shokkiaalto tuottaa valoa ultarvioletti- ja sinisen värin aallonpituusalueilla. Tšerenkovin säteilyä syntyy lähinnä vedessä, missä sähkömagneettisen säteilyn etenemisnopeus on suhteellisen pieni. Ionisoituneen ilman aiheuttama loiste on väriltään lähempänä violettia, ja siinä esiintyy samoja sävyjä kuin salamaniskussa.


Jakso 2 – Please remain calm

Sarja alkoi hyvin lupaavasti, mutta jo toinen jakso oli ainakin minulle lievä pettymys. Osasin odottaa, että sujuva tarinankerronta edellyttää toisinaan faktojen oikomista ja muita taiteellisia vapauksia. Tšernobyl on kuitenkin niin traaginen tarina, että sarjan olisi hyvin voinut rakentaa ihan todellistenkin tapahtumien ympärille. Muutamassa kohtauksessa asiavirheet ovat niin epäloogisia, että yksinkertaistettu fysiikka pikemminkin vaikeuttaa tapahtumien ymmärtämistä. Suurin pettymys oli kuitenkin se, että käsikirjoitus sortuu toistamaan yleisesti tunnettuja onnettomuuteen liittyviä myyttejä, jotka eivät todellisuudessa pidä paikkansa.

Jakso ajoittuu reaktorin räjähdystä seuraavien vuorokausien tapahtumiin lauantainaamusta eteenpäin. Alussa Valko-Venäjällä sijaitsevassa ydinenergiainstituutissa havaitaan säteilyä, ja ydinfyysikko Ulana Khomyuk (fiktiivinen hahmo) ottaa ikkunan ulkopinnalta pyyhkäisynäytteen. Gammaspektrianalyysi osoittaa näytteen sisältävän radioaktiivista I131:stä, mikä puolestaan kertoo että jossain lähialueella on tapahtunut reaktorionnettomuus.

Vastaavia säteilyhavaintoja tehtiin myös oikeasti. Päästöpilvi kulkeutui tuulen mukana nopeasti pohjoismaihin. Neuvostoliiton ulkopuolella radioaktiivinen laskeuma havaittiin ensimmäiseksi Ruotsissa Forsmarkin ydinvoimalaitoksella hieman yli vuorokausi reaktorin räjähdyksen jälkeen. Suomessa vastaavia mittauksia tehtiin puolustusvoimien valvonta-asemilla sunnuntai-iltana. Korkeimmat pitoisuudet mitattiin vuorokautta myöhemmin. Säteilytaso kohosi noin viiteen mikrosievertiin tunnissa, mikä vertautuu kosmisen säteilyn aiheuttamaan annosnopeuteen matkustajakoneen matkalentokorkeudessa. Otaniemen reaktorilla työskennelleet VTT:n tutkijat ovat kertoneet, että onnettomuuden jälkeisellä viikolla herkät säteilymonitorit olivat hälyttäneet kengänpohjissa olevasta kontaminaatiosta heidän palatessaan lounastauolta takaisin sisätiloihin.

Moskovan yliopiston professori Valeri Legasov hälytetään kriisikokoukseen, jossa hän saa vakuutettua Gorbatšovin siitä, että tilanne on paljon vakavampi kuin mitä viralliset raportit antavat ymmärtää. Näkemys perustuu erityisesti siihen, että raportissa todetaan palomiehen saaneen käteensä säteilyvammoja reaktorirakennuksen pihalla olevasta kappaleesta, joka kuvauksen perusteella vaikuttaa reaktorin sydämestä peräisin olevalta grafiitilta. Gorbatšov lähettää Legasovin ja varapääministeri Shcherbinan Tšernobyliin tarkastamaan tilannetta.

Legasov selittää ydinreaktorin toimintaperiaatetta Shcherbinalle helikopterimatkalla Moskovasta Tšernobyliin, ja kertoo että energiantuotanto perustuu neutronien U235:ssä aikaansaamaan fissioreaktioon. Grafiitin roolista todetaan seuraavaa (lainaukset suoraan suomenkielisestä tekstityksestä):

– Neutronit liikkuvat niin nopeasti, että sanomme sitä vuokseksi.

– On epätodennäköistä, että uraaniatomit osuvat toisiinsa.

– RBMK-reaktoreissa me ympäröimme (polttoaine)sauvat grafiitilla, joka hillitsee tai hidastaa neutronivuota.

Tässä kuvauksessa menevät sekaisin neutronit ja atomit, tosin myöskään vuorosanojen käännös ei ole paras mahdollinen. Fissio ei tapahdu kahden uraaniatomin törmätessä toisiinsa, vaan ytimen absorboidessa neutronin.i Neutronin todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen riippuu voimakkaasti sen liike-energiasta. Törmäystodennäköisyys on suurimmillaan silloin, kun neutronin nopeus on pieni. Polttoainetta ympäröivän neutronihidasteen eli moderaattorin tehtävä onkin hidastaa neutronit fissioreaktion kannalta optimaaliselle matalalle energia-alueelle. Tavallisissa paine- ja kiehutusvesireaktoreissa moderaattorina käytetään vettä, ja RBMK-reaktoreissa grafiittia. Neutronien hidastumista ja ketjureaktion fysiikkaa on kuvattu yksityiskohtaisemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Legasovin ja Shcherbinan saavuttua Tšernobyliin tilanteen vakavuutta aletaan selvittää lähettämällä paremmalla säteilymittarilla varustettu kuorma-auto laitosalueelle. Mittarin lukema näyttää 15,000 röntgeniä (n. 150 Sv). Legasov toteaa, että reaktori säteilee tunnissa lähes kaksi kertaa enemmän kuin Hiroshiman pommi, ja että reaktori palaa ja levittää myrkkyä kunnes koko maanosa on kuollut.

Radioaktiivisuus ja säteily ovat eri asioita. Samoin päästön suuruus, säteilyn voimakkuus ja säteilyannos. Paras suure kuvaamaan radioaktiivista päästöä on aktiivisuus, joka kertoo hajoamisreaktioiden lukumäärän aikayksikössä. Tulipalossa vapautuvan päästön kokonaisaktiivisuutta ei kuitenkaan voi päätellä suoraan mitatusta annoskertymästä, joten myöskään vertausta ydinräjähdyksen vaikutuksiin ei vielä näiden tietojen perusteella ole mahdollista tehdä.

Myös Hiroshima-vertauksen mittakaava on pielessä. Suurvallat tekivät kylmän sodan aikana ydinkokeita ilmakehässä 35,000 Hiroshiman pommin edestä, eikä niiden aiheuttama radioaktiivinen laskeuma tuhonnut elämää maapallolta. Maanpäällisiä ydinkokeita on tehty myös Novaja Zemljan saarella Pohjoisella Jäämerellä, joka sijaitsee suunnilleen yhtä kaukana Pohjois-Suomesta kuin Tšernobyl Helsingistä.

Tulipalon sammuttamisesta keskusteltaessa Legasov toteaa, että reaktori palaa niin kuumana, ettei paloa voida sammuttaa vedellä. Vuorosanoista voi saada sellaisen käsityksen, että reaktori olisi edelleen käynnissä. Todellisuudessa sydän kärsi kuitenkin niin pahoja vaurioita, että ketjureaktio katkesi todennäköisesti jo räjähdyksen hetkellä. Vaikka reaktori olisikin tuottanut hieman fissiotehoa, suurempi ongelma oli joka tapauksessa polttoaineen jälkilämpö, jota on mahdoton kytkeä pois. Tulipaloa aletaan tukahduttaa pudottamalla reaktorin päälle hiekkaa helikopterista käsin.

Sammutusoperaatio toteutettiin myös oikeasti, ja se kesti pitkälti toista viikkoa. Lentoja palavan reaktorin ylle tehtiin 1800, ja helikoptereiden miehistöt saivat niiden aikana suuria säteilyannoksia. Yksi koptereista tuhoutui törmätessään laitosalueella olevaan nosturiin. Kyseinen onnettomuus tosin tapahtui vasta lokakuussa 1986, kun tulipalo oli jo aikaa sitten saatu sammutettua. Reaktorikuiluun pudotettiin myös neutroneita absorboivaa booria, mikä viittaa siihen, että reaktorin sammuttajilla lienee kuitenkin ollut jonkinlainen huoli polttoaineen uudelleenkriittisyydestä.ii

Jakson jälkipuoliskolla juonessa tapahtuu käänne. Khomyuk keksii, että biologisen suojan läpi sulanut polttoaine voi aiheuttaa räjähdyksen alapuolella olevassa lauhdutusaltaassa (englanniksi termi on ”bubbler pool”, joka on suomenkielisessä tekstityksessä käännetty yksinkertaisesti vesisäiliöksi).iii Selittäessään tilannetta Gorbatšoville hän arvioi räjähdyksen voimakkuudeksi 2-4 megatonnia. Lopputulosta kuvataan seuraavasti:

– Kaikki 30 kilometrin säteellä tuhoutuu täysin, mukaan lukien kolme jäljellä olevaa reaktoria.

– Kaikkien ydinten radioaktiivinen materiaali sinkoutuu rajusti, ja leviää valtavan paineaallon avulla.

– Se ulottuu noin 200 kilometrin päähän, ja tappaa luultavasti koko Kiovan asukkaat sekä osan Minskistä.

– Säteily on suurta, ja se vaikuttaa Ukrainaan, Latviaan, Liettuaan, Valko-Venäjään sekä Puolaan, Tšekkoslovakiaan, Unkariin, Romaniaan ja Itä-Saksaan.

Gorbatšovin kysyessä mitä tämä tarkoittaa käytännössä Legasov vastaa, että ruuan- ja vedentuotanto tuhoutuu pysyvästi, syövän ja epämuodostumien määrät lisääntyvät rajusti, ja Valko-Venäjä ja Ukraina muuttuvat täysin asuinkelvottomiksi vähintään sadan vuoden ajaksi. Alueella asuu 60 miljoonaa ihmistä.

Juonikuviossa on totuuden siemen, mutta seurausten mittakaava on monta kertaluokkaa pielessä. Megatonni on energian yksikkö, jolla mitataan ydinräjähdysten voimakkuutta. Esimerkiksi Hiroshimaan pudotettu fissiopommi oli voimakuudeltaan n. 15 kilotonnia. Sarjassa esitetty väite 2-4 megatonnin räjähdyksestä vastaa siis satoja Hiroshiman pommeja. Käytännössä tällaista energiamäärää ei voi vapautua edes tavanomaisessa ydinräjähdyksessä, vaan siihen tarvitaan jo vetypommia. Määrä vastaa suunnilleen Loviisan ydinvoimalan yhden reaktoriyksikön puolen vuoden tuotantoa. Jos vuorosanat tulkitsee siten, että räjähdyksen painevaikutus tekee tuhoa 200 kilometrin säteellä, niin silloin puhutaan vetypommin sijaan jo asteroiditörmäyksestä.

Todellisuudessa kyse oli kuitenkin höyryräjähdyksestä, jolla tarkoitetaan sulan metallin tai muun korkeassa lämpötilassa olevan massan vuorovaikutusta veden kanssa. Kuuma sydänsula olisi altaaseen osuessaan voinut hajota pieniksi pisaroiksi, ja siirtää lämpöenergiansa nopeasti veteen. Veden höyrystyminen olisi tällöin nostanut paineen hetkessä räjähdysmäisen korkeaksi. Ylimääräistä energiaa ei höyryräjähdyksessä kuitenkaan vapaudu, vaan kaikki energia, joka prosessissa muuttaa muotoaan, on peräisin sydänsulaan varastoituneesta lämmöstä.

Tšernobylissä höyryräjähdystä pelättiin todennäköisesti siksi, että se olisi levittänyt lisää radioaktiivisia aineita laitosalueelle, vaikeuttaen jo muutenkin lähes ylivoimaiseksi osoittautuneita pelastustöitä. Jossain vaiheessa historiaa totuus on kuitenkin vääristynyt sellaiseen muotoon, että sydänsulan päätyminen altaaseen olisi voinut aiheuttaa ydinräjähdyksen.iv Yleisimmistä Tšernobyl-myyteistä tämä on se, joka on kaikkein eniten väärin.

Jakso loppuu siihen, että radioaktiivisen veden täyttämää lauhdutusallasta tyhjentämään lähetetään kolmen vapaaehtoisen sukeltajan muodostama itsemurharyhmä. Sankarillisesta teosta uutisoitiin aikanaan jopa kansainvälisessä mediassa. Todellisuudessa altaan tyhjentäminen tapahtui vasta 8 päivää reaktorin räjähdyksen jälkeen. Laitosalueella työskenteli tällöin jo tuhansia ihmisiä. Höyryräjähdys olisi voinut tehdä kaikki siihenastiset pelastustyöt tyhjäksi, ja vaikeuttaa edelleen tulipalon sammuttamista.

poikkileikkaus

Kuva 3: Poikkileikkauskuva reaktorirakennuksesta. Reaktorista valunut sydänsula on piirretty kuvaan punaisella. Lauhdutusaltaat näkyvät reaktorikuilun alapuolella olevissa tiloissa. Kuvaan on piirretty myös suojaksi rakenneturn sarkofagin rakenteita.

Sekalaisia poimintoja:

  • Kun Lyudmilla Ignatenko etsii sairaalasta sammutustöihin osallistunutta aviomiestään, yhdessä kohtauksessa esiintyy pahoja säteilyvammoja saaneita ihmisiä, jotka edellisessä jaksossa seurasivat horisontissa loimuavaa tulipaloa kaupungin laitamilla olevalta rautatiesillalta (tähän ”kuoleman siltaan” viitataan myös viimeisen jakson lopputeksteissä). En ole löytänyt esimerkiksi UNSCEAR:in onnettomuutta käsittelevistä raporteista mainintaa siitä, että kaupungin asukkaat olisivat saaneet säteilystä välittömiä teveyshaittoja. Käytännössä esimerkiksi akuutti säteilysairaus edellyttääkin lähes tappavan korkeaa annosta, eikä säteilytaso kaupungissa noussut missään vaiheessa niin korkeaksi, että siitä olisi koitunut välitöntä hengenvaaraa. Kuten edellä todettin, kaikki hengenvaarallisen korkeita annoksia saaneet ihmiset altistuivat säteilylle reaktorirakennuksen välittömässä läheisyydessä ensimmäisen onnettomuusyön aikana.

  • Löydettyään pyyhkäisynäytteestä radioaktiivista I131:ä Khomyuk toteaa ettei isotooppi voi olla peräisin ydinräjähdyksestä, vaan kyse on U235:n hajoamistuotteesta, jota on syntynyt reaktorin polttoaineessa. Todellisuudessa I131 on fissiotuote, jota syntyy sekä reaktorissa että ydinräjähdyksessä. Pelkän jodin perusteella tällaista johtopäätöstä ei siis voi tehdä. Ydinlaskeuma ei myöskään muodostu yksittäisestä isotoopista, vaan analyysi olisi paljastanut myös muita jodin, ja todennäköisesti myös ainakin cesiumin isotooppeja. Päästön alkuperän voi kyllä päätellä isotooppien keskinäisistä suhteista.

  • Legasovin puhuessa Gorbatšoville Moskovassa pidetyssä kokouksessa hän selittää säteilyä toteamalla, että jokainen U235-atomi on kuin lähes valonnopeudella kulkeva luoti. Vertaus on väärä, sillä kyse ei ole radioaktiivisen ytimen liikkeestä, vaan sen hajoamisessa syntyneistä korkeaenergisistä hiukkasista ja gammasäteilystä. Tässä yhteydessä säteilyn varsinainen lähde ei myöskään ole pitkäikäinen U235, vaan ytimen halkeamisessa muodostuneet korkea-aktiiviset fissiotuotteet. Legasovin selittäessä reaktorin toimintaa myöhemmin Shcherbinalle hän käyttää samaa luotivertausta fissiossa syntyneestä neutronista, jolloin kyse on taas eri ilmiöstä.

  • Englanninkielinen neutronien hidastumiseen viittaava termi ”moderate” on käännetty suomenkielisessä tekstityksessä hillitsemiseksi. Käännös on siinä mielessä ongelmallinen, että neutronien liikkeen nopeus sekoittuu helposti reaktorin fissiotehon kasvunopeuteen. Neutronihidasteella eli moderaattorilla ei nimittäin hillitä ketjureaktion etenemistä, vaan muokataan neutronien energiaspektriä sellaiseksi, että fission todennäköisyys riittää ylläpitämään ketjureaktion kulkua.

  • Sydänsulan aiheuttamaan höyryräjähdykseen kytkeytyvä juonikuvio liitetään tarpeettomasti reaktorin tulipalon sammutuksessa käytettävään hiekkaan, jonka sanotaan estävän polttoaineen jäähtymistä, ja muodostavan sulaessaan kuumaa ”laavaa”. Sydänsula muodostuu uraanioksidista, suojakuoriputkien zirkoniumista ja näihin sekoittuneista aineista. Hiekan lisääminen ei todellisuudessa muuta seosta millään tavalla vahingollisemmaksi, ja radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö riittää ilman hiekkapeitettäkin sulattamaan polttoaineen.

  • Pripjatin kaupungin evakuointitoimet päätetään aloittaa sunnuntai-iltapäivällä sen jälkeen, kun Shcherbina kuulee että Ruotsissa on havaittu säteilyä, ja onnettomuutta on enää mahdoton pitää salassa länsimailta. Todellisuudessa tapahtumat etenivät päinvastaisessa järjestyksessä. Päätös evakuoinnista tehtiin jo sunnuntain vastaisena yönä, ja operaation valmistelu alkoi heti aamulla. 50,000 asukkaan kaupunki tyhjennettiin kolmessa tunnissa. Jos neuvostojärjestelmä oli muuten byrokraattinen ja tehoton, niin ainakin suurten ihmismassojen siirtäminen paikasta toiseen onnistui vanhalla rutiinilla. Uutiset onnettomuudesta alkoivat levitä maailmalle vasta maanantain kuluessa.


i) Legasovin vuorosanoissa mainittu neutronivuo on matemaattinen tiheyden kaltainen suure, jota käytetään reaktorifysiikassa liittämään neutronipopulaation käyttäytyminen reaktionopeuteen.

ii) Koska RBMK-reaktorin moderaattorina käytetään kiinteää grafiittia, osa tuhoutuneesta reaktorisydämestä saattoi jäädä sen verran ehjäksi, että ketjureaktio pääsi käynnistymään. Ilman jäähdytyskiertoa reaktori ei kuitenkaan pysty tuottamaan merkittävästi fissiotehoa ilman että ketjureaktio katkeaa polttoaineen sulamiseen. Kevytvesireaktoreissa vastaava onnettomuustilanne on lähtökohtaisesi erilainen, sillä moderaattorina käytetään vettä, joka höyrystyy ja karkaa sydämestä katkaisten ketjureaktion etenemisen kun lämpötila nousee riittävän korkeaksi.

iii) Lauhdutusallas on osa RBMK-reaktorin onnettomuudenhallintajärjestelmää. Jos jäähdytyspiirissä tapahtuu vuoto, höyry puhalletaan altaaseen, jolloin sen lauhtuminen pienentää muodostuvaa painekuormaa. Myös höyryn mukana mahdollisesti kulkeutuvia fissiotuotteita jää tällöin altaan veteen.

iv) Räjähdyksestä on monissa teknisissä raporteissa käytetty englanninkielistä termiä ”thermal explosion”. Oma veikkaukseni on, että tämä on jossain Tšernobylin onnettomuutta käsittelevässä uutisessa tai TV-dokumentissa sekoittunut termiin ”thermonuclear explosion”, jolla tarkoitetaan vetypommin räjähdystä.


Jakso 3 – Open Wide, O Earth

Onnettomuuden aktiivinen vaihe kesti noin kymmenen päivää. Reaktorin päälle pudotettiin yli 5000 tonnia hiekkaa, lyijyä, dolomiittia, boorikarbidia sekä muita aineita, joilla tulipaloa yritettiin tukahduttaa ja radioaktiivisten aineiden päästöä rajoittaa. Sammutuslennot jouduttiin kuitenkin keskeyttämään seuraavan viikon perjantaihin mennessä, sillä reaktorin tukirakenteiden pelättiin romahtavan päälle kasaantuneen painon vaikutuksesta. Ilmasta mitatut aktiivisuuspitoisuudet eivät myöskään laskeneet odotetusti, ja viikko räjähdyksen jälkeen päästöt kääntyivät jälleen nousuun. Myöhemmin on selvinnyt, että suurin osa helikopterista pudotetuista aineista ei edes päätynyt reaktorikuiluun saakka.i

Pelastustöissä päätettiin vaihtaa strategiaa, ja tulipaloa alettiin sammuttaa typellä. Alkuperäinen suunnitelma oli pumpata nestemäistä typpeä reaktorin alapuolisia jäähdytyskanavia pitkin suoraan sydämeen. Räjähdyksen aiheuttamat vauriot sekä korkea säteilytaso reaktorirakennuksen sisällä estivät kuitenkin operaation toteuttamisen. Nestetypen sijaan sammutukseen päätettiin käyttää typpikaasua, jonka toivottiin löytävän tiensä seiniin porattujen reikien ja putkistojen kautta reaktorikuiluun. Sammutus päästiin kuitenkin aloittamaan vasta 6.5., jolloin onnettomuuden aktiivinen vaihe oli jo ohi. Tulipalo oli tällöin sammunut, ja päästöt pudonneet tuhannesosaan huippuarvoista.

Sammutustöiden merkityksestä on olemassa erilaisia näkemyksiä, ja erityisesti neuvostoviranomaisten ensimmäisissä selvityksissä operaatiota kuvataan onnistuneeksi. Todennäköisempää kuitenkin on, että tulipalo sammui omia aikojaan. Sydänsula puhkaisi reaktorin alapuolella olevan biologisen suojan luultavasti maanantaina 5.5., jolloin mitatuissa päästöissä tapahtui nopea pudotus. Sula sydänmassa tunkeutui höyrynjakosuuttimien kautta lauhdutusaltaiden yläpuolella olevaan tilaan, ja sieltä putkiläpivientien kautta kahteen altaaseen, jotka sijaitsivat rakennuksen alemmissa kerroksissa (kts. kuva 3). Levitessään laajemmalle pinta-alalle sydänsula jäähtyi ja jähmettyi. Samalla myös merkittävä ilmapäästö loppui. Lämpötilan laskiessa reaktorikuilussa oleva grafiitti lakkasi tuottamasta palavia kaasuja, ja tulipalo sammui. Toinen mahdollinen selitys on se, että ilmakierto reaktorikuiluun muuttui sellaiseksi, ettei tulipalo saanut enää riittävästi happea.

corium

Kuva 4: Höyrynjakosuuttimeen jähmettynyttä sydänsulaa lauhdutusaltaan yläpuolella olevassa tilassa (kuvan 3 poikkileikkauksessa alhaalta lukien kolmas kerros, johon punaista sydänsulaa on piirretty). Sula sydänmassa muistutti koostumukseltaan siirappia. Se, että suutin on säilynyt ehjänä, kertoo sydänsulan lämpötilan laskeneen jo tässä vaiheessa teräksen sulamispisteen alapuolelle.

Reaktorin sammutus käsiteltiin sarjan kolmannessa jaksossa varsin lyhyesti. Typpisammutus yhdistettiin juonessa toiseen operaatioon, joka todellisuudessa toteutettiin hieman myöhemmin. Onnettomuuden aikaan sydänsulan käyttäytymistä ei tunnettu tarkasti, ja sulan polttoaineen pelättiin syöpyvän kaikkien betonikerrosten läpi aina pohjaveteen saakka.ii Tämän estämiseksi reaktorirakennuksen alle päätettiin asentaa lämmönvaihtimia, jotka jäähdyttäisivät maaperän ja sulan sydänmassan, estäen radioaktiivisten aineiden leviämisen vesistöön. Kaivutyöt aloitettiin muutama päivä aktiivisen onnettomuusvaiheen päättymisen jälkeen, ja ne jatkuivat aina kesäkuun lopulle saakka. Kun rakennelma saatiin valmiiksi, sitä ei kuitenkaan katsottu enää tarpeelliseksi.

Jakson jälkipuoliskolla Legasov kertoo Gorbatšoville tarvittavista jatkotoimenpiteistä. Radioaktiivisten aineiden leviämisen estämiseksi laitoksen lähiympäristö on puhdistettava, ja tuhoutuneen reaktorin päälle rakennettava tukeva suoja. Puhdistustöillä estettäisiin se, että radioaktiivisia aineita alkaisi leviämään uudelleen ilmaan esimerkiksi maastopalon seurauksena. Onnettomuuden jälkihoito alkoi pian sen jälkeen, kun reaktorin tila oli todettu vakaaksi. Pitkäaikainen työskentely reaktorirakennuksen lähellä edellytti kuitenkin mittavia raivaustöitä, sillä säteilytaso oli ensin saatava laskemaan. Työ jouduttiin tekemään suurelta osin käsin. Pahimmissa paikoissa annosnopeudet saattoivat nousta niin korkeiksi, että työntekijöiden annosrajat tulivat raskaasta suojavarustuksesta huolimatta hyvin nopeasti täyteen. Ainoa keino rajoittaa säteilyaltistusta oli raivaajien jatkuva kierrättäminen.

Legasov arvioi, että operaatio tulisi kestämään kolme vuotta, ja vaatimaan 750,000 työntekijää. Nämä arviot vastaavat lopullisia, toteutuneita lukuja, mutta todellisuudessa operaation mittakaava tuskin oli alusta pitäen selvä. UNSCEAR:in tilastoihin on kerätty eri menetelmillä arvioituja säteilyannoksia yli 500,000 onnettomuuden jälkihoitoon osallistuneelta työntekijältä, joista noin puolet oli sotilaita. Eräiden arvioiden mukaan on kuitenkin mahdollista, että operaatioon osallistui vuosien 1986-1990 välisenä aikana jopa miljoona ihmistä.

Pripjatin kaupungin lisäksi myös pienempiä lähialueella olevia kyliä aletaan tyhjentää ihmisistä. Evakuointivyöhykettä laajennettiin lopulta 30 kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta. Yhteensä noin 116,000 ihmistä joutui jättämään pysyvästi kotinsa. Myöhempinä vuosina pahimmin saastuneilta alueilta evakuoitiin vielä 210,000 ihmistä.

Jaksossa seurataan myös sammutustöihin osallistuneen palomiehen Vasili Ignatenkon ja tämän Lyudmilla-vaimon tarinaa. Ignatenko oli yksi kuudesta reaktorirakennuksen sammutustöihin osallistuneesta palomiehestä, jotka kuolivat säteilysairauteen moskovalaisessa sairaalassa pian onnettomuuden jälkeen. Suuren kokokehoannoksen lisäksi palomiehet saivat pahoja ihovaurioita betasäteilystä. Käsikirjoitukseen on otettu vaikutteita Svetlana Alexsijevitšin vuonna 1997 ilmestyneestä kirjasta ”Tšernobylistä nousee rukous”. Kirjaan on kerätty pelastustyöntekijöiden, raivaajien ja lähialueen asukkaiden kertomuksia onnettomuudesta ja elämästä Tšernobylin jälkeen. Lyudmilla Ignatenkon kertomus on yksi kirjan luvuista. Alexsijevitš palkittiin kirjallisuuden Nobelilla vuonna 2015.

Tarinaa pohjustetaan kohtauksella, jossa Legasov kertoo Shcherbinalle säteilyn vaikutuksista tämän kysyessä mitä lauhdutustaan tyhjennysventtiileitä avaamaan lähetetyille sukeltajille tulee tapahtumaan. Monissa Tšernobyl-kuvauksissa miesten väitetäänkin kuolleen säteilyyn. Todellisuudessa reaktorirakennuksen alemmissa kerroksissa oli käyty jo aikaisemmin, eikä säteilytaso ollut niin korkea, että siitä olisi aiheutunut välitöntä hengenvaaraa. Sukeltajat jäivät henkiin, ja heidät palkittiin urhoollisuusmitaleilla huhtikuussa 2018. Yksi miehistä oli tosin ehtinyt jo kuolla sydänsairauteen vuonna 2005.

Onnettomuuden johtanut tapahtumaketju alkaa hahmottua, kun Khomyuk alkaa selvittää valvomohenkilökunnan toimintaa. Valvomossa työskennelleet Toptunov ja Akimov kertovat, että fissioteho alkoi turbiinikokeen jälkeen nopeasti nousta, mutta vasta hätäpysäytyspainikkeen (AZ-5) painaminen aiheutti reaktorin räjähdyksen. Khomyuk ja Legasov pitävät selitystä aluksi mahdottomana, sillä hätäpysäytyksen tarkoitus on päinvastoin sammuttaa ketjureaktio pudottamalla neutroniabsorbaattoria sisältävät säätösauvat reaktorin sydämeen. Miehet ehtivät kuolla ennen kuin heitä kuullaan uudemman kerran.

KGB pidättää Khomyukin, kun hän uhkaa kertoa Lyudmillan vierailusta miehensä luona sairaalassa. Juonikuvio on siinä mielessä uskottava, että omien kansalaisten vakoilu oli maan tapa. Neuvostoliiton poliittinen johto yritti myös ainakin jossain määrin peitellä onnettomuuden seurauksia ja suojella todellisia syyllisiä. Ympäristöön vapautunut päästö esitettiin aluksi todellista pienempänä, väestönsuojelutoimissa tehtyjä virheitä peiteltiin, ja syy reaktorin räjähdyksestä yritettiin vierittää laitoksen käyttöorganisaation niskoille. Vaikka kyse saattoi osittain olla myös siitä, ettei kaikkiin kysymyksiin aluksi ollut vastausta, poliittisesti hyväksytyn totuuden esittäminen tieteellisenä faktana vaikeutti merkittävästi myös riippumattomien kansainvälisten asiantuntijaryhmien toimintaa.

Sekalaisia poimintoja:

  • Jakson alussa helikopterista otetusta ilmanäytteestä löytyy zirkoniumin radioaktiivista isotooppia Zr95, jonka Legasov kertoo olevan peräisin polttoaineen metallisesta suojakuoriputkesta. Tämä puolestaan viittaa siihen, että sydämen sulaminen on alkanut. Vaikka zirkoniumia käytetään polttoaineen suojakuoriputkien materiaalina, isotooppia Zr95 syntyy pääasiassa fissiotuotteena.

  • Keskusteltaessa suojavyöhykkeistä Legasov pitää 30 kilometrin rajaa riittämättömänä, sillä Gomelin alueelta on löytynyt cesiumin isotooppia Cs137. Alueelle tuli paljon laskeumaa, mutta isotooppi josta tässä vaiheessa olisi eniten syytä olla huolissaan ei ole Cs137, vaan I131. Radioaktiivinen jodi kertyy saastuneen juomaveden ja elintarvikkeiden kautta kilpirauhaseen, aiheuttaen siellä suuren paikallisen annoksen, erityisesti lapsille. Merkittävin suurelle väestölle aiheutunut säteilyhaitta tuli nimenomaan I131:stä sellaisilla Ukrainan ja Valko-Venäjän alueilla, missä väestönsuojelutoimet epäonnistuivat. Isotoopin puoliintumisaika on 8 päivää, joten se häviää luonnosta muutamassa kuukaudessa. Cs137 on sen sijaan pitäikäisempi radionuklidi (puoliintumisaika 30 vuotta). Cesiumin säteilyvaikutus on vähäisempi, ja haitta tulee enemmän asutukselle ja maankäytölle asetettavista rajoituksista, joilla pyritään vähentämään pitkällä aikavälillä kertyvää säteilyannosta.

  • Keskustellessaan puhelimessa Gorbatšovin kanssa Legasov painottaa, ettei tilanne tule olemaan ohi heidän elinaikanaan, sillä plutoniumin Pu239-isotoopin puoliintumisaika on 24,000 vuotta. Vaikka plutoniumin kaltaiset pitkäikäiset isotoopit nostetaan usein esille tällaisissa yhteyksissä, merkittävimmät pitkäaikaisrajoitukset aiheutuvat todellisuudesta edellä mainitusta cesiumin isotoopista Cs137. Radioisotoopin ominaisaktiivisuus on kääntäen verrannollinen sen elinikään, eli lyhytikäiset ytimet säteilevät pitkäikäisiä enemmän. Plutonium ja muut aktinidit eivät myöskään muodosta helposti vapautuvia yhdisteitä. OECD:n ydinenergiajärjestön arvion mukaan 20-40% reaktorin Cs137-inventaarista vapautui ympäristöön, kun vastaava osuus Pu239:lle oli 3.5%. Aktiivisuudessa mitattuna Cs137-päästö oli plutoniumiin verrattuna n. 3000-kertainen (I131-päästö lähes 60,000-kertainen).

  • Kertoessaan säteilyn vaikutuksista Shcherbinalle Legasov toteaa, että heidän oma kohtalonsa tulee olemaan joko syöpä tai aplastinen anemia, ja lopulta kuolema. Säteilyn välittömistä (deterministisistä) terveysvaikutuksista poiketen pitkäaikaisiin haittavaikutuksiin ei ole mahdollista liittää vastaavaa suoraviivaista syy-seuraus -suhdetta. Tällöin puhutaan satunnaisesta, eli stokastisesta terveysvaikutuksesta. Syövän kehittymisen riski kasvaa säteilyannoksen kasvaessa, mutta mitään syövän varmasti aiheuttavaa annosrajaa on mahdoton määrittää.iii Säteilyn deterministisiä ja stokastisia terveysvaikutuksia on käsitelty yksityiskohtaisemmin toisessa blogikirjoituksessa.


i) Tämä on pystytty päättelemään esimerkiksi siitä, että jähmettyneestä sydänsulasta otetuista kairausnäytteistä on löytynyt suhteellisen vähän lyijyä, jota pudotettiin reaktoriin n. 2400 tonnia. Vertailun vuoksi reaktorissa olleen uraanioksidin massa oli n. 190 tonnia.

ii) Ennen Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuutta arviot sulan sydänmassan käyttäytymisestä perustuivat varsin konservatiivisiin oletuksiin, ja esimerkiksi vuonna 2011 tapahtuneen Fukushiman onnettomuuden aikaan sulan sydänmassan käyttäytymistä osattiin mallintaa jo paljon paremmin. Sydämen sulaminen ydinvoimalaonnettomuuteen liittyvänä ilmiönä nousi yleiseen tietoisuuteen vuonna 1979 valmistuneen Kiina-ilmiö -elokuvan myötä. Elokuvan juonessa onnettomuusskenaario on tosin viety vielä pidemmälle. Ydinvoimalaitosta uhkaa vakava onnettomuus, jonka seurauksena sulaneen reaktorisydämen ei uskota ainoastaan tunkeutuvan reaktorirakennuksen pohjalaatan läpi, vaan jatkavan porautumistaan syvälle maaperään. Elokuvan nimi viittaa siihen, että sulaminen jatkuisi täysin rajoittamatta, ja teoriassa ”aina Kiinaan saakka”.

iii) Kansainvälinen säteilysuojelukomissio ICRP käyttää säteilyannoksille todennäköisyyskerrointa 5%/Sv, mikä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi 100 mSv:n efektiivisen annoksen saaneella ihmisellä on laskennallisesti puolen prosentin todennäköisyys sairastua säteilystä aiheutuvaan kuolemaan johtavaan syöpään elämänsä aikana. Malli perustuu yksinkertaistuksiin ja oletukseen säteilyannoksen ja syöpäriskin välisestä lineaarisesta korrelaatiosta, ja se soveltuu käytettäväksi suhteellisen suurille (yli 100 mSv) annoksille, jotka on saatu lyhyen ajan sisällä. Ensimmäisen yön pelastustoimiin osallistuneita ihmisiä lukuun ottamatta suurimmat altistukset mitattiin Tšernobylissä sadoissa millisieverteissä (kts. blogikirjoitus ydinvoimalaonnettomuuksien seurauksista).


Jakso 4 – The Happiness of All Mankind

Sarjan neljännessä jaksossa edetään jo pitkälle vuoden 1986 syksyyn. Onnettomuuden aktiivinen vaihe on takana, ja radioaktiivinen päästö saatu kuriin. Myös alueen puhdistustyöt ovat aktiivisesti käynnissä. Räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen päälle aletaan rakentaa betonista sarkofagia, jonka tehtävä on suojata sisälle jäänyttä ydinpolttoainetta ulkoisilta vaurioilta, ja estää uusi päästö ympäristöön. Jakson tapahtumien aikajärjestys ei kaikilta osin vastaa todellisuutta, ja koska tarina keskittyy enemmän yksittäisiin ihmisiin, myöskään puhdistusoperaation mittakaava ei välttämättä välity katsojalle täysin todenmukaisesti. Vuosina 1986-1990 onnettomuuden jälkiä oli siivoamassa yli puoli miljoonaa ihmistä.

Sen jälkeen kun reaktorin tulipalo oli sammunut ja sulanut polttoaine jähmettynyt tunkeuduttuaan rakennuksen alempiin kerroksiin, radioaktiivisia aineita ei vapautunut enää merkittävästi ilmaan. Aktiivisen vaiheen aikana vapautuneet kaasu- ja aerosolipäästöt olivat päätyneet maanpinnalle radioaktiivisena laskeumana. Räjähdyksessä tuhoutunutta polttoainetta ja grafiittia oli levinnyt ympäristöön myös kuumina hiukkasina. Raskaimmat hiukkaset putosivat kymmenien kilometrien säteelle laitoksesta. Suojavyöhyke ulotettiin 30 kilometriin saakka, mutta evakuointeja ja puhdistustoimia toteutettiin myös muilla alueilla, jotka olivat saaneet paljon laskeumaa.

Säteilytilanne oli pahin laitosalueella, erityisesti reaktorirakennuksen sisällä ja katolla. Näissä tiloissa ei välttämättä muuten olisi ollut enää tarvetta käydä, mutta sarkofagin rakentaminen vaati työskentelyä myös sellaisissa paikoissa, joissa annosnopeus oli edelleen vaarallisen korkea. Ennen kuin työ päästiin aloittamaan, alue oli raivattava ja puhdistettava säteilevästä romusta.

Katolla olevan romun raivaamista yritettiin ensi alkuun toteuttaa kauko-ohjattavilla roboteilla. Elektroniikka ja erityisesti puolijohteet ovat kuitenkin sen verran herkkiä säteilylle, etteivät tavanomaiset teollisuusrobotit olisi tarkoitukseen soveltuneet. Herkkien komponenttien suojaaminen lyijyllä olisi voinut pidentää toiminta-aikaa, mutta vaurioita kärsineiden kattorakenteiden pelättiin romahtavan raskaiden työkoneiden painosta.

Apu löytyi avaruusteknologiasta. Neuvostoliiton Lunohod-ohjelmassa oli kehitetty miehittämättömiä ajoneuvoja, joilla tutkittiin 1970-luvulla kuun pintaa. Kosmisen säteilyn vuoksi avaruuden säteilytausta on varsin julma, ja voimakkaiden auringonpurkausten aikana annosnopeus voi kuun pinnalla nousta hetkellisesti jopa tappavan korkealle tasolle. Jos kuukulkijan elektroniikka oli suunniteltu kestämään tällaista ympäristöä, sillä oli hyvät mahdollisuudet selvitä myös reaktorirakennuksen katolla.

En onnistunut nopealla selailulla löytämään hyvää alkuperäisviitettä siihen, miten paljon hyötyä roboteista lopulta oli. Kulkijoita valmistettiin ilmeisesti kaksi, ja ne toimivat reaktorirakennuksen katolla useamman viikon ajan. Säteily teki kuitenkin lopulta tehtävänsä, ja laitteet lakkasivat toimimasta. Rikkoutumiseen saattoi tosin vaikuttaa myös se, ettei tutkimuslaitteiksi tarkoitettuja kevytrakenteisia robotteja oltu alun perin suunniteltu raskaisiin raivaustöihin. Koneiden hajottua puhdistusoperaatiossa jouduttiin turvautumaan ihmistyövoimaan.

1980-luvun Neuvostoliittoa on helppo ajatella maana, jonka hallinto ei välittänyt tuon taivaallista kansalaistensa turvallisuudesta. Tšernobylissä raivaajien säteilyannoksille oli kuitenkin alusta pitäen määrätty tarkat rajat, joita myös pyrittiin mahdollisuuksien mukaan noudattamaan. Ensimmäisen vuoden aikana siviilityöntekijöiden vuosiannosrajaksi asetettiin 250 millisievertiä, joka seuraavina vuosina laskettiin ensin sataan, ja sitten 50 mSv:iin. Sotilaille sovellettiin vielä huhti-toukokuussa 1986 korkeampaa sodanajan annosrajaa 500 mSv, mutta raja laskettiin myöhemmin samalle tasolle siviilien kanssa. Nykyisin säteilytyöntekijöille määrätyt rajat perustuvat tavallisesti 100 mSv:n kertymään viiden vuoden ajalta.i

Kohtaus ”bioroboteista” vastasi varsin hyvin todellisuutta. Ohjelmasta ei kuitenkaan käynyt ilmi se, että raivaajien aloittaessa työnsä tilanne reaktorirakennuksen katolla ei ollut enää sama kuin ensimmäisenä onnettomuusyönä. Reaktorin räjähdys oli levittänyt ympäristöön radioaktiivisia kaasuja, ja nostanut ilmaan pölyä, jossa oli mukana mikroskooppisia polttoaineesta peräisin olevia hiukkasia. Nämä aineet kulkeutuivat tulipaloa sammuttaneiden palomiesten keuhkoihin, vaatteisiin ja iholle. Pöly oli myöhemmin laskeutunut, ja kaasumaiset aineet kulkeutuneet tuulen mukana pois. Säteilytasoa laski myös se, että kaikkein korkea-aktiivisimmat lyhytikäiset isotoopit olivat jo ehtineet hävitä radioaktiivisen hajoamisen myötä.

Siivoustehtävä ei silti ollut helppo, sillä säteilytaso oli edelleen korkea. Reaktorirakennuksen katolla työskennelleiden raivaajien annosrajat tulivat raskaasta suojavarustuksesta huolimatta täyteen hyvin nopeasti. Sarjassa työvuorot oli rajoitettu 90 sekunnin mittaisiin jaksoihin, mikä varmaan vastaa hyvin todellisuutta. Työrupeaman jälkeen miehet siirrettiin muihin tehtäviin. Koska vuorot olivat lyhyitä, työ vaati paljon tekijöitä.

Ensimmäisten kuukausien aikana annosseuranta ei toiminut täysin suunnitelmien mukaan. Dosimetreja ei riittänyt kaikille, ja niiden käytössä oli paljon ongelmia. Vähemmän säteilevissä paikoissa annoksia mitattiin ryhmätasolla, tai määritettiin laskennallisesti annosnopeuden ja altistusajan perusteella. Tällaisten mittausten tekeminen ei ole aivan yksinkertainen tehtävä, eivätkä saadut tulokset välttämättä ole vertailukelpoisia keskenään. Mittaustuloksia myös hukkui tai hävitettiin tarkoituksellisesti. Kesäkuusta 1986 eteenpäin tilanne oli parempi, kun henkilökohtaisia dosimetreja saatiin enemmän käyttöön.

Vaikka mitattuihin säteilyannoksiin liittyy erityisesti yksilötasolla suuria epävarmuuksia, arviot antavat kuvan altistuksen suuruusluokasta. Alla oleva taulukko on kopioitu aikaisemmasta blogikirjoituksesta, jossa käsiteltiin Tšernobylin ja vuonna 2011 tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden seurauksia. Taulukko kuvaa onnettomuuksien jälkihoitoon osallistuneiden pelastustyöntekijöiden ja raivaajien annosjakaumaa koko operaation ajalta. Tšernobyl-sarakkeen viimeisellä rivillä oleva eniten altistuneiden työntekijöiden ryhmä koostuu lähes yksinomaan niistä ihmisistä, jotka osallistuivat ensimmäisen onnettomuusyön pelastustöihin. Korkeimmat vuosiannosrajat ylittyvät selvästi myös toiseksi pahiten altistuneessa ryhmässä, johon kuuluu pelastustyöntekijöiden lisäksi todennäköisesti myös reaktorirakennuksen katolla myöhemmässä vaiheessa työskennelleitä raivaajia.ii

Efektiivinen säteilyannos Altistuneiden työntekijöiden lukumäärä
Tšernobyl 1986 Fukushima 2011
< 10 mSv 23,560 16,162
10 – 50 mSv 61,518 7,460
50 – 100 mSv 63,398 1,037
100 – 200 mSv 48,006 164
200 – 500 mSv 49,630 7
500 – 1000 mSv 543 2
> 1000 mSv 219

Myös onnettomuuden syistä saadaan lisää tietoa, joskaan jaksossa esitetty kuvaus ei vielä kerro kovin paljon reaktorin räjähdykseen johtaneista tapahtumista. Kohtausten perusteella vaikuttaa myös siltä, että juonessa tullaan ehkä myöhemmin sekoittamaan keskenään kaksi räjähdykseen vaikuttanutta tekijää.

Keskustellessan sairaalassa Dyatlovin kanssa Khomyuk mainitsee reaktorin pikasulun yhteydessä termin ”positive void coefficient”, joka on suomenkielisessä tekstityksessä käännetty positiiviseksi tyhjiökertoimeksi. Oikea reaktorifysiikassa käytetty termi on aukkokerroin (tai aukko-osuuskerroin). Aukko-osuus tarkoittaa reaktorin jäähdytevirtauksen mukana kulkevien höyrykuplien tilavuusosuutta. Koska höyryn tiheys on pieni, kupla näyttäytyy neutroneille ikään kuin reikänä vedessä. Jäähdytteen aukko-osuus liittyy olennaisesti ketjureaktion fysiikkaan. Polttoaineen läpi virtaava vesi toimii sekä neutroneita hidastavana moderaattorina, että heikkona neutroniabsorbaattorina. Se, kumpi efekteistä on hallitseva, määrää reaktorin käyttäytymisen tilanteessa, jossa fissioteho pyrkii kasvamaan. Vaikutusta kuvataan edellä mainitulla aukkokertoimella.

Moderaattorin merkityksestä puhuttiin yleisemmällä tasolla sarjan toisessa jaksossa. Matalasti väkevöidyssä ydinpolttoaineessa ketjureaktion käynnistyminen edellyttää neutronien hidastamista matalalle energia-alueelle, jolloin niillä on suuri todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen. Hidastaminen tapahtuu antamalla neutronien törmätä riittävän monta kertaa kevyisiin moderaattoriytimiin. Hiukkanen menettää jokaisessa törmäyksessä osan liike-energiastaan.

Tavallisissa kiehutusvesireaktoreissa moderaattorina käytetään vettä, joka toimii samalla myös reaktorin jäähdytteenä. Fissiotehon kasvu johtaa kiehumisen kiihtymiseen, jolloin hidastuminen ja matalaenergisten neutronien määrä sydämessä pienenee. Tämä puolestaan pienentää fissionopeutta, jolloin reaktorin teho painuu takaisin alas. Reaktori toimii stabiilissa tilassa, säätäen itse itseään. Fysiikassa ja säätötekniikassa tällaista vaikutusta kutsutaan negatiiviseksi takaisinkytkennäksi. Myös takaisinkytkennän voimakkuutta kuvaavan jäähdytteen aukko-osuuskertoimen sanotaan tällöin olevan negatiivinen. Negatiivisten takaisinkytkentöjen vaikutusta reaktoriturvallisuuteen on käsitelty yksityiskohtaisemmin toisessa blogikirjoituksessa.

RBMK-reaktoreissa moderaattorina käytetään sen sijaan kiinteää grafiittia, jota on polttoainekanavien ympärillä niin paljon, että niiden läpi virtaava vesi on neutronien hidastumisen kannalta ylimääräinen aine. Tällaista reaktoria sanotaan ylimoderoiduksi. Jos vesi ei toimi neutronihidasteena, se toimii absorbaattorina. Kiehumisen kiihtyminen pienentää tällöin hidastumisen sijaan absorptiota, ja päinvastoin kasvattaa sydämessä olevien neutronien määrää. Seurauksena on fissiotehon kasvu. Kasvanut fissioteho kiihdyttää edelleen veden kiehumista, joka puolestaan nostaa reaktorin tehon vielä korkeammaksi, ja niin edelleen. Tällaista muutosta kiihdyttävää reaktiivisuusefektiä kutsutaan positiiviseksi takaisinkytkennäksi. Jäähdytteen aukko-osuuskerroin on samoin positiivinen. Reaktori on tällöin epästabiili veden kiehumisen suhteen.

Legasovin, Khomyukin ja Shcherbinan tavatessa salaa Pripjatissa keskustelu kääntyy reaktorin säätösauvoihin ja siihen, että vasta AZ-5 -pikasulkupainikkeen painaminen aiheutti reaktorin räjähdyksen. Tämä liittyy toiseen ongelmaan RBMK-reaktoreiden turvallisuussuunnittelussa, joka ei kuitenkaan ole sama asia kuin edellä mainittu ketjureaktion stabiilisuuteen vaikuttava positiivinen aukkokerroin.

RBMK-reaktoreissa säätösauva koostuu neutroniabsorbaattorista, jonka alapuolelle on ripustettu grafiittiseuraaja. Reaktori sammutetaan pudottamalla absorbaattori sydämeen. Grafiittiosan pituus ei kuitenkaan Tšernobylissä vastannut sydämen korkeutta, vaan ääriasennossa seuraajan alapuolelle jäi 1.25 metriä korkea vesialue (kuva 5). Liikkuessaan alaspäin grafiitti syrjäytti tieltään neutroneita absorboivaa vettä. Vaikka reaktiivisuus pieneni sydämen yläosassa, vaikutus alaosassa olikin täysin päinvastainen. Pahimmillaan nettovaikutus saattoi olla se, että täysin ulosvedetyillä säätösauvoilla tehty pikasulku aiheutti reaktiivisuuslisäyksen ennen ketjureaktion katkeamista. Ilmiöstä käytetään toisinaan nimeä positiivinen pikasulku.

Säätösauva

Kuva 5: Kaaviokuva positiivisen pikasulun aiheuttaneesta säätösauvarakenteesta. Lähde: INSAG-7.

RBMK-reaktoreilla oli ollut useita läheltä piti -tilanteita jo ennen Tšernobyliä. Reaktorin epästabiilisuus oli johtanut hyvin samankaltaiseen tilanteeseen Sosnovy Borissa (kohtauksessa mainittu Leningradin ydinvoimalaitos) jo vuonna 1975. Säätösauvarakenteen ongelmat olivat puolestaan aiheuttaneet vakavan vaaratilanteen Ignalinassa vuonna 1983. Reaktorityypin ongelmista oli raportoitu eteenpäin, ja ne olivat reaktorin suunnittelusta vastaavan organisaation tiedossa. Minkäänlaisia toimenpiteitä ei vastaavien tilanteiden välttämiseksi kuitenkaan tehty, eikä niitä myöskään käsitelty RBMK-reaktoreiden ohjaajakoulutuksessa. Nämä laiminlyönnit konkretisoituivat lopulta Tšernobylissä vuonna 1986.

Sekalaisia poimintoja:

  • Saksalaisen robotin hajottua Legasov ja Shcherbina pohtivat vaihtoehtoja raivaustöiden toteuttamiseksi. Legasov toistaa sarjan toisessa jaksossa esitetyn väitteen siitä, että reaktori säteilee joka tunti lähes kaksi kertaa niin paljon kuin Hiroshimaan pudotettu atomipommi. Tässä menevät jälleen päästön suuruus ja säteilyannos käsitteinä sekaisin. Toinen asiavirhe on se, että vaikka reaktorikuilu säteilee edelleen voimakkaasti, radioaktiivinen ilmapäästö on jo tässä vaiheessa käytännössä loppunut. Radioaktiivisuus ei siirry säteilyn mukana, eli pelkän gammasäteilyn karkaaminen ilmaan ei muuta ilmaa radioaktiiviseksi, tai muutenkaan kasvata ympäristöön vapautuneen päästön määrää.

  • Vaikka RBMK-reaktorityyppi oli lännessä suhteellisen tuntematon, jäähdytteen aukkokerroin ja sen vaikutus reaktorin stabiilisuuteen ovat reaktorifysiikassa yleisesti tunnettuja perusasioita. Grafiittimoderoituihin vesijäähdytteisiin reaktoreihin tiedettiin liittyvän stabiilisuusongelmia, minkä vuoksi niitä ei lännessä ole Manhattan-projektin jälkeen juurikaan rakennettu. Tällaisten ominaisuuksien esittäminen valtiosalaisuuksina ei siis vastaa todellisuutta. Kun reaktorin tyyppi mainittiin ensimmäistä kertaa onnettomuutta käsittelevissä uutisissa, räjähdyksen syitä alettiin pohtimaan myös Suomessa, eivätkä arvaukset osuneet kovin kauas todellisuudesta.

  • Khomyukin keskustellessa Dyatlovin kanssa reaktorin räjähdyksestä Dyatlov toteaa, että AZ-5 (pikasulkupainike) ei liity mitenkään reaktorin aukkokertoimeen. Todellisuudessa tämä pitääkin siinä mielessä paikkansa, että kyse on eri asioista. Kohtauksesta on kuitenkin vaikea saada selville mitä juonikuviolla halutaan kertoa. Tarkoittaako Dyatlov tätä oikeasti, vai yrittääkö hän vielä peitellä jotain? Jos kyse olisi todellisista tapahtumista, Khomyukinin ei reaktoriasiantuntijana tarvitsisi edes kysyä pikasulun ja aukkokertoimen välisestä yhteydestä.

  • Reaktorirakennuksen ympärille kohonneen sarkofagin rakennustyöt eivät vielä sarjan neljännessä jaksossa pääse kunnolla alkuun, vaikka jakso kattaa aikavälin joulukuuhun 1986 saakka. Todellisuudessa rakennelma valmistui jo saman vuoden marraskuussa. Myös rakentamista edeltäneet puhdistustyöt etenivät siis todellisuudessa nopeammin kuin mitä ohjelmassa annetaan ymmärtää.

  • Legasovin, Khomyukin ja Shcherbinan tavatessa joulukuussa 1986 Legasov kertoo osallistuvansa Wienissä järjestettävään Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n kokoukseen. Todellisuudessa asiantuntijatapaaminen järjestettiin jo elokuussa, ja sen pohjalta laadittiin ensimmäinen onnettomuuden syitä selittävä INSAG-1 -raportti, joka toisti pitkälti neuvostoliittolaisten oman käsityksen onnettomuuden syistä ja seurauksista.


i) Vertailun vuoksi ensimmäisen onnettomuusyön pelastustöissä ihmishenkiä vaatineet annokset olivat suurimmillaan 16 Sv, eli 16,000 mSv. Säteilyn aiheuttamaan terveyshaittaan vaikuttaa ratkaisevasti myös se, minkä ajan kuluessa annos on saatu. Kuolemaan johtaneet annokset saatiin tuntien kuluessa. Pitkällä aikavälillä saatu alle 1000 mSv altistus ei aiheuta välitöntä terveyshaittaa.

ii) Luvut ovat peräisin YK:n alaisen UNSCEAR:in (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) materiaalista. Tšernobylin tapauksessa pelastustyöntekijöillä viitataan ensimmäisen onnettomuusyön pelastustoimiin osallistuneisiin palomiehiin ja laitoksen henkilökuntaan. Raivaajilla puolestaan tarkoitetaan niitä yli puolta miljoonaa sotilasta ja siviilityöntekijää, jotka osallistuivat onnettomuutta seuranneen kahden vuoden aikana laitosalueen ja lähiympäristön puhdistustöihin. Tarkemman annosseurannan piiriin kuului n. 250,000 ihmistä, joiden annokset on koottu taulukkoon.


Jakso 5 – Vichnaya Pamyat

Sarjan viimeinen jakso oli käsikirjoitettu Dyatlovin, Fominin ja Bryukhanovin oikeudenkäynnin ympärille, ja koska en tuon prosessin kulkuun ole millään tavalla tutustunut, en lähde oikeussalin tapahtumia myöskään sen enempää kommentoimaan. Yritän sen sijaan taustoittaa hieman sitä, mitä reaktorissa tapahtui onnettomuutta edeltäneen vuorokauden ja räjähdykseen johtaneen turvallisuuskokeen aikana. Sarjassa samat tapahtumat kuvattiin Shcherbinan, Khomyukin ja Legasovin hahmojen antamissa todistajalausunnoissa. Räjähdykseen johtanut tapahtumaketju on suhteellisen monimutkainen. Koska kirjoituksesta tuli muutenkin uuvuttavan pitkä, en edes yritä kuvata kaikkia tapahtumia tässä yksityiskohtaisen tarkasti. Teknisempi kuvaus onnettomuuden kulusta löytyy joka tapauksessa toisesta blogikirjoituksesta.

Onnettomuuden taustatekijöitä, mukaan lukien eri osapuolten syyllisyyttä, on käsitelty esimerkiksi Kansainvälisen atomienergiajärjestön alaisen INSAG (International Nuclear Safety Advisory Group) -asiantuntijaryhmän selvityksissä. Näissä raporteissa ei kuitenkaan käsitellä esimerkiksi valvomohuoneen tapahtumia samalla tasolla kuin sarjan käsikirjoituksessa, joten myöskään yksittäisten ihmisten sanomisiin tai tekemisiin ei niiden pohjalta ole oikein mahdollista ottaa kantaa. Palaan näihin syyllisyyskysymyksiin tekstin loppupuolella.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus tapahtui reaktorin alasajon yhteydessä tehdyn turvallisuuskokeen jälkeen. Jos voimalaitos syystä tai toisesta irtoaa ulkoisesta sähköverkosta, generaattorin tuottama sähköteho ei vastaa enää kulutusta, ja siihen kytketyn turbiinin kierrosluku alkaa nousta. Tällaisessa tilanteessa automatiikka säätää reaktorin tehoa alaspäin siten, että tuotettu teho vastaa laitoksen omaa kulutusta.

Säätö matalammalle teholle ei välttämättä kaikissa tilanteissa kuitenkaan onnistu, vaan generaattorin kuormanpudotus voi aiheuttaa myös reaktorin pikasulun, jolloin teho putoaa nollaan. Koska laitoksen sähköverkko menetetään, myös sydämen vesikiertoa ylläpitävien pumppujen sähkönsyöttö lakkaa. Reaktori ei sammuttamisen jälkeen tuota enää fissiotehoa, mutta radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvä jälkilämpö riittää sulattamaan polttoaineen, jos vesikierto sydämen katkeaa pitkäksi aikaa. Jäähdytyksen varmistamiseksi laitoksen varavoimadieselit käynnistyvät, ja alkavat syöttää sähköä reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmille. Varajärjestelmien käynnistyminen vie aikaa, mutta myöskään generaattoriin kytketyt pumput eivät pysähdy välittömästi, sillä massiiviseen turbiiniin on varastoitunut paljon pyörimisenergiaa.

Tšernobylissä tehdyn turvallisuuskokeen tarkoitus oli varmistaa reaktorin jäähdytysjärjestelmien keskeytymätön toiminta tilanteessa, jossa yhteys ulkoiseen sähköverkkoon katkeaa. Koejärjestelyllä mitattiin, miten nopeasti generaattorin jännite laskee turbiinin sammuttamisen jälkeen. Kohtalokkaaksi virheeksi koitui kuitenkin se, että kokeen suunnittelijat eivät tunteneet monimutkaisen RBMK-reaktorin toimintaa riittävän hyvin, ja koetta pidettiin käyttöorganisaatiossa rutiininomaisena sähköjärjestelmien testauksena. Laitoksen johdolla oli myös paineita suorittaa koe onnistuneesti loppuun, sillä aikaisempina vuosina tulokset eivät olleet tyydyttäviä.

Mukana oli myös paljon huonoa tuuria. Reaktori oli koetta edeltävän vuorokauden aikana ajettu erittäin epävakaaseen tilaan. Sarjan edellisessä jaksossa kerrottiin, että RBMK-reaktori on jäähdytteen kiehumisen suhteen epästabiili. Fissiotehon kasvu ja jäähdytteen kiehuminen ruokkivat toisiaan, ja ketjureaktio voi tietyissä tilanteissa lähteä itsestään kiihtymään. Kyse on positiivisesta takaisinkytkennästä, jonka voimakkuuteen viitataan sarjassa termillä positiivinen aukkokerroin. Fissiotehon muutosnopeutta kuvaa suure nimeltä reaktiivisuus. Mitä suurempi reaktiivisuus, sitä nopeammin teho kasvaa. Reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa säätösauvoja liikuttelemalla, mutta myös monet sisäsyntyiset mekanismit vaikuttavat ketjureaktion toimintaan reaktiivisuuden kautta. Oikeussaliin sijoittuvissa kohtauksissa Legasov käyttää selityksessään vastaavia termejä, joskaan asiayhteydet eivät kaikilta osin mene täysin oikein.

RBMK-reaktorin epästabiilisuus riippuu monesta tekijästä. Koska ongelma juontaa juurensa reaktorin ylimoderoituun rakenteeseen ja veden neutroniabsorptioon (kts. selitys edellisen jakson kommenteista), ilmiö on sitä voimakkaampi, mitä suurempaa roolia vesi näyttelee ketjureaktion neutronitasapainon kannalta. Tavallisesti veden osuus kokonaisabsorptiosta on suhteellisen pieni, sillä neutroneita absorboituu myös polttoaineeseen ja säätösauvoihin. Absorptiovaikutus kuitenkin korostuu sitä mukaa kun esimerkiksi säätösauvojen osuus pienenee. Tämä puolestaan vahvistaa positiivista takaisinkytkentää, sillä jäähdytteen kiehuminen aiheuttaa tällöin vastaavasti suuremman pudotuksen absorptiossa.

Koe oli määrä suorittaa toisella laitosyksikön kahdesta turbiinista n. 30% fissioteholta. Reaktorin alasajo aloitettiin vuorokautta ennen räjähdystä, perjantaina 25.4.1986 kello 1:00. Koeohjelman edellyttämä tehotaso oli määrä saavuttaa seuraavana iltana. Jakson varsinaiset tapahtumat alkavat kohtauksella, jossa Dyatlov saapuu iltapäivällä laitokselle valvomaan kokeen suorittamista. Keskustellessaan laitoksen johdon kanssa Bryukhanov ilmoittaa kuitenkin että alasajo on keskeytettävä. Kiovan sähköverkon päävalvomosta on tullut käsky jatkaa tuotantoa iltaan saakka, sillä kaikki verkkoon kytketyt laitosyksiköt tarvitaan käyttöön. Reaktori on tässä vaiheessa 50% teholla.

Se, että alasajo keskeytyi usean tunnin ajaksi ennen kokeen aloittamista, oli ensimmäinen askel kohti onnettomuuteen johtanutta tapahtumaketjua. Ydinreaktorin polttoaineeseen kerääntyy käytön aikana neutroneita voimakkaasti absorboivaa xenonin Xe135-isotooppia, jota kutsutaan fissiotuotemyrkyksi.i Myrkyn määrä alkaa hitaasti kasvaa sen jälkeen kun reaktori sammutetaan, tai sen tehoa lasketaan. Xenon-myrkytyksen vaikutus alkoi voimistua iltaa kohden kun reaktoria ajettiin pitkään vajaalla teholla, ja sen kompensoimiseksi liikuteltavia säätösauvoja jouduttiin vetämään ulos sydämestä. Tämä kasvatti veden suhteellista osuutta neutroniabsorptiosta, ja sitä myöten positiivisen takaisinkytkennän voimakkuutta.

Lupa alasajon jatkamiseen saadaan vasta kello 23:10. Puolen yön aikoihin laitoksen päivävuoro vaihtuu yövuoroon, joka ei ole saanut lainkaan ohjeita kokeen suorittamiseksi. Alasajon edetessä reaktorin tehon säädössä vaihdetaan järjestelmää, minkä jälkeen fissioteho yllättäen sammuu. Tämä liittyi todennäköisesti reaktorin myrkyttymiseen ja jäähtymiseen, mutta syyksi on epäilty myös ohjaajan tekemää virhettä tai laitevikaa. Reaktorin uudelleen käynnistäminen edellyttää joka tapauksessa sitä, että lisää säätösauvoja joudutaan nostamaan ulos sydämestä, jolloin positiivisen takaisinkytkennän voimakkuus kasvaa taas.

Fissiotehoa ei enää saada nousemaan koeohjelmassa määritetylle tasolle, mutta koe päätetään silti suorittaa vajaalta teholta. Koska reaktori tuottaa paljon suunniteltua vähemmän lämpöä, jäähdytteen kiehuminen on jo valmiiksi vähäistä. Höyryn tilavuusosuus jäähdytevirtauksesta on pieni, ja veden osuus vastaavasti suuri. Ohjelman mukaan koe oli määrä suorittaa siten, että reaktorin kaikki kahdeksan pääkiertopumppua ovat käynnissä. Osa pumpuista oli sammutettu aikaisemmin alasajon yhteydessä, ja ne kytketään uudelleen päälle. Tämä kasvattaa virtausta sydämeen, ja vähentää kiehumista entisestään. Reaktiivisuus laskee, mitä joudutaan kompensoimaan taas vetämällä säätösauvoja ulos.

Tässä vaiheessa reaktori oli jo niin epästabiilissa tilassa, että onnettomuus oli käytännössä väistämätön. Positiivista reaktiivisuusreserviä oli pikkuhiljaa siirretty absorbaattoreilta jäähdytteeseen poistamalla säätösauvoja sydämestä, ja kasvattamalla veden osuutta jäähdytevirtauksesta. Vaikka vesi ei ole erityisen voimakas neutroniabsorbaattori, sen vaikutus oli kasvanut jo vaarallisen suureksi. Ylijäämäreaktiivisuus ei myöskään ollut enää reaktorin ohjaajien hallinnassa. Jäähdytteen lämpötila oli lähes koko virtauskanavan pituudelta kiehumispisteen alapuolella, ja kaikki tuo reaktiivisuus odotti vapautumistaan kiehumisen käynnistyessä uudelleen.

Koe aloitetaan avaamalla turbiinin höyrylinjojen ohitusventtiilit kello 01:23:04. Generaattoriin kytketyt pääkiertopumput alkavat hidastua, ja jäähdytevirtaus sydämeen pienenee. Jäähdytteen lämpötila kääntyy nousuun. Kiehumisen käynnistyessä veden neutroniabsorptioon sitoutunut reaktiivisuusreservi alkaa vapautua, kun yhä suurempi osuus jäähdytyskanavien tilavuudesta täyttyy neutroneille läpinäkyvästä höyrystä. Positiivinen takaisinkytkentä alkaa purra, ja fissioteho lähtee itseään kiihdyttävään kasvuun.

Reaktorin teho kasvoi puolessa minuutissa viisinkertaiseksi. Tässä vaiheessa Akimov rientää painamaan AZ-5 -pikasulkupainiketta, joka pudottaa kaikki säätösauvat kerralla sydämeen. Reaktori ei kuitenkaan sammunut, vaan fissiotehon kasvu päinvastoin kiihtyi. Viisi sekuntia myöhemmin viimeinen mitattu lukema näyttää fissiotehoksi 33 gigawattia. Todellinen luku on kuitenkin vielä suurempi. Joidenkin arvioiden mukaan Tšernobylin ydinvoimalaitoksen nelosyksikön reaktori tuotti hetken aikaa yhtä paljon tehoa, kuin maailman kaikki muut ydinvoimalaitokset yhteensä.

Pikasulun osuutta reaktorin räjähdykseen pohdittiin sarjassa useamman jakson ajan, ja edellisessä jaksossa syyksi paljastui turvallisuuden kannalta kriittinen suunnitteluvirhe RBMK-reaktoreiden säätösauvarakenteessa. Täysin ulos vedetyillä säätösauvoilla tehty pikasulku aiheutti sydämen alaosassa reaktiivisuuden lisäyksen ennen ketjureaktion katkeamista. Tämä liittyi siihen, että ääriasennossa neutroniabsorbaattorin jatkeeksi kiinnitetyn vajaamittaisen grafiittiseuraajan alapuolelle jäi yli metrin korkuinen vesialue. Kun säätösauva liikkui alaspäin, grafiittiseuraaja syrjäytti aluksi tieltään neutroneita absorboivaa vettä.

Sarjassa esitetty kuvaus ei kuitenkaan kertonut kaikkea tästä positiivisesta pikasulusta. Lopputulokseen vaikutti nimittäin ratkaisevasti myös se, että sydän oli myrkyttynyt edellisen vuorokauden kuluessa. Xe135-fissiotuotemyrkkyä oli kertynyt erityisesti sydämen keskivaiheille, missä fissioteho oli aikaisemmin ollut korkein. Tehojakauma oli painunut keskeltä poikki, ja reaktorissa oli tavallaan käynnissä kaksi toisistaan riippumatonta ketjureaktiota 7 metriä korkean sydämen ylä- ja alaosassa. Absorbaattorin työntyminen sydämeen sammutti ylemmän tehohuipun, mutta alempaan huippuun vaikutus oli päinvastainen.

Jäähdytteen kiehuminen yhdessä positiivisen pikasulun aiheuttaman reaktiivisuuslisäyksen kanssa sai fissiotehon kasvamaan sydämen alaosassa niin nopeasti, että polttoaine suli ja pirstoutui ympäröivään jäähdytteeseen. Reaktorin rakenteet eivät enää kestäneet räjähdysmäistä paineen nousua jäähdytyskanavien sisällä.

Pikasulku

Kuva 6: Havainnekuva positiivisesta pikasulusta. Neutroniabsorbaattoria sisältävät säätösauvat oli reaktorin jäähtymisen ja xenon-myrkytyksen kompensoimiseksi vedetty ääriasentoon (a), ja voimakkaasti absorboivan Xe135-isotoopin kertyminen sydämen keskelle piikitti fissiotehon sydämen ylä- ja alaosaan. Kun reaktori sammutettiin turvallisuuskokeen jälkeen, absorbaattoriosan (kuvassa punainen osa) työntyminen sydämeen katkaisi ketjureaktion etenemisen reaktorin yläosassa. Alempaan tehohuippuun vaikutus oli kuitenkin päinvastainen, sillä vajaamittaisen grafiittiseuraajan (harmaa osa) työntyminen alaspäin syrjäytti tieltään neutroneita absorboivaa vettä. Tämä puolestaan johti reaktiivisuuden ja fissiotehon paikalliseen kasvuun.

Jaksossa käsiteltiin paljon myös onnettomuuteen liittyviä syyllisyyskysymyksiä. Ensimmäiset selvitykset räjähdyksen syistä tehtiin Neuvostoliitossa pian onnettomuuden jälkeen, ja ne esitettiin Kansainväliselle atomienergiajärjestölle elokuussa 1986 (sarjassa tämä sijoitettiin jostain syystä myöhempään ajankohtaan). Näiden esitysten pohjalta IAEA:n alainen asiantuntijaryhmä laati onnettomuudesta ensimmäisen kattavan INSAG-1 -selvitysraporttinsa.

Neuvostoliittolaisten mukaan onnettomuudessa oli kyse voimakkaasta reaktiivisuustransientista, joka aiheutui positiivisen takaisinkytkennän aikaansaamasta fissiotehon karkaamisesta. Näiltä osin selitys piti paikkansa, joskin se jätti kertomatta monia lopputuloksen kannalta ratkaisevia yksityiskohtia, liittyen esimerkiksi säätösauvarakenteesta aiheutuneeseen positiiviseen pikasulkuun.

Syy onnettomuudesta langetettiin käytännössä täysin reaktorin ohjaajien ja käyttöorganisaation niskoille. Epästabiilia toimintatilaa selitettiin ohjaajien tekemillä virheillä, joista myös organisaation johto kantoi vastuun. Dyatlov, Fomin ja Bryukhanov tuomittiin pitkiin vankeusrangaistuksiin. Dyatlovia lukuun ottamatta kaikki muut valvomossa työskennelleet miehet ehtivät ennen oikeudenkäyntiä kuolla säteilysairauteen. Koska kansainvälisellä asiantuntijaryhmällä ei ollut keinoja vahvistaa tai kumota neuvostoliittolaisten versiota tapahtumien kulusta, nämä näkemykset päätyivät myös viralliseen selvitykseen. Raportin johtopäätöksissä kuitenkin todetaan, että on varsin epätodennäköistä, että näin lyhyessä ajassa ja puutteellisilla tiedoilla tehdyn tutkimuksen tulokset edustaisivat lopullista totuutta.

Valvomohenkilökunnan virheeksi laskettiin erityisesti vakavat laiminlyönnit reaktorin käyttötavoissa. Koe esimerkiksi aloitettiin liian matalalta n. 200 MW:n fissioteholta, kun pienin sallittu tehotaso oli reaktorin käyttöohjeissa asetettu 700 MW:iin. Vastaavia rajoituksia, ja niiden laiminlyöntejä, liittyi myös reaktorin säätösauvojen ja pääkiertopumppujen käyttötapoihin. Myös reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmä, sekä kaksi suojausautomatiikkaan kytkeytyvää pikasulkusignaalia oli poistettu määräysten vastaisesti käytöstä. Selvityksessä todettiin, että erityisesti turbiinin pysäytyksestä lauennut pikasulku olisi pelastanut reaktorin, ja että tämä signaali kytkettiin pois juuri ennen kokeen aloittamista. Näitä yksityiskohtia ei sarjassa juurikaan käsitelty.

Neuvostoliittolaisten INSAG-1 -selvityksessä esittämä käsitys reaktorin ohjaajien syyllisyydestä jäi vahvasti elämään onnettomuuden jälkeen. Myös sarjan juonessa erityisesti Dyatlovin syyllisyyteen otettiin sama näkökulma. Tiedon karttuessa käsitys onnettomuuden kulusta kuitenkin muuttui. Yksi osasyy tähän lienee ollut se, että Ukraina vapautti paljon asiakirjoja kansainvälisen tutkijayhteisön käyttöön Neuvostoliiton hajottua vuonna 1991. Vuotta myöhemmin myös IAEA:n kansainvälinen asiantuntijaryhmä julkaisi onnettomuudesta päivitetyn INSAG-7-raportin, jossa tuotiin ilmi mm. säätösauvarakenteen rooli reaktorin räjähdyksessä.

Ehkä vieläkin merkittävämpää oli kuitenkin se, että myös käsitys reaktorin ohjaajien roolista muuttui. INSAG-7:ssä todetaan, että neuvostoliittolaisten esittämiä käyttörajoituksista ei onnettomuuden aikaan löytynyt reaktorin turvallisuusohjeista, vaan ohjeita oli ilmeisesti korjattu jälkikäteen. Toimintaa alle 700 MW:n teholla ei siis todellisuudessa kielletty, kuten ei myöskään kaikkien pääkiertopumppujen samanaikaista käyttöä. Hätäjäähdytysjärjestelmien ja pikasulkusignaalien pois kytkeminen oli sallittu erityistilanteissa. Turbiinikokeessa oli kyse juuri tällaisesta tilanteesta, sillä kokeen suorittaminen ei olisi ollut edes mahdollista ilman näitä toimenpiteitä. Vielä merkittävämpää oli kuitenkin se, ettei toimenpiteillä lopulta edes ollut vaikutusta lopputulokseen. Esimerkiksi turbiinin pysäytyksen aiheuttama pikasulku olisi vain johtanut reaktorin räjähdykseen hieman ennen kuin Akimov yritti sammuttaa reaktorin käsin.

Reaktorin ohjaajien tekemäksi virheeksi luettiin kuitenkin edelleen se, että alkuperäisestä koesuunnitelmasta poikettiin muuttamalla toimintatapoja vastaamaan vallitsevia olosuhteita, eikä koetta keskeytetty reaktorin sammumisen jälkeen. Valvomohenkilökunnalla ei kuitenkaan tässä vaiheessa ollut edellytyksiä tunnistaa vaarallista toimintatilaa, tai estää sitä kehittymästä vakavaksi reaktorionnettomuudeksi. Kuten edellisen jakson kommenteissa todettiin, tieto RBMK-reaktoreiden turvallisuusongelmista ei ollut kulkeutunut asiantuntijatasolta laitosten käyttöorganisaatioille. INSAG-7 -raportissa todetaan, että ongelmat ulottuivat syvälle Neuvostoliiton ydinenergia-alan turvallisuuskulttuuriin. Yhteisten pelisääntöjen sijaan kaikki alan toimijat, mukaan lukien laitosten käyttöorganisaatiot ja turvallisuutta valvova viranomainen, noudattivat omia sisäisiä käytäntöjään. Ohjaajien työhön liittyi todennäköisesti paljon asioita, ”jotka vain piti tietää”.

En osaa sanoa, miten hyvin Legasovin ja Shcherbinan hahmojen tarinat vastasivat todellisuutta. Legasov oli oikeastikin mukana suunnittelemassa toimintaa onnettomuuden aktiivisen vaiheen aikana, ja hän osallistui myös neuvostodelegaation johtajana tapauksen jälkiselvittelyihin. Sarjan ensimmäisen jakson ensimmäisessä kohtauksessa esitetty itsemurha pohjaa myös todellisuuteen.

RBMK-reaktoreihin tehtiin Tšernobylin onnettomuuden jälkeen useita muutoksia. Säätösauvojen grafiittiseuraajat vaihdettiin täysmittaisiksi, mikä poisti positiivisen pikasulun mahdollisuuden. Myös säätösauvakoneistot korvattiin nopeammilla, ja niiden automatiikkaa parannettiin. Positiivisen takaisinkytkennän voimakkuus saatiin pienemmäksi vähentämällä veden vaikutusta neutronitasapainoon. Tämä toteutettiin lisäämällä absorptiota polttoaineeseen ja kiinteisiin absorbaattorisauvoihin. Lisääntyneen neutroniabsorption vaikutusta kompensoitiin nostamalla polttoaineen väkevöintiä.ii

Sekalaisia poimintoja:

  • Shcherbinan kuvatessa oikeudenkäynnissä turvallisuuskokeen taustoja selityksestä saattaa helposti saada sellaisen kuvan, että kyse olisi ollut jollain tavalla poikkeuksellisesta järjestelystä. Periaatteellisella tasolla itse kokeessa ei kuitenkaan ollut mitään poikkeuksellista, sillä vastaavia kuormanpudotuskokeita suoritetaan säännöllisesti kaikilla voimalaitoksilla. Ongelmat liittyivät reaktorin turvallisuusominaisuuksiin.

  • Kertoessaan reaktorin xenon-myrkytyksestä Khomyuk antaa ymmärtää, että kyse olisi reaktorin toiminnan kannalta vaarallisesta ilmiöstä. Vaikka xenonilla oli merkittävä rooli Tšernobylin onnettomuuteen johtaneessa tapahtumaketjussa, ilmiön vaarallisuus liittyi pikemminkin reaktorin epästabiilisuuteen ja positiiviseen takaisinkytkentään, joita myrkytys epäsuorasti vahvisti. Jokainen ydinreaktori menettää reaktiivisuuttaan xenonille, mikä on otettava huomioon fissiotehon säädössä ja sydämen suunnittelussa. Mistään yleisvaarallisesta ilmiöstä ei kuitenkaan ole kyse.

  • Tehosta puhuessaan Khomyuk ja Legasov viittaavat reaktorin fissiotehoon, joka on maksimissaan 3200 MW. RBMK-1000 -laitoksen sähköteho on 1000 MW.

  • Legasov toteaa puheessaan reaktiivisuudesta: ”Kun uraaniatomit halkeavat ja törmäävät, reaktiivisuus kasvaa.” (suomenkielinen tekstitys) Tämä on käsitteellisesti väärin. Reaktiivisuus ei liity fissioon tai fissionopeuteen, vaan fissionopeuden muutokseen. Ero on ehkä jollain tavalla sama, kuin auton nopeudella ja kaasupolkimen asennolla.

  • Samassa puheenvuorossa Legasov toteaa, että RBMK-reaktorin positiivinen aukkokerroin saisi fissiotehon kasvamaan itseään kiihdyttäen, ellei reaktorin tehokerroin olisi negatiivinen. Tämä käsite sekoittuu selityksessä nk. Doppler-takaisinkytkentään, joka on etumerkiltään negatiivinen. Ilmiö saa reaktiivisuuden laskemaan kun uraanin lämpötila nousee (Doppler-takaisinkytkennän fysikaalinen selitys ei ole aivan yksinkertainen). Tehokerroin puolestaan kuvaa reaktorin kaikkien takaisinkytkentöjen nettovaikutusta. Reaktorin toimintaa stabiloiva Doppler-takaisinkytkentä toimi myös Tšernobylissä, mutta jäähdytteen kiehumisesta seurannut positiivinen takaisinkytkentä oli niin voimakas, että tehokerroin kääntyi positiiviseksi.

  • Hieman ennen kokeen aloittamista Toptunov näkee SKALA-tietokonejärjestelmän tuottaman raportin, joka kertoo, että säätösauvojen puuttumisen perusteella reaktori tulisi sammuttaa. Todellisuudessa kyse ei ollut näin automatisoidusta järjestelmästä.iii Tietokone ei myöskään sijainnut reaktorin valvomossa, vaan toisessa huoneessa 50 metrin päässä, minkä lisäksi tulosten tuottaminen vaati yli 10 minuuttia kestäneitä mittauksia ja laskutoimituksia. SKALA-tietokoneen raporttien huomioimatta jättäminen oli yksi tekijä, jolla INSAG-1 -raportissa perusteltiin valvomohenkilökunnan syyllisyyttä. INSAG-7 -raportissa kuitenkin todetaan, etteivät tulokset olleet helposti ohjaajien saatavilla, eikä niiden merkitystä käsitelty henkilökunnan turvallisuuskoulutuksessa.


i) Xenon-myrkytystä ei selitetty sarjassa ihan viimeisen päälle oikein. Neutroneita absorboivaa Xe135-isotooppia syntyy viiveellä toisen fissiotuotteen I135:n radioaktiivisessa hajoamisessa. Reaktorin toimiessa vakioteholla polttoaineen Xe135-pitoisuus saavuttaa tasapainon n. kahdessa vuorokaudessa. Xenon ei siis “pala pois” reaktorin toimiessa korkealla teholla, vaan absorptiovaikutus yksinkertaisesti lakkaa voimistumasta. Kun reaktorin tehoa lasketaan, isotoopin tuotto- ja häviötermien välinen tasapaino muuttuu, ja ennen hakeutumistaan uuteen tasapainotilaan matalammalle tasolle Xe135-konsentraatio lähtee ensin kasvamaan. Absorptiomaksimi saavutetaan n. 10 tunnin kuluttua tehomuutoksesta. Sarjassa tästä käytetty termi “xenon pit” viittaa juuri tähän xenonin aiheuttamaan kuoppaan reaktiivisuudessa. Xenonin pois palamisessa on tavallaan kyse päinvastaisesta ilmiöstä. Jos reaktorin tehoa nostetaan, tasapaino muuttuu jälleen, ja myrkyn määrä putoaa ennen hakeutumistaan uudelle, aikaisempaa korkeammalle tasolle.

ii) Tšernobylin onnettomuus herättää varsin luonnollisesti kysymyksen siitä, voisiko vastaava reaktorin räjähdysmäinen tuhoutuminen tapahtua myös muissa laitostyypeissä? Kerroin edellisen jakson kommenteissa, että sydämen läpi virtaava vesi toimii toisaalta ketjureaktion etenemisen kannalta välttämättömänä neutronihidasteena (moderaattorina), ja toisaalta neutroneita syövänä absorbaattorina. Se, kumpi vaikutus nousee hallitsevaksi, määrää reaktorin stabiilisuuden jäähdytteen kiehumisen suhteen. RBMK:n perimmäinen ongelma on se, että reaktorin pääasiallisena neutronimoderaattorina käytetään kiinteää grafiittia, jolloin vesi käyttäytyy monissa tilanteissa absorbaattorin tavoin. Jäähdytteen kiehuminen johtaa tällöin reaktiivisuuslisäykseen ja fissiotehon kasvua kiihdyttävään positiiviseen takaisinkytkentään. Kevytvesireaktoreissa ei ole erillistä neutronimoderaattoria, vaan hidastuminen tapahtuu polttoainesauvojen välissä virtaavassa vedessä. Moderointivaikutus on tällöin absorptiota hallitsevampi, ja kiehumisen vaikutus päinvastainen. Takaisinkytkentä on negatiivinen, ja virtauskanavan täyttyessä höyrystä reaktori sammuttaa itse itsensä.

iii) SKALA-tietokonetta käytettiin nk. operatiivisen reaktiivisuusmarginaalin (ORM) laskemiseen, joka kertoo tavallaan sydämessä sisällä olevien säätösauvojen efektiivisen reaktiivisuusarvon. ORM:lle oli asetettu reaktorin käyttöohjeissa tietty alaraja, joka onnettomuustilanteessa oli selvästi alitettu. Rajoituksen merkitystä ei kuitenkaan perusteltu ohjaajien koulutuksessa turvallisuusnäkökulmasta, vaan ORM:n pääasiallinen tehtävä oli kertoa, onko reaktorissa riittävästi säätövaraa normaalikäytön aikana. Vaikka kyse olisi ollut turvallisuuden kannalta hyödyllisestä tiedosta, järjestelmä ei kytkeytynyt esimerkiksi reaktorin suojausautomatiikkaan.


Kommentteja ja lisähuomioita

Totesin kirjoituksen alussa, että sarja alkoi mielestäni lupaavasti, ja vielä viiden jakson jälkeenkin voin suositella ohjelmaa muille. Toteutuksessa on selvästi panostettu kaikkein eniten visuaaliseen ilmeeseen. Monet 1980-luvun Neuvostoliitossa eläneet ovat kommentoineet sarjan ulkoisten puitteiden vastanneen erittäin hyvin todellisuutta. Samoin byrokraattien ja poliittisen johdon toimintatapaa on kuvattu realistisesti. Sarjaa katsoessa on syytä pitää mielessä, että käsikirjoitus ei täysin seuraa todellisia tapahtumia, ja juoneen on otettu mukaan myös elementtejä tunnetuista Tšernobyl-myyteistä. Kaikkien tapahtumien sataprosenttisen realistinen kuvaaminen ei toki ole edes tarkoituksenmukaista fiktiivisessä TV-sarjassa.

Reaktorin ohjaajien syyllisyyttä oli mielestäni ylikorostettu verrattuna siihen, miten asiat on onnettomuuden syitä käsittelevissä asiantuntijaraporteissa esitetty. Tavallaan tämä on ymmärrettävää, sillä jokainen tarina tarvitsee hyviksen ja pahiksen. Asian ikävämpi puoli on kuitenkin se, että tässä tapauksessa kyse oli oikeista ihmisistä, jotka eivät enää voi kertoa omaa versiotaan totuudesta. Juonessa jätettiin huomioimatta monia henkilökunnan syyttömyyttä puoltavia tekijöitä, jotka on nostettu esille jo 1990-luvun alussa. Tämä oli pieni pettymys, sillä ensimmäisen jakson tapahtumien perusteella kuvittelin, että taustatyö olisi tältä osin tehty paremmin.

Sarjassa sivuttiin paljon myös Tšernobylin pitkäaikaisvaikutuksia. Esimerkiksi odotettavissa olevilla syöpäkuolemilla vihjailu oli selvästi tehokeino, jolla pyrittiin ylläpitämään ahdistavaa tunnelmaa. En tiedä minkälaisista luvuista vuonna 1986 todellisuudessa puhuttiin, mutta luotettavan tiedon kerääminen vei joka tapauksessa aikansa. Arviot ovat vuosien mittaan tarkentuneet, kun esimerkiksi päästön suuruudesta ja väestönsuojelutoimien toteutumisesta on saatu lisää tietoa. Myös satojen tuhansien säteilylle altistuneiden ihmisten terveydentilaa on seurattu yli kolmen vuosikymmenen ajan. Viimeisen jakson lopputeksteissä esitettiin tietopaketti, jossa kerrottiin lyhyesti myös onnettomuuden vaikutuksista pitkällä aikavälillä. Tämä on aihe, josta on tehty kirjaimellisesti satoja, ellei jopa tuhansia tutkimuksia. Tulosten vaihteluväli on kuitenkin huomattavan suuri, mikä herättää helposti kysymyksiä siitä, mitä onnettomuuden pitkäaikaisvaikutuksista sitten lopulta oikeastaan tiedetään?

Pahimman Tšernobyl-laskeuman alueella asui onnettomuuden aikaan noin 6 miljoonaa ihmistä. Tällä alueella oli myös paljon maataloutta, joten suurin säteilyriski aiheutui saastuneista elintarvikkeista, erityisesti maidosta. Ihmisten säteilyaltistusta olisi voitu merkittävästi pienentää suojaamalla laiduntava karja radioaktiiviselta laskeumalta. Väestönsuojelutoimenpiteet kuitenkin epäonnistuivat Ukrainassa ja Valko-Venäjällä, missä saastuneita elintarvikkeita päätyi kulutukseen. Suurin ongelma oli radioaktiivinen jodi, jonka lyhytikäinen I131-isotooppi aiheuttaa elimistöön päästessään suuren paikallisen säteilyannoksen kilpirauhaseen. Väestölle ei tällä alueella myöskään jaettu riittävästi I131:n imeytymistä vähentäviä joditabletteja.

Laskeuma

Kuva 7: Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttama Cs137-laskeuma paljastaa pahimmin saastuneet alueilla Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa. Lähde: UNSCEAR.

Ukrainassa ja Valko-Venäjällä havaittiinkin kilpirauhassyövässä selvä tilastollinen kohoaminen onnettomuuden jälkeen. Vuoteen 2016 mennessä syöpätapauksia oli ilmennyt noin 10,000, mikä ylittää selvästi sairauden luonnollisen esiintyvyyden. Sairastuneet ovat olleet pääasiassa lapsia ja nuoria aikuisia, jotka altistuivat alle kymmenvuotiaina jodilaskeumalle. Sairastuneiden joukossa kuolleisuus on ollut noin prosentin luokkaa. I131:n puoliintumisaika on 8 päivää, joten isotooppi hävisi ympäristöstä muutamassa kuukaudessa. Pitkällä aikavälillä säteilyaltistus on peräisin pääasiassa cesiumin isotoopista Cs137, jota löytyy edelleen myös Suomen luonnosta.

Kilpirauhassyöpää lukuun ottamatta Tšernobyl ei suuren väestön syöpätilastoissa ole selvästi näkynyt.i Sarjan katsomisen jälkeen tämä väite voi vaikuttaa epäuskottavalta, varsinkin kun viimeisen jakson lopputeksteissä syöpätapausten määrän sanotaan kasvaneen räjähdysmäisesti. Kyse ei kuitenkaan ole siitä, että syöpävaikutusta pidettäisiin asiantuntijapiireissä olemattomana, vaan siitä, mitä tilastollisilla tutkimuksilla on ylipäänsä mahdollista saada selville. Erittäin korkean säteilyannoksen saaneiden pelastustyöntekijöiden muodostama ryhmä on otoksena niin pieni, ettei siihen ole mahdollista soveltaa tilastollisia malleja luotettavasti. Suurempien väestöryhmien joukossa ylimääräiset syöpätapaukset puolestaan hukkuvat helposti sairauden luonnolliseen satunnaisvaihteluun. Tämä tieteellisesti eksakti tapa todeta, että tilastot eivät anna vastausta kysyttyyn kysymykseen, on kuitenkin valitettavan helppo tulkita ongelman vähättelyksi. Tilastollisesti joka kolmas ihminen sairastuu elämänsä aikana syöpään muista syistä, joten mahdollinen lisäys ei kovin helposti nouse satunnaiskohinan yläpuolelle.

Vaikka tulos voi vaikuttaa yllättävältä, se on itse asiassa varsin hyvin linjassa sen kanssa, mitä säteilyannoksen ja syöpäriskin välisestä yhteydestä tiedetään. Alla oleva UNSCEAR:in dataan perustuva taulukko säteilylle altistuneista väestöryhmistä on kopioitu aikaisemmasta onnettomuuden seurauksia käsittelevästä blogikirjoituksesta. Kolmen viimeisimmän ryhmän, eli evakuointivyöhykkeen ulkopuolella asuneiden ihmisten annos on laskettu 20 vuoden kertymänä.

Väestöryhmä Väestön koko Keskim. annos
Pelastustyöntekijät ja raivaajat a 500,000 117 mSv
Evakuointivyöhykkeen asukkaat b 115,000 31 mSv
Väestö pahimmin saastuneella alueella c 6,400,000 9 mSv
Väestö muualla entisen NL:n alueella 98,000,000 1.3 mSv
Väestö muualla Euroopassa 500,000,000 0.3 mSv

a Pelastustyöntekijöiden ja raivaajien annoskertymä on laskettu vuosilta 1986-1990.
b Lähialueen asukkaiden saama säteilyannos ennen evakuointia.
c Pahimmin saastuneella alueella viitataan kuvassa 7 esitettyyn 150,000 km2 alueeseen Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa, missä Cs137-laskeuma ylitti 37 kBq/m2.

Kerroin aikaisemmin (jakso 3, alaviite iii), että kansainvälinen säteilysuojelukomissio ICRP käyttää säteilyannoksen aiheuttamalle syöpäriskille laskennallista todennäköisyyskerrointa 5%/Sv, eli 0.005%/mSv. Tämän kertoimen perusteella esimerkiksi pahimmin altistuneessa pelastustyöntekijöiden ja raivaajien muodostamassa 500,000 ihmisen ryhmässä on odotettavissa n. 3000 ylimääräistä kuolemaan johtavaa syöpätapausta.

Tilastoissa näkyvää kilpirauhassyöpää lukuun ottamatta kaikki muut arviot onnettomuuden aiheuttamista syöpävaikutuksista perustuvat juuri tällaisiin laskennallisiin malleihin. Laskennallinen todennäköisyys puolestaan perustuu tavallisesti lineaariseen korrelaatioon, joka on havaittu kokeellisesti suurilla (yli 100 mSv) lyhyen aikavälin sisällä saaduilla säteilyannoksilla. Tätä kutsutaan ns. linear no-threshold, eli LNT-malliksi.

Esimerkiksi Maailman terveysjärjestö (WHO) arvioi vuonna 2005 onnettomuuden aiheuttavan yhteensä 4000 ylimääräistä kuolemaa pahimmin altistuneissa väestöryhmissä. Joissain arvioissa on päädytty monta kertaluokkaa suurempiin lukuihin. Tällaisista ristiriitaisista tuloksista voi helposti saada sellaisen kuvan, että kyse on arvioiden vaihteluvälin ääripäistä, ja totuus sijoittuu johonkin lukujen välimaastoon. Todellisuudessa yhdessäkään tutkimuksessa ei kuitenkaan ole ollut käytössä parempaa tai huonompaa lähtödataa, vaan erot tulevat pikemminkin siitä, minkälaisilla oletuksilla mallia on käytetty. Yksi reunaehdoista on se, miten pieniin annoksiin korrelaation pätevyysalue halutaan ulottaa.

Juuri tämä tulkinnanvaraisuus on LNT-mallin suurimpia ongelmia. Mallin tiedetään suurella todennäköisyydellä yliarvioivan pienten säteilyannosten aiheuttamaa syöpäriskiä erityisesti silloin, kun annos on saatu pitkällä aikavälillä. Kyse ei siis ole tarkasta mittarista tai välttämättä edes oikeasta suuruusluokasta, vaan yläraja-arviosta, jonka konservatiivisuus kasvaa mitä pienempiin annoksiin analyysit ulotetaan.ii Monet säteilyfysiologian asiantuntijat pitävätkin mallin käyttöä kyseenalaisena sellaisissa tapauksissa, joissa altistus on samaa suuruusluokkaa luonnon taustasäteilyn kanssa. Tämä pätee myös yllä olevan taulukon kolmeen viimeiseen väestöryhmään. Vertailun vuoksi keskimääräiselle suomalaiselle aiheutuu luonnon säteilytaustasta 20 vuoden aikana n. 55 mSv:n annos.

Tšernobylin ydinvoimalaitosalueen ympärillä on edelleen 30 kilometrin suojavyöhyke, jonka sisällä asuminen on periaatteessa kielletty. Vyöhykkeen sisälle on kuitenkin vuosien saatossa muuttanut erakoituneita vanhuksia, jotka pitävät paikkaa kotinaan. Myös laitosalueella on aktiivista toimintaa. Onnettomuuden sattuessa vuonna 1986 Tšernobylissä oli toiminnassa neljä reaktoriyksikköä. Kakkos- ja ykkösyksiköt ajettiin alas vuosina 1991 ja 1996. Räjähdyksessä tuhoutuneen nelosyksikön kanssa saman turbiinirakennuksen ja muita yhteisiä tiloja jakanut kolmosreaktori toimi aina vuoteen 2000 saakka. Vaikka sähköntuotanto on jo loppunut, laitosalueella työskentelee edelleen tuhansia ihmisiä. Vanhan sarkofagin päälle rakennettiin uusi suoja, joka otettiin käyttöön keväällä 2019. Myös laitosten käytöstä poisto ja purkaminen vaativat vielä paljon työtä.

Pripjatista on tullut turistinähtävyys, jossa vieraili viime vuonna 75,000 kävijää. Määrä on ollut jatkuvasti kasvamaan päin. Turismin ympärille on kehittynyt paljon bisnestä, ja paikallisoppaiden tehtävä ei ole ainoastaan kertoa onnettomuudesta ja sen seurauksista, vaan myös tarjota kävijöille myyvä tarina ja sopivasti vaaran tunnetta. MTV:n uutiset vieraili Tšernobylissä keväällä 2019. Jutussa kerrotaan, kuinka opas rientää varoittamaan toimittajaa korkeasta säteilytasosta, minkä vuoksi paikassa ei tulisi oleskella puolta minuuttia kauempaa. Annosnopeus on kohonnut satakertaiseksi normaalitasoon verrattuna.

Satakertainen säteilytaso kuulostaa pahalta, mutta myös luonnollisen taustasäteilyn voimakkuudessa on hyvin suurta vaihtelua. Suomessa annosnopeus vaihtelee välillä 0.05-0.30 µSv/h. Lentokoneessa säteilytaso on kosmisen säteilyn vuoksi korkeampi, noin 3-8 µSv/h. Suurimmillaan ero voi siis olla yli satakertainen maanpinnan tasoon verrattuna. Monta tuntia kestävällä lennolla tulee tuskin silti ajatelleeksi, ettei lentokoneessa olisi korkean säteilytason vuoksi turvallista istua puolta minuuttia kauempaa. Lukema asettuu ymmärrettävämpään mittakaavaan myös ajattelemalla annoskertymää. 30 sekuntia satakertaista annosnopeutta tuottaa saman kokonaisannoksen kuin 3000 sekuntia, eli 50 minuuttia normaalia taustasäteilyä.

Ylimääräiselle säteilylle ei kannata itseään ehdoin tahdoin altistaa, mutta esimerkki osoittaa mielestäni hyvin sen, miten vaikea säteilyyn liittyvää vaarallisuuden astetta on arvioida, ja miten vahvoja primitiivireaktioita siihen samasta syystä liittyy. Myös HBO:n sarjassa hyödynnetään tätä tuntemattoman vaaran jatkuvaa läsnäoloa, joka onkin osa sarjan koukuttavuutta. Annosnopeus Tšernobylin ydinvoimalan nelosyksikön reaktorirakennuksen katolla lauantaiyönä 26.4.1986 ei ollut normaaliin taustasäteilyyn verrattuna sata, tuhat, tai edes 10,000-kertainen, vaan yli miljardikertainen. Kyse on jo niin suuresta luvusta, että sitä on käytännössä mahdoton asettaa millään tavalla käsinkosketeltavaan mittakaavaan.


i) Kilpirauhassyövän lisäksi pahimmin altistuneen n. 100,000 työntekijän joukossa on ilmennyt joitakin kymmeniä ylimääräisiä leukemiatapauksia. Tilastollisen yhteyden merkittävyydestä ei kuitenkaan vallitse täysin yksimielistä käsitystä, sillä lisäys ylittää vain niukasti leukemiatapausten luonnollisen satunnaisvaihtelun. Moni akuutista säteilysairaudesta selvinnyt pelastustyöntekijä kuoli tulevien vuosien aikan muihin sairauksiin, ja yli 1000 mSv:n annoksille altistuneiden ihmisten terveydentila on ollut yleisesti ottaen heikko. Korkea säteilyannos on voitu yhdistää myös kaihiin, sekä sydän- ja aivoverenkierron sairauksiin.

ii) LNT-mallin ekstrapolointi pieniin annoksiin rinnastuu esimerkiksi siihen, että tupakoinnin aiheuttamaa syöpäriskin kasvua arvioitaisiin vastaavilla menetelmillä. Tilastollisesti voidaan osoittaa, että esimerkiksi askillisen savukkeita päivässä polttavalla ihmisellä on tietty riski sairastua keuhkosyöpään. Kaksi askia päivässä polttavalla riski on vastaavasti suurempi. Näiden tilastollisten havaintojen perusteella voidaan laatia malli, joka yhdistää tupakoinnin määrän syöpäriskiin. Saman mallin perusteella voidaan kuitenkin laskea vastaava teoreettinen todennäköisyys myös ihmiselle, joka polttaa yhden savukkeen päivässä, yhden viikossa tai yhden vuodessa. Korrelaatio voidaan viedä niinkin pitkälle, että yksittäiselle savukkeelle lasketaan sen polttamista vastaava syöpäriski. Vaikka riski olisi laskennallisesti miten pieni tahansa, syöpätapausten kokonaismääräksi saadaan aina nollasta poikkeava luku, jos mallia sovelletaan riittävän suureen määrään ihmisiä. Tällainen ennuste voi antaa realistisia tuloksia aktiivisesti tupakoivien ryhmässä, mutta altistusta pienennettäessä jossain vaiheessa vastaan tulee raja, jonka alapuolella tulokset menettävät merkityksensä. Sitä, missä tämä raja kulkee, ei kuitenkaan ole mahdollista määrittää, sillä syöpäriskin kasvu hukkuu jo paljon aikaisemmin tilastojen satunnaisvaihteluun. Keuhkosyöpäänkin voi sairastua, vaikkei olisi eläessään polttanut ainuttakaan savuketta.

Missä viipyy sulasuolareaktori?

Jaakko Leppänen – 3.5.2019

Uuden sukupolven reaktoreista sulasuolareaktori (engl. Molten Salt Reactor, MSR) on lyhyessä ajassa noussut suosikkiteknologiaksi sekä ydinenergia-alan sisällä, että alan tulevaisuutta käsittelevässä uutisoinnissa. Reaktorityyppiin liitettävät odotukset on asetettu korkealle, ja kehitykseen on hypännyt perinteisten kansallisten tutkimusorganisaatioiden lisäksi joukko pieniä ja keskisuuria yrityksiä. Aiheen ympärillä käytävää hypeä seuratessa herääkin helposti kysymys: miksi näitä reaktoreita ei ole jo käytössä? Uutisoinnin ja arkitodellisuuden välillä vallitsee kieltämättä tietty ristiriita, sillä uuden teknologian mahdollisuuksista huolimatta ydinenergiateollisuus tuntuu edelleen luottavan vahvasti perinteiseen kevytvesireaktoriteknologiaan.

Sulasuolareaktoreista puhuttaessa kyse ei ole yksittäisestä reaktorityypistä, vaan pikemminkin sateenvarjotermistä, joka kattaa joukon varsin erilaisia teknologioita. Yritän tässä blogikirjoituksessa valottaa hieman aiheen taustaa. Kirjoituksen tarkoituksena ei kuitenkaan ole käydä läpi kaikkia mahdollisia variantteja, vaan esitellä yleisellä tasolla teknologian erityispiirteitä ja kehitykseen liittyviä haasteita.

Sulasuolateknologia

Kaikkia sulasuolareaktoreita yhdistävä tekijä on nestemäinen polttoaine, joka toimii samalla reaktorin primäärijäähdytteenä.i Reaktorin toimintaperiaate on pohjimmiltaan yksinkertainen: nestemäinen suola muodostaa reaktorin sydämen läpi virratessaan ketjureaktiota ylläpitävän kriittisen geometrian, ja fissioreaktioissa syntynyt energia siirtyy lämmönvaihtimien kautta primääripiiristä ulos. Muilta osin toteutus riippuu pitkälti reaktorin käyttötarkoituksesta ja polttoainekierrosta.

MSR

Kuva 1: Neljännen sukupolven sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Polttoaineena ja primäärijäähdytteenä toimivaa nestemäistä suolaa kierrätetään reaktorin sydämen ja lämmönvaihtimen läpi. Turbiinikierto on tavallisesti erotettu primääripiiristä sekundäärisellä suolakierrolla, jonka tarkoitus on estää radioaktiivisten aineiden vuoto turbiiniin, ja vesihöyryn tai muun työaineen päätyminen reaktoriin. Tässä reaktorikonseptissa primäärikiertoon on liitetty myös kemiallinen jälleenkäsittelyprosessi, ja sekundääripiiriin korkeassa lämpötilassa toimiva kaasuturbiinikierto.

Polttoainesuolana käytetään tavallisimmin litium- ja berylliumfluoridin seosta (FLiBe), johon fissiili materiaali on liuotettu uraanitetrafluoridin (UF4) muodossa. Fluoridien lisäksi myös kloridipohjaisten suolojen käyttöä on tutkittu paljon. Normaalipaineessa FLiBe-suolaseos on nestemäistä n. 400-1400°C lämpötilavälillä. Ominaisuudet tosin riippuvat jonkin verran komponenttien keskinäisistä suhteista. Reaktorin tyypillinen toimintalämpötila on n. 700°C, joka on kevytvesireaktoreihin verrattuna varsin korkea. Reaktorityyppiä olisikin periaatteessa mahdollista käyttää sähköntuotannon lisäksi moniin sellaisiin korkeaa lämpötilaa vaativiin sovelluksiin, joihin perinteisen reaktoriteknologian toiminta-alue ei yllä.

Sulasuolareaktori voi toimia termisellä tai nopealla neutronispektrillä. Termisissä reaktoreissa neutronit hidastetaan kevyestä alkuaineesta koostuvassa moderaattorissa fissioreaktion kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Hidastuminen kasvattaa neutronin todennäköisyyttä törmätä fissiiliin U235-ytimeen, mikä puolestaan mahdollistaa ketjureaktion ylläpitämisen matalasti väkevöidyllä polttoaineella.ii Termisissä sulasuolareaktoreissa moderaattorina käytetään tavallisimmin kiinteää grafiittia.

Nopean neutronispektrin reaktoreissa neutroneita ei hidasteta, vaan ketjureaktion ylläpitämisen edellytykset luodaan nostamalla fissiilin isotoopin atomiosuus korkeaksi. Teknologia yhdistetään tavallisesti fissiilin materiaalin hyötämiseen ja suljettuun polttoainekiertoon, jossa polttoaineeseen syntyneitä aktinideja kierrätetään takaisin reaktoriin. Jos ketjureaktion neutronituotto on riittävän korkea, reaktori voi ylimääräisillä neutroneilla valmistaa fissiiliä isotooppia fertiilistä lähtöaineesta nopeammin kuin polttoainetta kuluu. Hyötöreaktori voi toimia uraani-plutonium -kierrolla, jossa uraanin U238-isotooppi konvertoituu neutronikaappauksen ja peräkkäisten hajoamisreaktioiden kautta fissiiliksi plutoniumin isotoopiksi Pu239. Toinen vaihtoehto on torium-uraani -kierto, jossa lähtöaine on Th232, ja fissiili lopputuote U233. Molemmat hyötöreaktorikierrot voidaan toteuttaa myös sulasuolareaktorissa.

Hyötöreaktorikierto edellyttää käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelyä, missä käyttökelpoinen fissiili aines erotetaan ydinjätteeksi päätyvästä massavirrasta. Kyse on kemiallisesta prosessista, joka sulasuolareaktoreissa voidaan rakentaa suoraan primääripiirin yhteyteen. Osa suolakierrosta ohjataan kemialliseen jälleenkäsittelylaitokseen, joka poistaa suolasta kierrätettäviä aktinideja sekä neutroneita absorboivia fissiotuotteita. Vaikka reaktori ei hyötäisi, polttoainetta voidaan puhdistaa ja fissiiliä materiaalia lisätä jatkuvatoimisesti, mikä tuo joustavuutta esimerkiksi reaktiivisuuden säätöön. Kaasumaisia fissiotuotteita poistuu suolasta myös ilman kemiallista käsittelyä. Tämä pätee erityisesti jalokaasuihin, jotka eivät sitoudu lainkaan muihin alkuaineisiin.

Historiaa

Vaikka sulasuolareaktori liitetään erityisesti tulevaisuuden ydinteknologioihin, kyse ei suinkaan ole uudesta innovaatiosta. Ydinvoiman valjastaminen energiantuotantokäyttöön alkoi pian sen jälkeen kun Yhdysvalloissa kehitetty reaktoriteknologia tuli julkisuuteen toisen maailmansodan päättyessä Hiroshiman ja Nagasakin pommituksiin. Ensimmäiset ydinreaktorit oli rakennettu valmistamaan ydinaselaatuista plutoniumia, ja teknologia soveltui sellaisenaan varsin huonosti sähköntuotantoon. Tarvittiin reaktori, joka kykeni toimimaan korkeassa lämpötilassa pitkiä aikoja kerrallaan. Ajatus nestemäisellä polttoaineella toimivasta reaktorista syntyikin muiden konseptien ohella jo 1940-luvun puolella.

Ensimmäistä sulasuolareaktoria ei kuitenkaan rakennettu perinteiseen energiantuotantoon, vaan paljon eksoottisempaa käyttötarkoitusta varten. Yhdysvaltain ilmavoimissa käynnistyi vuonna 1946 Aircraft Nuclear Propulsion (ANP) -niminen tutkimusohjelma, joka tähtäsi ydinkäyttöisen pitkän toimintasäteen pommikoneen kehittämiseen. Reaktorilla oli tarkoitus lämmittää korkeassa paineessa suihkumoottorin läpi virtaavaa ilmaa. Yksi tarkasteltavista reaktorivaihtoehdoista toimi korkeasti väkevöidyllä UF4-polttoaineella, joka oli sekoitettu sulaan natrium-zirkoniumfluoridisuolaan. Nestemäinen suola kuumeni n. 860°C lämpötilaan virratessaan berylliumoksidimoderaattorista valmistetun sydämen läpi.iii

Reaktorin prototyyppi (Aircraft Reactor Experiment, ARE) rakennettiin Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen tutkimuslaboratorioon, missä se toimi suhteellisen menestyksekkäästi vuosina 1954-1955. Hanke kuitenkin keskeytettiin, kun ohjusteknologian nopea kehitys teki ydinkäyttöisen pommikoneen ilmavoimille tarpeettomaksi. Reaktoria ei koskaan asennettu lentokoneeseen.

Lentokoneprojektin jälkeen sulasuolareaktoriteknologiaa alettiin kehittää Oak Ridgessä eteenpäin. 1950-luvun lopulla käynnistyneen Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) -hankkeen tavoitteena oli kehittää energiantuotantokäyttöön soveltuva sulasuolareaktori. Ensimmäinen prototyyppi aloitti toimintansa vuonna 1965. Polttoaineena käytettiin tällä kertaa n. 30%:ksi väkevöityä uraanitetrafluoridia, kantajasuolana litium-beryllium-zirkoniumfluoridia, ja neutronimoderaattorina grafiittia. Reaktorin teho nostettiin vaiheittain 7.4 megawattiin, ja sydämen ulostulolämpötilaksi saatiin n. 660°C.

MSRE

Kuva 2: MSRE-sulasuolareaktorin grafiittimoderaattorista muodostuva sydän, jonka läpi virratessaan fissiiliä uraania sisältävä suola muodostaa kriittisen geometrian.

MSRE:tä voidaan monessa mielessä pitää nykyisten sulasuolareaktorikonseptien esikuvana, sillä se demonstroi käytännössä monia teknologian erityispiirteitä. Reaktorin stabiilisuus nojasi suolan lämpölaajenemiseen. Lämpötilan noustessa suolan tilavuus kasvoi, jolloin reaktorin sydämeen mahtui vähemmän fissiiliä materiaalia. Tämä puolestaan käänsi fissiotehon ja suolan lämpötilan laskuun. Kyse oli siis voimakkaasta reaktiivisuustakaisinkytkennästä, joka sai reaktorin säätämään itse itseään. Sama vaikutus toimii sekä termisissä että nopeissa sulasuolareaktoreissa.

Reaktorin sammuttamiseen oli liikuteltavien säätösauvojen lisäksi suunniteltu passiivinen järjestelmä, joka perustui reaktoriastian pohjaan kytkettyyn suolatulpalla suljettuun putkiyhteeseen. Reaktorin toimiessa tulppaa jäähdytettiin ilmavirralla, mutta häiriötilanteessa sen sulaminen päästi polttoaineen valumaan jäähdytettyihin tankkeihin, katkaisten samalla ketjureaktion etenemisen. Samaa periaatetta sovelletaan monissa nykyisissä MSR-konsepteissa, ja järjestelmä on piirretty myös kuvan 1 periaatekaavioon.

Kolmen vuoden testijakson jälkeen polttoaineeseen alettiin lisäämään uraanin isotooppia U233, joka on toriumhyötöreaktorikierrossa syntyvä fissiili isotooppi. MSRE ei kuitenkaan koskaan toiminut hyötöreaktorina, sillä tämä olisi edellyttänyt monimutkaisempaa heterogeenistä rakennetta, jossa fissiili ja uutta polttoainetta muodostava fertiili suolakierto erotetaan toisistaan. Reaktori toimi kaikkiaan neljän vuoden ajan, keräten käyttötunteja yhteensä yli 13,000. Käyttöjakso osoitti esimerkiksi sen, että grafiitista valmistettu moderaattori sopi kemiallisesti hyvin yhteen kuuman fluorisuolan kanssa.

Vuosikymmenen loppuun mennessä hyötöreaktoritutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeisiin natriumjäähdytteisiin reaktoreihin (esim. Idaho National Laboratoryn EBR-II -hanke), ja sulasuolareaktoritutkimuksen rahoitusta leikattiin. Ohjelma lopetettiin kokonaan vuonna 1973. Oak Ridgen sulasuolareaktoriprojekteja on käsitelty esimerkiksi vuonna 2009 julkaistussa tutkimusraportissa.

Amerikkalaisen MSRE:n lisäksi sulasuolareaktoritutkimusta tehtiin 1960-1970 -luvuilla myös Iso-Britanniassa. Hanke keskittyi nopealla neutronispektrillä toimivaan reaktoriin, joka käytti polttoaineenaan plutoniumia ja kloridipohjaista suolaa. Kloori soveltui fluoria paremmin nopean reaktorin kantajasuolan pääkomponentiksi, sillä raskaampana ytimenä sen neutroneita hidastava vaikutus oli vähäisempi. Reaktorista ei ehditty rakentaa toimivaa prototyyppiä, mutta kokeellinen tutkimus eteni varsin pitkälle ennen projektin lopettamista, tuottaen arvokasta tietoa esimerkiksi kloridisuolojen ominaisuuksista.

Modernit MSR-konseptit

MSRE-ohjelman jälkeen sulasuolareaktori jäi muiden kehittyvien teknologioiden varjoon. Tutkimus sai kuitenkin uutta vauhtia, kun 2000-luvun alussa ydinenergia-alan kehityksen edistämiseen perustettu kansainvälinen Generation IV International Forum valitsi reaktorityypin kuuden lupaavimman tulevaisuuden ydinteknologian joukkoon.

Kuten edellä todettiin, käsite ”sulasuolareaktori” pitää sisällään joukon varsin erilaisia teknologioita, jotka poikkeavat toisistaan esimerkiksi suolan koostumuksen (fluoridi tai kloridi) ja neutronispektrin (terminen, nopea tai jotain siltä väliltä) osalta. Reaktori voidaan suunnitella toimimaan joko perinteiseen tapaan suoraan loppusijoitukseen perustuvalla polttoainekierrolla, tai hyötöreaktorina. Jälkimmäisessä tapauksessa reaktori voi hyödyntää jatkuvatoimista jälleenkäsittelyä, ja toimia joko uraani- tai toriumpolttoaineella.

Sulasuolareaktorista on tullut ydinenergia-alalla suosittu tutkimus- ja kehityskohde, johon kansallisten toimijoiden lisäksi jopa monet pienet insinööritoimistot ovat tarttuneet. Konsepteja on vähintään yhtä monta kuin niitä kehittäviä yrityksiä, ja joukosta löytyy lähes kaikki kombinaatiot edellä listatuista suunnitteluoptioista. Kaikkia teknologioita ei ole mielekästä alkaa käymään läpi, joten esitän tässä vain lyhyen katsauksen muutamaan mielenkiintoiseen projektiin. Yksittäisiä kehityshankkeita on listattu esimerkiksi World Nuclear Associationin sivulla ja Wikipediassa. Pienreaktorikategoriaan mahtuvia konsepteja on kuvattu myös IAEA:n SMR-raportissa.

Valtiotasolla sulasuolareaktoritutkimuksen edelläkävijänä voidaan pitää Kiinaa. Teknologiaa kehitettiin Shanghaissa (Shanghai Institute of Applied Physics, SINAP) jo 1970-luvulla, jolloin tavoitteena oli sähköteholtaan 25 megawatin prototyyppireaktorin rakentaminen. Tutkimus joutui kuitenkin väistymään kevytvesireaktoriteknologian tieltä, ja kehitystyö käynnistettiin uudelleen vasta vuonna 2011.

Tutkimus on sittemmin keskittynyt kolmeen fluorisuolalla ja toriumpolttoaineella toimivaan varianttiin, jotka kulkevat yhteisnimellä thorium-breeding molten-salt reactor (TMSR). Kehityksen on määrä edetä vaiheittain pilottiprojektien ja muutaman koereaktorin kautta täyden mittakaavan demonstraatiolaitokseen, ja lopulta kaupalliseen teknologiaan. Ensimmäisten koelaitteiden on määrä valmistua 2020-luvun puolivälissä. Vaikka kiinalaisten ydinenergiatutkimuksesta uutisoidaan länsimaissa suhteellisen vähän, TMSR-hanke ylittää kooltaan selvästi muut vastaavat tutkimusohjelmat. Kehitykseen on investoitu tuhansia henkilötyövuosia, ja budjetti liikkuu sadoissa miljoonissa euroissa.

Kanadalainen Terrestrial Energy -yhtiö kehittää Integral Molten Salt Reactor (IMSR) -nimistä sulasuolareaktoria, joka pyrkii hyödyntämään mahdollisimman paljon olemassa olevaa, esim. Oak Ridgessä aikanaan kehitettyä teknologiaa. Reaktori on fissioteholtaan pieni, vain 400 megawattia, ja se käyttää polttoaineenaan matalasti väkevöityä uraania ja fluoridipohjaista suolaa. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että koko primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle. Reaktori on suunniteltu toimimaan yhtäjaksoisesti 7 vuoden ajan, minkä jälkeen suola, moderaattori ja muut reaktorin sisäosat uusitaan kerralla. Rajoitetulla käyttöiällä pyritään välttämään ennen kaikkea materiaalien kestävyyteen liittyviä ongelmia. Reaktorin turvallisuussuunnittelu perustuu täysin passiiviseen jäähdytykseen.

Koska IMSR edustaa suunnittelultaan varsin konservatiivista lähestymistapaa, sitä voidaan pitää yhtenä toteuttamiskelpoisimmista sulasuolareaktorihankkeista. Integroitu rakenne pienentää myös proliferaatioriskiä, jota voidaan muuten pitää teknologian leviämistä rajoittavana tekijänä. Terrestrial Energy tähtää reaktorin kaupallistamiseen jo 2020-luvun aikana, mikä on tavoitteena erittäin kunnianhimoinen. Hanke on edennyt Kanadassa esilisensiointivaiheeseen, ja ensimmäiselle prototyyppilaitokselle ollaan parhaillaan etsimässä sijoituspaikkaa.

IMSR

Kuva 3: Terrestrial Energyn IMSR-sulasuolareaktorin toimintaperiaate. Reaktorin erityispiirre on integroitu rakenne. Primäärikierto on eristetty reaktoriastian sisälle, jonka sisäosat on suunniteltu vaihdettavaksi 7 vuoden välein.

Microsoftin perustajiin kuulunut IT-miljardööri Bill Gates on ollut pitkään ydinenergian vahva puolestapuhuja. Vuonna 2006 Gates perusti innovatiivisia reaktorityyppejä kehittävän Terrapower-yhtiön, joka on vahvasti mukana myös sulasuolareaktoriteknologian tutkimuksessa. Terrapowerin, Southern Companyn, Oak Ridge National Laboratoryn sekä muutaman muun partnerin yhteistyönä kehittämä Molten Chloride Fast Reactor (MCFR) perustuu Iso-Britanniassa 1960-1970 -luvuilla kehitettyyn teknologiaan. Reaktori toimii nopealla neutronispektrillä ja kloridisuolalla. Terrestrial Energyn IMSR:ään verrattuna kyse on vielä paljon kunnianhimoisemmasta suunnitelmasta, sillä reaktori kykenee toimimaan myös suljetulla polttoainekierrolla. Kehitystyö on edelleen alkuvaiheessa, mutta hanke on jo saanut kerättyä paljon julkista rahoitusta.

Sulasuolareaktoritutkimusta tehdään myös Euroopassa, esimerkiksi Horisontti 2020-ohjelmaan kuuluvan SAMOFAR-hankkeen puitteissa. Kokeellisen puolen tutkimusta on tehty erityisesti Hollannin Pettenissä, missä NRG:n tutkimusreaktorilla on säteilytetty erilaisia suolanäytteitä.

MSR-teknologian edut

Kevytvesireaktoreiden toimintalämpötila rajoittuu veden kiehumispisteeseen, joka nostetaan korkealla paineella n. 300°C tuntumaan. Sulasuolareaktori kykenee toimimaan normaalipaineessa yli 700°C lämpötilassa, mikä vaikuttaa suoraan esimerkiksi sähköntuotannon hyötysuhteeseen. MSR:ää ja muita korkeassa lämpötilassa toimivia reaktoreita voidaan pitää myös siinä mielessä tärkeinä kehityskohteina, että niiden tuottamaa energiaa on sähköntuotannon lisäksi mahdollista hyödyntää monissa sellaisissa teollisuusprosesseissa, jotka ovat nykyisin täysin riippuvaisia fossiilisista polttoaineista. Tähän aiheeseen palataan vielä myöhemmin toisessa blogikirjoituksessa.

Matala käyttöpaine yksinkertaistaa myös reaktorin turvallisuussuunnittelua. Reaktoriturvallisuuden perimmäinen haaste on polttoaineen tuottama jälkilämpö, jota syntyy lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vielä pitkään fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä kevytvesireaktoreissa jälkilämmön poistoon käytetään moninkertaisesti varmennettuja sähkötoimisia järjestelmiä, mutta sama turvallisuuden taso on mahdollista saavuttaa myös passiiviseen luonnonkiertoon perustuvalla jäähdytyksellä. Reaktorin jäähdytysjärjestelmien toimintaa monimutkaistaa kuitenkin se, että korkeapaineisen veden faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa.iv Sulasuolareaktoreissa ei matalan käyttöpaineen vuoksi vastaavaa ongelmaa ole, ja suolan edullisten lämmönsiirto-ominaisuuksien ansiosta jäähdytys on helppo toteuttaa passiivisella kierrolla. Polttoaineen jälkilämmönpoisto ei tällöin riipu myöskään sähkönsyötöstä tai mekaanisten laitteiden toimivuudesta.

Hyötöreaktorikategoriassa MSR:n etuna voidaan pitää jatkuvaa jälleenkäsittelyä, joka tekee tarpeettomaksi monia mekaanisia välivaiheita liittyen esimerkiksi reaktorissa säteilytettyjen polttoainenippujen käsittelyyn ja uuden polttoaineen valmistukseen. Nestemäinen polttoaine tuo muutenkin joustavuutta reaktorin käyttöön. Fissiotuotteiden jatkuva erottaminen pienentää aktiivisuusinventaaria ja jälkilämmöntuottoa. Mekaaniset ominaisuudet eivät rajoita polttoaineen käyttöastetta, ja kustannussäästöä voi syntyä myös siitä, että polttoainenippujen valmistusprosessi jää kokonaan pois. Koska polttoaine sekoittuu jatkuvasti, reaktorin käyttöjakson suunnittelussa on kyse lähinnä suolan koostumuksen säätämisestä. Kevytvesireaktoreiden lautaussuunnittelussa vapaasti valittavia parametreja on monin verroin enemmän.

Haasteena materiaalikysymykset ja tuntemattomat tekijät

Vaikka MSR-teknologiaan liittyy paljon lupauksia, käytännön toteutuksesta on vielä varsin vähän konkreettista näyttöä. Oak Ridgen MSRE-koereaktori toimi lopulta suhteellisen lyhyen aikaa, ja käyttökokemusten perusteella voi olla vaikea tehdä luotettavia arvioita esimerkiksi siitä, miten reaktorin materiaalit kestävät kymmenien vuosien yhtämittaisessa käytössä. Vaikka moderaattorina käytetty grafiitti sietää hyvin kuumaa suolaa, erityisesti fluoridien tiedetään syövyttävän metallikomponentteja. Grafiittikaan ei kestä voimakasta neutronipommitusta reaktorin sydämessä, vaan materiaali turpoaa ja halkeilee ajan myötä.

Sulasuolareaktori on myös kemiallisesti erittäin monimutkainen systeemi. Polttoaineeseen syntyy laaja skaala aktinideja ja fissiotuotteita, jotka vaikuttavat suolan ominaisuuksiin. Suurin osa alkuaineista liukenee suolaan, mutta tietyt aineet voivat kerääntyä esimerkiksi viileämpien lämmönvaihtimien pinnoille, muuttaen niiden lämmönsiirto-ominaisuuksia. Yleisesti ottaen suolaliuoksen kemiaan liittyy paljon sellaisia ilmiöitä, joita ei vielä tarkkaan tunneta.

Epävarmuudet ja reaktorin ylläpitoon liittyvät tuntemattomat tekijät heijastuvat myös projektien aikatauluihin ja teknologian hintaan. Sulasuolareaktoreiden kustannuksista esitetään toisinaan varsin optimistisia arvioita, joihin on kuitenkin syytä suhtautua varauksellisesti. Tämä pätee erityisesti jatkuvaan jälleenkäsittelyyn ja toriumkiertoon perustuviin hyötöreaktorikonsepteihin, joista ei ole edes MSRE:n vertaa käytännön kokemusta. Jälleenkäsittely tuo väistämättä mukanaan myös proliferaatiokysymyksiä, sillä fissiilin materiaalin erottaminen liittyy olennaisesti myös ydinasemateriaalien valmistukseen.v

Teknologian lisensiointi vie aikansa

Kaikki ongelmat eivät ole luonteeltaan teknisiä. Ydinenergian käyttöön sovelletaan lainsäädäntöä, joka on hioutunut nykyiseen muotoonsa vuosikymmenien kuluessa. Säännöstö pitää sisällään varsin yksityiskohtaisesti kirjoitettuja vaatimuksia, liittyen esimerkiksi polttoaineen käyttäytymiseen onnettomuustilanteissa. Sulasuolareaktorin normaalissa toimintatilassa polttoaine on olomuodossa, joka kevytvesireaktorin tapauksessa tarkoittaisi vakavaa reaktorionnettomuutta. Jotta tällainen reaktori voitaisiin ottaa käyttöön, sen erityispiirteet pitäisi ensin huomioida ydinenergian käyttöä ohjaavassa lainsäädännössä.

Sulasuolareaktori on helppo suunnitella passiivisesti turvalliseksi, jolloin suuren radioaktiivisen päästön riski putoaa hyvin alas. Vakavien onnettomuuksien lisäksi ydinturvallisuudessa on kuitenkin otettava huomioon myös reaktorin polttoainekierron ja normaalikäytön aikaiset päästöt. Suola toimii tehokkaana puskurina monille fissiotuotteille, kuten cesiumille ja jodille. Fissiossa syntyy kuitenkin myös radioaktiivisia jalokaasuja (esim. Xe133 ja Kr85), jotka karkaavat helposti jäähdytteestä. Suola ei myöskään kykene pidättämään täydellisesti esimerkiksi vedyn radioaktiivista tritium-isotooppia, jota syntyy fission lisäksi suolassa olevan litiumin neutronireaktioissa.vi

Jalokaasut ja tritium eivät ole ympäristön kannalta kaikkein ongelmallisimpia radionuklideja, mutta nykyisillä laitoksilla niidenkin normaalikäytön aikaisille päästöille on asetettu varovaisuusperiaatetta noudattaen varsin tiukat rajat. Kevytvesireaktoreissa nämä aineet syntyvät kiinteään polttoaineeseen kaasutiiviiden suojakuoriputkien sisälle, mikä jo itsessään muodostaa tehokkaan esteen niiden vapautumiselle. Sulasuolareaktoreissa ei vastaavaa vapautumisestettä ole, ja yksi reaktoreiden lisensiointiin liittyvistä kysymyksistä onkin se, pystytäänkö tällaiset aineet pidättämään yhtä tehokkaasti laitosprosessin sisälle, vai edellyttääkö reaktorin luvitus jopa päästörajojen nostamista?vii

Käytetyn polttoaineen suoraa geologista loppusijoitusta on tutkittu 1970-luvulta lähtien. Loppusijoituksen turvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen, jonka toimivuus puolestaan riippuu paljon radioaktiivisten aineiden liukenemisesta ja kulkeutumisesta. Loppusijoitettava jäte on keraamista uraanioksidia, joka poikkeaa ominaisuuksiltaan kloridien ja fluoridien muodostamasta suolasta. Vaikka loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuutta on tutkittu yli 40 vuoden ajan, tulokset eivät välttämättä ole sellaisenaan sovellettavissa sulasuolareaktoreiden käytettyyn polttoaineeseen.

Vastoin yleistä käsitystä ydinjätteen loppusijoituksen kannalta rajoittavimpia aineita eivät ole plutoniumin tai sivuaktinidien pitkäikäiset isotoopit, vaan tietyt yksittäiset radionuklidit, jotka muodostavat helposti kulkeutuvia yhdisteitä. Samasta syystä plutoniumin kierrättäminen tai sivuaktinidien transmutaatio ei poista loppusijoituksen tarvetta. Radioaktiivisten aineiden vapautumista havainnollistaa esimerkiksi Posivan safety-case -raportin sivulla 186 esitetty kuva, jossa tarkastellaan merkittävimpiä päästökomponentteja tilanteessa, jossa kuparista valmistettu loppusijoituskapseli menettää esimerkiksi valmistusvirheen vuoksi tiiveytensä jo tuhannen vuoden jälkeen.

Kuvasta selviää, että suurimmat päästöt kallioperään aiheutuvat hiilen ja kloorin isotoopeista C14 ja Cl36. Nämä aineet eivät ole aktinideja tai fissiotuotteita, joiden aktiivisuusinventaari polttoaineessa on suuri, vaan aktivoitumistuotteita, joita syntyy polttoainenipun rakenteissa olevista epäpuhtauksista (isotoopit N14 ja Cl35). Maanpinnalle kulkeutuessaan päästöt jäävät selvästi alle turvarajojen, mutta esimerkki osoittaa hyvin sen, että kyse on varsin monimutkaisista ilmiöistä. Pitkäaikaisturvallisuuteen liittyviä haasteita ei siis voi kuitata ratkaistuksi toteamalla että reaktori toimii suljetulla polttoainekierrolla.

Edellä mainituista isotoopeista erityisesti jälkimmäinen voi olla ongelma kloridipolttoaineella toimivissa sulasuolareaktoreissa. Posivan skenaariossa kloorin lähtöaineen pitoisuus mitataan kymmenissä tai sadoissa ppm-yksiköissä (parts per million), mutta kloridisuolassa se muodostaa yhden polttoaineen pääkomponenteista. Radioaktiivisen Cl36:n muodostusta voidaan pienentää käyttämällä suolan valmistukseen väkevöityä klooria, mutta isotooppien erotus on vietävä erittäin pitkälle jotta lähdetermi saadaan samalle tasolle kuin kevytvesireaktoreissa.viii

Vaikka Cl36:n päästöraja ylittyisi sulasuolareaktoripolttoaineen loppusijoituksessa, kyse ei todennäköisesti olisi ympäristölle vaarallisesta pitoisuudesta, sillä rajat perustuvat joka tapauksessa konservatiivisiin oletuksiin. Jos tällaisia rajoja on kuitenkin jo viranomaisvaatimuksissa ehditty asettaa, myös uusien reaktorityyppien pitäisi pystyä ne täyttämään. Se, että uudelle reaktorityypille jouduttaisiin soveltamaan nykyistä löyhempiä turvallisuusstandardeja, asettaisi koko teknologian uskottavuuden kyseenalaiseksi. Näin erityisesti siinä tilanteessa, että reaktoria on ensin vuosikausia markkinoitu huomattavana parannuksena vanhaan, sillä se kykenee ”hävittämään ydinjätettä”.

Onko sulasuolareaktori ratkaisu ilmastonmuutokseen?

Olen aikaisemmissa toriumia ja nopeita hyötöreaktoreita käsittelevissä kirjoituksissa pyrkinyt tuomaan esille sitä, että edistyneisiin ydinteknologioihin kohdistetaan usein epärealistisia odotuksia, tai niiden väitetään ratkaisevan sellaisia ongelmia, joita ei myöskään perinteisellä ydinvoimalla todellisuudessa edes ole. Tällainen teknologiahype on omiaan viemään keskustelua väärään suuntaan. Sama pätee jossain määrin myös sulasuolareaktoreihin, ja etenkin niihin reaktorikonsepteihin, jotka tähtäävät suljettuun polttoainekiertoon. Ydinenergia-alan suurimmat haasteet eivät nimittäin liity maailman uraanivarojen riittävyyteen tai ydinjätteiden turvalliseen loppusijoitukseen, vaan paljon arkisempiin vastoinkäymisiin. Reaktoreiden rakentaminen sitoo paljon pääomaa, ja etenkin länsimailla on ollut vaikeuksia pitää kustannukset kurissa, ja viedä rakennusprojektit maaliin aikataulun mukaan.

Vaikka sulasuolareaktori edustaa kiistatta innovatiivista ja perinteisistä ydinreaktoreista poikkeavaa teknologiaa, se tuskin kykenee tuomaan nopeaa ratkaisua alan ongelmiin. Uusi teknologia vaatii aina tietyn kehityskaaren, joka sulasuolareaktoreiden osalta käynnistyi jo 1950-luvulla. Ainoa konkreettinen teknologiademonstraatio on kuitenkin edelleen Oak Ridgen MSRE yli 50 vuoden takaa. Täyden mittakaavan prototyypin rakentaminen tulee kiinalaisiltakin viemään vielä vuosia, ja vaikka teknologia lunastaisi kaikki lupauksensa, kaupallista suljetulla polttoainekierrolla toimivaa sulasuolareaktoria voidaan joutua odottamaan 2040-luvulle saakka. Terrestrial Energy tosin lupaa IMSR-reaktorinsa kaupallisille markkinoille jo 2020-luvun puolella, mutta kuten edellä todettiin, aikataulu on erittäin kunnianhimoinen.

Sulasuolareaktori voi tulevaisuudessa osoittautua ylivoimaiseksi ratkaisuksi joka valtaa nopeasti markkinat, mutta kypsää teknologiaa se ei vielä edusta. Samasta syystä sitä ei myöskään energiakeskustelussa tulisi nähdä kilpailijana perinteisille kevytvesireaktoreille, tai sellaisille uusille reaktorityypeille, jotka ovat jo edenneet kehityksessä prototyyppiasteelle. Ydinvoimalla on pystytty leikkaamaan sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä nopeammin kuin millään muulla tuotantomuodolla. Teknologian valjastaminen laajemmin ilmastonmuutoksen torjuntaan edellyttää kuitenkin sitä, että resurssit kohdistetaan oikein. Tällä hetkellä katse olisi syytä pitää nopealla aikataululla käyttöön otettavissa ratkaisuissa.

Yksi sulasuolareaktorihypen ikävimmistä piirteistä on se, että rahoituksesta kilpailevat yritykset pyrkivät korostamaan oman ratkaisunsa ylivertaisuutta luomalla perinteisten kevytvesireaktorien ympärille mielikuvaa vanhentuneesta ja vaarallisesta teknologiasta. Hyvä esimerkki tästä on se, että reaktorin ainutlaatuiseksi ominaisuudeksi esitetään kyky säätää itse itseään. Väite sulasuolareaktorin luontaisesta stabiilisuudesta pitää kyllä paikkansa, mutta todellisuudessa kyse on turvallisuusvaatimuksesta, jota edellytetään lähes kaikilta muiltakin reaktorityypeiltä. Kevytvesireaktoreissa vastaava takaisinkytkentä seuraa yksinkertaisesti jäähdytteenä ja moderaattorina toimivan veden kiehumisesta.ix


i) Sulasuolareaktoreihin voidaan periaatteessa lukea myös sellaiset reaktorikonseptit, jotka perinteisten reaktorien tapaan toimivat kiinteällä polttoaineella, mutta joiden jäähdytteenä käytetään korkeassa lämpötilassa sulavaa suolaseosta. Tässä blogikirjoituksessa keskitytään kuitenkin reaktoreihin, joissa myös fissiili polttoaine kulkee suolan mukana.

ii) Neutronien hidastumisen merkitystä ketjureaktion etenemisen ja kevytvesireaktoreiden turvallisuussuunnittelun kannalta on käsitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Ketjureaktio etenee sulasuolareaktoreissa saman periaatteen mukaan, joskin reaktorin stabiilisuuteen vaikuttavat takaisinkytkennät poikkeavat jonkin verran muista reaktorityypeistä.

iii) Syy siihen, miksi ARE:n polttoaineeksi valittiin nestemäinen suola, liittyy reaktorin stabiilisuuteen. Selitys ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen. Korkeasti väkevöidyllä uraanilla toimivissa termisissä reaktoreissa polttoaineen Doppler-takaisinkytkentä on heikko, ja hallitseva negatiivinen lämpötilaefekti liittyy siihen, että termalisoituneiden neutronien spektri siirtyy energia-asteikolla ylöspäin. Polttoaineen xenon-myrkyttyminen voi kuitenkin korkeassa lämpötilassa kääntää vaikutuksen positiiviseksi, jolloin reaktori muuttuu epästabiiliksi. Nestemäinen polttoaine ratkaisi ongelman, sillä kaasumainen xenon erottui helposti suolavirrasta.

iv) Reaktorin ja suojarakennuksen ylipaineistumiseen liittyvät ongelmat realisoituivat Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa. Reaktorit jäivät ilman toimivaa jäähdytyskiertoa, kun laitosalueelle vyörynyt tsunami tuhosi sähkönsyötön jälkilämmönpoistoon tarkoitetuilta järjestelmiltä. Jäähdytys olisi ollut mahdollista toteuttaa myös ulkoisia palovesilinjoja pitkin, mutta operaatio epäonnistui kun painetta ei saatu riittävän nopeasti alas.

v) Jatkuvaa jälleenkäsittelyä soveltavien sulasuolareaktorien proliferaatioriski liittyy erityisesti toriumhyötöreaktorikiertoon. Toriumilla ei ole luonnossa lainkaan fissiiliä isotooppia, vaan reaktorin toiminta perustuu uraanin isotooppiin U233, jota syntyy toriumista peräkkäisten neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioiden kautta:

Th232 + n ⟶ Th233 ⟶ Pa233 ⟶ U233

Polttoaineen jälleenkäsittelyssä fertiilistä suolasta erotetaan kemiallisesti uraania, jolloin U233:n mukana siirtyy myös neutronireaktioissa muodostunutta isotooppia U232, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Tällaisen uraanin käsittely on teknisesti vaikeaa, mitä pidetään usein perusteluna sille, että toriumkierto soveltuu huonosti ydinasemateriaalin valmistukseen. Sulasuolareaktoreissa jälleenkäsittelyprosessi on kuitenkin periaatteessa mahdollista toteuttaa myös siten, että suolasta erotetaan konversioketjun välituotetta protaktiniumia, jolloin lopputuotteeksi saadaan radioaktiivisen hajoamisen jälkeen lähes isotooppisesti puhdasta U233:a. Tällainen uraani olisi käytännössä täydellinen ydinasemateriaali.

vi) Kevytvesireaktoreissa tritiumia (H3) syntyy jäähdytteeseen vedyn raskaan deuterium-isotoopin (H2, 0.015% kaikesta vedystä) sekä painevesireaktoreissa reaktiivisuuden säätöön käytettävän boorin neutronireaktioissa. Pääosa tritiuminventaarista syntyy kuitenkin reaktorin polttoaineeseen nk. terniäärisessä fissiossa, jossa uraaniydin halkeaa kahden tytärytimen sijaan kolmeen osaan. Kolmas reaktiotuote on tavallisesti kevyt ydin, kuten He4 tai H3. Fissiossa syntynyttä tritiumia muodostuu myös sulasuolareaktorin polttoaineeseen.

vii) Päästörajat ovat maakohtaisia, sillä tritium- ja jalokaasut eivät ole ainoastaan sulasuolareaktoreiden ja uuden teknologian ongelma. Esimerkiksi ranskalaisesta La Haguen jälleenkäsittelylaitoksesta vapautuu ilmakehään kryptonin radioaktiivista isotooppia Kr85 paljon enemmän kuin Loviisasta tai Olkiluodosta, sillä käytetty polttoaine liuotetaan prosessin aikana nestemäiseen typpihappoon. Kanadalaisissa raskasvesimoderoiduissa CANDU-reaktoreissa puolestaan syntyy monta kertaluokkaa enemmän tritiumia, jolloin myös sen päästöt ovat suuremmat. Vielä enemmän tritiumia tulee todennäköisesti vapautumaan fuusioreaktoreista, jotka käyttävät helposti karkaavaa isotooppia polttoaineenaan (1000 MW fuusioreaktorin vuoden aikana kuluttaman polttoaineen aktiivisuusinventaari olisi luokkaa 40-50 EBq). Radioaktiiviset jalokaasut eivät vaarallisuutensa puolesta vertaudu esimerkiksi jodiin tai cesiumiin, sillä ne eivät muodosta laskeumaa tai kerry ravintoketjuun. Tritiumin säteilymyrkyllisyyttä puolestaan laskee huomattavasti se, että isotoopin hajoamisessa vapautuva energiamäärä on pieni.

viii) Kloori muodostuu kahdesta isotoopista: Cl35 ja Cl37, joiden atomiosuudet ovat 75.8% ja 24.2%. Näistä edellinen muuttuu neutronikaappausreaktioissa radioaktiiviseksi Cl36:ksi, jonka puoliintumisaika on n. 300,000 vuotta.

ix) Sulasuola- ja kevytvesireaktorin stabiilisuus perustuu lopulta hyvin samankaltaisten ilmiöön. Terminen reaktori tarvitsee toimiakseen sekä polttoainetta että moderaattoria. Sulasuolareaktoreissa suolan lämpölaajeneminen pienentää polttoaineen määrää sydämessä, ja kevytvesireaktoreissa veden kiehuminen vaikuttaa samalla tavalla moderaattoriin.

Ydinenergia ja ydinaseet

Jaakko Leppänen – 25.3.2019

Ydinvoimaan liittyvissä keskusteluissa nousee usein esille kysymyksiä energiantuotannon ja muiden reaktoriteknologian rauhanomaisten sovellusten yhteydestä ydinaseisiin. Huoli proliferaatiosta, eli ydinaseiden leviämisestä, onkin varsin aiheellinen. Ajankohtaisia uhkakuvia ovat mm. Iranin ja Pohjois-Korean ydinohjelmat, sekä ydinaseiden päätyminen alivaltiollisten terroristiryhmien käsiin. Teknologiaan liittyvä proliferaatioriski on myös osasyy siihen, miksi ydinenergiantuotanto on yksi maailman tarkimmin säädellyistä teollisuudenaloista. Lähes kaikki ydinenergiaa käyttävät maat ovat sitoutuneet kansainvälisiin sopimuksiin, joilla pyritään estämään uusien ydinasevaltioiden syntyminen. Kyse ei kuitenkaan ole ainoastaan yhdessä sovittujen pelisääntöjen noudattamisesta, vaan myös siitä, että siviili- ja sotilaspuolen sovellukset eroavat teknisesti toisistaan.

Siviilipuolen teknologiaan liittyvästä proliferaatioriskistä puhuttaessa kysymykseksi nostetaan usein se, voidaanko reaktoreissa käytetyistä materiaaleista valmistaa ydinpommi, tai voidaanko reaktoria itsessään käyttää ydinasemateriaalin tuottamiseen? Näihin kysymyksiin vastaamiseksi on ensin syytä tutustua siihen, mitä ydinräjähdyksessä tapahtuu, ja mitkä ovat edellytykset sellaisen aikaansaamiseksi. Ydinaseiden toiminnasta on luonnollisesti varsin rajallisesti tietoa julkisissa lähteissä, mutta pääpiirteittäin teknologiaa on kuvattu esimerkiksi monissa Wikipedia-artikkeleissa. Aiheesta on kirjoitettu myös paljon kirjoja, joista yksi kattavimmista lienee Richard Rhodesin ydinaseiden varhaishistoriaa käsittelevä ”The Making of the Atomic Bomb”.

Sienipilvi

Kuva 1: Castle Bravo -ydinkoe Bikinin atollilla Tyynellä valtamerellä maaliskuussa 1954. Ydinräjähdykselle tunnusomainen sienipilvi muodostuu kun räjähdyksen tuottama kuuma tulipallo nousee ylös, vetäen perässään viileämmästä ilmasta muodostuvaa jalkaa.

Ydinräjähdys

Reaktorin tapaan myös ydinpommin toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon, jonka etenemistä on kuvattu aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Reaktorin normaalissa toimintatilassa fissiosta toiseen etenevät reaktioketjut ovat äärellisen mittaisia. Vanhat fissioketjut korvautuvat jatkuvasti uusilla, mutta reaktorin toimiessa vakioteholla käynnissä olevien ketjujen kokonaismäärä säilyy muuttumattomana. Uusien ketjujen käynnistyminen liittyy nk. viivästyneisiin neutroneihin, jotka tuovat ketjureaktioon hitautta. Fissiotehon muutosnopeutta kuvaa suure nimeltä reaktiivisuus, joka voidaan liittää ketjujen haarautumiseen. Mitä suurempi reaktiivisuus, sitä enemmän ketjuihin muodostuu uusia haaroja, ja sitä pidemmäksi ne pääsevät kasvamaan. Tietyn reaktiivisuusrajan yläpuolella fissioketjut pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi, jolloin viivästyneet neutronit menettävät merkityksensä. Tällaista ketjureaktion toimintatilaa kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi.

Ydinreaktoreissa kerkeä kriittisyys on ei-toivottu toimintatila, sillä se saa fissiotehon kasvamaan nopeasti. Kevytvesireaktoreissa tehon kasvunopeutta rajoittaa kuitenkin se, että ketjureaktion ylläpitämiseksi neutronit on ensin hidastettava fission kannalta edulliselle matalalle, eli termiselle energia-alueelle. Hidastuminen tapahtuu törmäyttämällä neutroneita kevyisiin vety-ytimiin polttoainesauvoja ympäröivässä moderaattorissa. Yksittäisten neutronien elinkaaret kasvavat suhteellisen pitkiksi, mikä kasvattaa myös peräkkäisten fissioiden välistä aikaa. Kerkeästi kriittisessä transientissa kevytvesireaktorin fissioteho voi kaksinkertaistua millisekuntien aikaskaalassa. Kasvunopeus voi kuulostaa hurjalta, mutta käytännössä esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumisen laukaisema tehopulssi ehtii katketa reaktorin luontaisiin takaisinkytkentöihin ennen kuin vakavia polttoainevaurioita pääsee syntymään.

Ydinpommissa kerkeää kriittisyyttä käytetään hyväksi, ja fissiotehon kasvu halutaan päinvastoin kiihdyttää maksimaaliseen nopeuteen. Suunnittelun tavoitteena on, että reaktioissa ehtii vapautua mahdollisimman paljon energiaa ennen kuin räjähdys rikkoo ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavan geometrian. Tehon kasvunopeus riippuu käytännöstä kahdesta tekijästä: edellä mainitusta reaktiivisuudesta, joka siis vaikuttaa fissioketjujen haarautumisnopeuteen, sekä neutronin elinkaaren pituudesta, joka määrittää peräkkäisten fissioiden välisen ajan. Molempiin tekijöihin voidaan vaikuttaa materiaalivalinnoilla.

Fissiilin materiaalin yhteydessä puhutaan usein kriittisestä massasta, jolla tarkoitetaan pienintä määrää uraania tai plutoniumia joka kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Käsite ei ole absoluuttinen, sillä reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa merkittävästi neutronivuotoa pienentävillä heijastimilla, sekä puristamalla fissiopolttoaine korkeampaan tiheyteen. Kriittinen massa riippuu siis käytännössä myös geometriasta ja olosuhteista. Täysmittaisen ydinräjähdyksen aikaansaamiseksi pommissa on oltava polttoainetta vähintään 2-3 kriittisen massan edestä. Yhteen kasattuna systeemin reaktiivisuus ylittää tällöin moninkertaisesti kerkeän kriittisyyden rajan.i

Ketjureaktiota eteenpäin kuljettavien neutronien elinkaaren pituus riippuu ennen kaikkea siitä, kuinka monta kertaa hiukkanen ehtii törmätä väliaineen atomiytimiin ennen seuraavaa fissiota. Tämä aikavakio saadaan lyhyeksi käyttämällä polttoaineena lähes puhtaasti fissiilistä isotoopista koostuvaa uraania tai plutoniumia. Tällaisessa polttoaineessa ketjureaktion ylläpitäminen ei vaadi neutronien hidastamista termiselle energia-alueelle. Ydinpommissa neutronit ehtivät elinkaarensa varrella törmätä vain muutaman kerran, jolloin peräkkäisten fissoiden välinen aika mitataan nanosekunneissa.

Ydinräjähdys on ilmiönä äärimmäisen nopea. Räjähdyksen kokonaiskesto on puolen mikrosekunnin, eli sekunnin miljoonasosan luokkaa, mutta lähes kaikki räjähdyksessä vapautuva energia on peräisin viimeisen 50-100 nanosekunnin jaksolta. Fissiopolttoaineen saattaminen täysmittaisen ydinräjähdyksen edellyttämään tilaan on tähän verrattuna suhteellisen hidas prosessi, ja liian aikaisin käynnistynyt ketjureaktio voi rikkoa geometrian heti kun reaktiivisuus nousee kerkeästi kriittiselle alueelle. Kriittinen massa ei siis vielä tarkoita ydinräjähdystä, vaan räjähdyksen aikaansaaminen edellyttää toisaalta sitä, että polttoaineeseen ei osu neutroneita ennen kuin reaktiivisuus on saavuttanut maksimiarvonsa, ja toisaalta sitä, että ketjureaktio saadaan käynnistettyä juuri oikealla hetkellä. Sytytyksen aikaikkuna voi olla vain joitakin mikrosekunteja.ii

Ydinasemateriaalit

Ydinräjähdyksen aikaansaaminen edellyttää siis aivan erityisiä olosuhteita, mikä asettaa korkeita vaatimuksia myös fissiopolttoaineen koostumukselle. Ydinaselaatuinen uraani tai plutonium koostuu yli 90%:sti fissiilistä isotoopista (U235 tai Pu239).iii Luonnonuraanin U235-pitoisuus on n. 0.7%, ja kevytvesireaktoripolttoaineessakin fissiilin isotoopin osuus jää alle 5%:iin. Uraanikaivostoiminta tai tavanomainen ydinenergiantuotanto ei tästä syystä vielä yksin muodosta suurta proliferaatioriskiä. Ydinmateriaalivalvonnan kannalta kriittisempää teknologiaa onkin polttoaineen väkevöinti, jossa fissiilin U235:n pitoisuutta nostetaan hyödyntäen isotooppien pientä massaeroa. Samoissa väkevöintilaitoksissa missä valmistetaan reaktoripolttoainetta voitaisiin ainakin periaatteessa valmistaa myös ydinaselaatuista korkeasti väkevöityä uraania.iv Esimerkiksi Iran on otettu kansainvälisen yhteisön hampaisiin pääasiassa juuri väkevöintiteknologian kehittämisen vuoksi.

Ydinaselaatuisen uraanin korkea väkevöintiaste liittyy kriittiseen massaan, sillä sen isotoopeista ainoastaan U235 osallistuu merkittävästi ketjureaktion kulkuun. Plutoniumilla tilanne on kuitenkin hieman erilainen, sillä kaikilla sen isotoopeilla on suhteellisen korkea todennäköisyys fissioitua nopeilla neutroneilla. Kriittisen massan sijaan ongelmaksi muodostuu isotoopin Pu240 spontaani fissio. Kyse on radioaktiivisen hajoamisen lajista, jossa ydin halkeaa itsestään kahteen osaan. Reaktiossa vapautuu myös neutroneita, jotka pommin tapauksessa voivat käynnistää ketjureaktion ennenaikaisesti. Ydinräjähdyksessä vapautuva energia jää tällöin vaatimattomaksi. Ennenaikaisen sytytyksen estämiseksi neutronitausta on saatava riittävän alas, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että isotoopin Pu240 osuuden on jäätävä korkeintaan noin kymmeneen prosenttiin.v

Uraanipommin valmistamiseen ei vaadita reaktoriteknologiaa. Plutoniumilla ei sen sijaan ole lainkaan luonnossa esiintyviä isotooppeja, vaan pommin raaka-aine on valmistettava säteilyttämällä uraania neutroneilla. Isotooppi U238 muuttuu neutronikaappauksen ja kahden peräkkäisen betahajoamisen kautta plutoniumin isotoopiksi Pu239:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Uraanin konversiota plutoniumiksi tapahtuu kaikissa ydinreaktoreissa. Tavallisen kevytvesireaktoripolttoainenipun tullessa käyttöikänsä päähän jopa puolet sen tuottamasta energiasta voi olla peräisin Pu239-isotoopin fissiosta. Reaktorissa tapahtuvat neutronikaappausreaktiot eivät kuitenkaan rajoitu edelliseen U238-Pu239 -konversioon, vaan polttoaineeseen syntyy jatkuvasti myös raskaampia plutoniumin isotooppeja:

Pu239 + n ⟶ Pu240

Pu240 + n ⟶ Pu241

jne…

Kuten edellä todettiin, isotooppi Pu240 on ydinaselaatuisessa plutoniumissa ei-toivottu aineosa. Raskaampien isotooppien osuus kasvaa käyttöjakson edetessä, ja Pu239:n osuus laskee alle 90%:iin jo muutamassa kuukaudessa reaktorin käynnistämisestä. Loppuun käytetyn polttoaineen isotooppikoostumus soveltuu erityisen huonosti ydinasemateriaaliksi, sillä Pu239-isotooppia on enää vain noin puolet kaikesta plutoniumista.vi

Ydinaselaatuisen plutoniumin tuottaminen reaktorissa edellyttää toisin sanoen suhteellisen lyhyttä säteilytysaikaa. Tällainen reaktori ei poikkea tavanomaisista ydinvoimalaitoksista niinkään toimintaperiaatteensa, vaan pikemminkin rakenteensa ja käyttötapansa osalta. Kevytvesireaktoreissa polttoaine on suljettu paineastian sisälle koko vuoden mittaisen käyttöjakson ajaksi. Latauksen muuttaminen edellyttää reaktorin alasajoa, mikä on suhteellisen monimutkainen ja aikaa vievä operaatio. Plutoniumintuotantoreaktorit on sen sijaan suunniteltu toimimaan jatkuvalla latauksella siten, että polttoaineen vaihtaminen on mahdollista reaktorin käydessä. Käytännössä tämä edellyttää esimerkiksi jäähdytyskierron jakamista erillisiin kanaviin, jotka voidaan sulkea ja purkaa yksitellen.

Ydinasemateriaalin valmistaminen edellyttää myös plutoniumin erottamista käytetystä polttoaineesta, mikä ei suoran loppusijoituksen valinneissa maissa kuulu lainkaan polttoainekiertoon. Esimerkiksi Suomessa reaktorista poistetut polttoaineniput tullaan loppusijoittamaan sellaisenaan syvälle kallioperään Olkiluodon ydinvoimalaitosalueelle. Suoran loppusijoituksen vaihtoehto on polttoaineen jälleenkäsittely, jossa käyttökelpoinen uraani ja plutonium erotetaan jätteeksi päätyvästä massavirrasta, ja käytetään uuden reaktoripolttoaineen raaka-aineeksi.vii Jälleenkäsittelyä pidetään väkevöinnin tapaan ydinmateriaalivalvonnan heikkona kohtana, ja proliferaatioriskin kannalta erityisen kriittisenä teknologiana. Esimerkiksi nopeiden hyötöreaktoreiden tutkimusohjelman lopettamista perusteltiin Yhdysvalloissa 1980-luvulla pitkälti juuri kohonneella proliferaatioriskillä.

Historiaa

Ensimmäiset plutoniumintuotantoreaktorit kehitettiin toisen maailmansodan aikana Yhdysvalloissa Manhattan-projektin nimellä kulkevan länsiliittouman ydinaseohjelman tarpeisiin. Koska teknologia isotooppien erottamiseksi oli vasta kehitteillä, reaktorit oli saatava toimimaan väkevöimättömällä uraanilla. Ketjureaktio on juuri ja juuri mahdollista saada käyntiin luonnonuraanipolttoaineessa, mikäli neutronit hidastetaan termiselle energia-alueelle, ja häviöt saadaan pidettyä minimissä. Tällaisen reaktorin moderaattorina ei kuitenkaan voida käyttää vettä, sillä vety absorboi liikaa termisiä neutroneita. Käyttökelpoisiksi moderaattorivaihtoehdoiksi jää tällöin joko vedyn deuterium- eli H2-isotooppia sisältävä raskas vesi, tai erittäin puhtaasta hiilestä koostuva grafiitti. Nämä tekniset reunaehdot määrittivät käytännössä myös sen, minkälaisiksi ensimmäiset reaktorit aikanaan suunniteltiin.

Ennen varsinaisten plutoniumintuotantoreaktoreiden rakentamista teknologia demonstroitiin grafiittimoderoidussa X-10 prototyyppireaktorissa, joka valmistui Tennesseen osavaltiossa sijaitsevaan Oak Ridgen laboratorioon vuonna 1943.viii Reaktori oli käytännössä suuri grafiittikuutio, jonka sivun pituus oli yli 7 metriä. Polttoainekanavat kulkivat vaakatasossa moderaattorin läpi. Metallisesta luonnonuraanista valmistettu polttoaine koteloitiin ilmatiiviiden alumiinikapselien sisälle. Samalla kun reaktoriin ladattiin uutta polttoainetta, vanhat kapselit työntyvät sydämen toiselta puolelta ulos, ja putosivat vesialtaaseen jäähtymään. Reaktori toimi ilmajäähdytyksellä, ja reaktiivisuuden säätöön käytettiin vaakatasossa liikuteltavia säätösauvoja.

Teollisen mittakaavan plutoniumintuotanto käynnistyi vuotta myöhemmin Hanfordissa, Washingtonin osavaltiossa. Ensimmäinen Hanford-B -reaktori oli teholtaan 250 MW, eli selvästi Oak Ridgen prototyyppiä suurempi. Korkeamman tehotiheyden vuoksi reaktori toimi vesijäähdytyksellä. Polttoainekanavien läpi virtaava jäähdyte otettiin suoraan läheisestä Columbia-joesta. Hanfordin reaktorit tuottivat plutoniumin kahteen ydinpommiin, joista ensimmäinen räjäytettiin Trinity-ydinkokeessa heinäkuussa 1945, ja jälkimmäinen pudotettiin Nagasakin kaupunkiin kuukautta myöhemmin. Hiroshimaan aikaisemmin pudotettu ydinpommi oli valmistettu väkevöidystä uraanista.

Yhteys siviilipuolen teknologiaan

Sodan jälkeen reaktoriteknologialle alettiin etsimään uusia sovelluskohteita, joista energiantuotanto oli yksi ilmeisimmistä. Iso-Britanniassa alettiin kehittää kaasujäähdytteisten grafiittimoderoitujen reaktoreiden teknologiaa. Tätä X-10 -prototyyppireaktorista alkanutta kehityslinjaa edustavat ensimmäisen sukupolven MAGNOX, sekä vielä nykyisin käytössä oleva edistyneempi AGR. Reaktoreiden jäähdytteenä käytetään hiilidioksidikaasua. Hanfordin B-reaktorin piirustukset päätyivät neuvostovakoojien mukana rautaesiripun toiselle puolelle. Reaktorin pohjalta kehitettiin lopulta grafiittimoderoitu kevytvesijäähdytteinen kanavatyyppinen RBMK, joka on tullut parhaiten tunnetuksi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta.

Kanadalaiset ovat olleet ydintekniikan kehityksessä oman tiensä kulkijoita. Manhattan-projektin kokeellista reaktoritutkimusta tehtiin USA:n tutkimuslaboratorioiden lisäksi myös Ontarion Chalk Riverissä, mihin rakennettu ZEEP-reaktori käynnistyi vain muutama päivä toisen maailmansodan päättymisen jälkeen. CP-1:stä, X-10:stä ja Hanford-B:stä poiketen reaktorin neutronimoderaattorina käytettiin raskasta vettä. Kanadalaiset alkoivat kehittää raskasvesireaktoriteknologiaa eteenpäin, mistä syntyi oma CANDU-reaktorityyppinsä.

Siviilipuolen reaktoriteknologialla on siis vähintään historiallinen yhteys ydinaseisiin, ainakin tiettyjen varhaisten reaktorityyppien osalta. Jatkuva polttoainelataus, joka mahdollisti lyhyen säteilytysajan, palveli hyvin myös ensimmäisen sukupolven energiantuotantokäyttöön rakennettuja reaktoreja. Matalan U235-pitoisuuden vuoksi luonnonuraanipolttoaine kului nopeasti loppuun, ja pitkäaikaista yhtämittaista käyttöä helpotti se, että polttoainetäydennykset voitiin tehdä reaktorin käydessä.

Kevytvesityyppisten paine- ja kiehutusvesireaktoreiden tarina on kuitenkin hieman erilainen. Vielä 1950-luvulle tultaessa isotooppien erotus oli niin kallista, että vähintään muutamaan prosenttiin väkevöityä polttoainetta tarvitseva kevytvesimoderoitu reaktori oli käytännössä poissuljettu vaihtoehto. Grafiitti- ja raskasvesireaktoreihin verrattuna kevytvesiteknologialla oli kuitenkin puolellaan se etu, että reaktorin sydän oli mahdollista rakentaa niin pieneksi, että se mahtui esimerkiksi sukellusveneen rungon sisälle.ix Sukellusveneen voimanlähteenä ydinreaktori oli niin ylivoimainen ratkaisu, että polttoainekustannuksistakin tuli sivuseikka. Väkevöintiteknologian kehitys pudotti tulevina vuosikymmeninä polttoaineen hintaa, mikä teki tehokkaista toisen sukupolven kevytvesireaktoreista lopulta kilpailukykyisen vaihtoehdon myös energiantuotantokäytössä. Nykyisin paine- ja kiehutusvesireaktoreiden osuus on yli 90% maailman reaktorikannasta.

Siviilipuolen ydinvoimalaitosten soveltumattomuus ydinasemateriaalin tuottamiseen on siis pitkälti seurausta siitä, että reaktorit on lähtökohtaisesti suunniteltu toisenlaista käyttötarkoitusta varten. Pitkän käyttöjaksonsa vuoksi tavanomainen paine- tai kiehutusvesireaktori on plutoniumintuotantoon tavallaan huonoin mahdollinen ratkaisu. Mitään absoluuttista fysiikan lakeihin perustuvaa estettä ei tällaiselle käytölle kuitenkaan ole, minkä vuoksi myös energiantuotanto kuuluu ydinmateriaalivalvonnan piiriin. Valvontaa helpottaa olennaisesti se, ettei reaktorin normaaliin polttoainekiertoon kuulu varsinaisia ydinasemateriaaleja. Tavanomaisesta poikkeava käyttö voidaan puolestaan havaita tarkkailemalla laitoksen tuotantoa ja materiaalivirtoja.

Ydinasevalvonnan peruskirjana voidaan pitää vuonna 1970 voimaan astunutta ydinsulkusopimusta, jonka tarkoitus on toisaalta estää ydinaseteknologian leviäminen ja edistää aseistariisuntaa, ja toisaalta tarjota ydinaseettomille maille mahdollisuus hyötyä teknologian rauhanomaisesta käytöstä. Ydinsulkusopimus ja siihen vuonna 2004 liitetty lisäpöytäkirja antavat kansainväliselle atomienergiajärjestölle IAEA:lle laajat valtuudet valvoa ydinenergian käyttöä ydinaseettomissa maissa. Ydinmateriaalin valvontaan liittyviä tarkastuksia tehdään säännöllisesti myös kaikilla Suomen ydinlaitoksilla.


i) Yksinkertaisin tapa saada pommi kerkeästi kriittiseen tilaan on törmäyttää kaksi alikriittistä massaa yhteen. Tätä toimintaperiaatetta sovellettiin Hiroshimaan pudotetussa ydinpommissa. Lähes kaikki muut ydinpommit perustuvat kuitenkin tehokkaampaan imploosioperiaatteeseen, jolla tarkoitetaan käytännössä sisäänpäin suuntautuvaa räjähdystä. Eri nopeuksilla palavilla räjähdysaineilla saadaan aikaiseksi symmetrinen painerintama, joka puristaa keskellä olevan fissiopolttoaineen ylikriittistä massaa vastaavaan tiheyteen.

ii) Ensimmäisissä ydinpommeissa ydinräjähdyksen käynnistävät neutronit saatiin fissiopolttoaineen keskelle törmäyttämällä radioaktiivisen poloniumin tuottamia alfahiukkasia berylliumiin. Ennen sytytystä poloniumlähde oli eristetty berylliumista suojaavalla kalvolla. Imploosion aiheuttama puristus sekoitti kerrokset keskenään, jolloin korkeaenergiset alfahiukkaset päästivät vuorovaikuttamaan berylliumytimien kanssa, irrottaen niistä löyhästi kiinni olevia neutroneja.

iii) Kolmas potentiaalinen ydinasemateriaali on uraanin fissiili isotooppi U233, joka liittyy toriumreaktoreiden polttoainekiertoon. Isotoopeista U235 ja U238 poiketen U233:a ei ole lainkaan luonnonuraanissa, vaan toriumreaktoreissa fissiiliä isotooppia syntyy Th232-isotoopin neutronikaappausreaktioissa. Prosessi on analoginen uraanipolttoaineessa tapahtuvalle U238-Pu239 -konversiolle.

iv) Yleisessä kielenkäytössä termit ”väkevöinti” ja ”rikastus” sekoittuvat helposti keskenään, mikä aiheuttaa toisinaan epäselvyyttä esimerkiksi ydinpolttoainekiertoon liittyvässä uutisoinnissa. Ammattikielessä isotooppien erotusta tarkoittava termi on väkevöinti, ja rikastus on vastaavasti kaivosteollisuuden käyttöön varattu termi, jolla viitataan malmin jalostusprosessiin jossa arvokas lopputuote erotetaan sivukivestä. Esimerkiksi Terrafamen Talvivaaran kaivoksen yhteyteen kaavailtu uraanin rikastuslaitos liittyy uraani talteenottoon, ei isotooppien erotukseen.

v) Pu240:n spontaani fissio ei ole ainoa neutronitaustaa aiheuttava tekijä. Neutroneita syntyy myös radioaktiivisen hajoamisen tuottamien alfahiukkasten vuorovaikuttaessa kevyiden alkuaineiden ytimien kanssa, minkä vuoksi myös materiaalien epäpuhtauksien pitoisuudet on saatava alas. Myös kosminen säteily tuottaa pienen tasaisen neutronitaustan. Ennenaikaisen sytytyksen lisäksi radioaktiiviset aineet voivat muutenkin haitata pommin toimintaa. Radioaktiivinen hajoaminen tuottaa lämpöä, mikä voi muuttaa imploosiossa käytettävien räjähdysaineiden toimintaa. Voimakas säteily puolestaan vaurioittaa helposti herkkiä elektroniikkakomponentteja.

vi) Kysymys siitä, voidaanko käytetystä reaktoripolttoaineesta valmistaa lainkaan ydinasetta, ei lopulta ole aivan yksinkertainen, sillä teknologiasta ei ole olemassa yksityiskohtaista julkista tietoa. Aihetta on tarkasteltu esimerkiksi artikkelissa: G. Kessler et al. ”Potential nuclear explosive yield of reactor-grade plutonium using the dissassembly theory of early reactor safety analysis.” Nucl. Eng. Design, 238 (2008) 3475-3499. Yksinkertainen laskentamalli antaa tällaisen pommin räjähdysvoimalle ylärajaksi 0.12-0.35 kilotonnia, mikä on luokkaa sadasosa esimerkiksi Hiroshimaan ja Nagasakiin pudotettujen ydinpommien voimakkuudesta. Paperissa kuitenkin todetaan, että tarkempien mallien perusteella toimivan räjähteen valmistaminen ei todennäköisesti ole mahdollista polttoaineesta, jonka palama on yli 30 MWd/kgU, ellei käytössä ole erityisen edistyksellistä teknologiaa (kevytvesireaktoreissa tyypillinen poistopalama on nykyisin 40-50 MWd/kgU). Ydinasevaltioissa ei tällaiselle plutoniumille todennäköisesti löydy käyttöä, mutta terroristisena aseena pommilla olisi periaatteessa mahdollista saada aikaan paljon paikallista tuhoa.

vii) Käytetyn polttoaineen jälleenkäsittely sekoittuu toisinaan käsitteenä uraanin väkevöintiin. Edellisessä on kyse kemiallisesta prosessista, jossa uraani ja plutonium erotetaan alkuainemuodossa fissiotuotteista. Jälleenkäsittelyyn ei kuitenkaan kuulu alkuaineen isotooppien erottamista toisistaan.

viii) Itseään ylläpitävä ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran Chicagon yliopiston tiloihin rakennetussa Chicago Pile-1 -reaktorissa joulukuussa 1942. CP-1:stä seurasi pian kooltaan suurempi CP-2. Oak Ridgen X-10 oli järjestyksessä kolmas ydinreaktori, ja ensimmäinen joka oli suunniteltu jatkuvatoimiseen käyttöön. Reaktori tuotti fissiotehoa parhaimmillaan n. 4 MW.

ix) Erot moderaattorimateriaalien ominaisuuksissa palautuvat kevyiden atomiytimien kykyyn hidastaa neutroneita. Vedessä neutronin hidastuminen fission kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle vaatii keskimäärin noin 25 elastista törmäystä kevyisiin vety-ytimiin. Raskaassa vedessä törmäysten lukumäärä on vain hieman suurempi, mutta deuteriumin pienemmästä vuorovaikutustodennäköisyydestä johtuen neutronit kulkevat hidastuessaan pidemmän matkan. Tämän vuoksi hidastuminen vaatii paljon suuremman moderaattoritilavuuden. Grafiittireaktoreissa moderaattorin määrää kasvattaa puolestaan hiiliytimen suhteellisen suuri massa. Neutronien termalisoituminen grafiitissa vaatii yli sata törmäystä.

Onko ydinjätteen loppusijoitus ratkaistu?

Jaakko Leppänen – 9.2.2019

Tämän blogin aikaisemmissa kirjoituksissa on käsitelty ydinreaktoreiden turvallisuutta ja vakavia reaktorionnettomuuksia. Ydinenergia-alalla turvallisuus ei kuitenkaan rajoitu ainoastaan reaktoreiden käyttöön, sillä jokainen ydinvoimalaitos tuottaa toimiessaan ympäristölle vaarallista radioaktiivista jätettä. Uraanin korkean energiatiheyden vuoksi jätteen määrä ei ole erityisen suuri. Esimerkiksi kaikki TVO:n ydinvoimalaitosten yli 40 vuoden aikana tuottama korkea-aktiivinen käytetty polttoaine on varastoitu reaktorirakennusten sisälle sijoitettuihin vesialtaisiin sekä yhteiseen keskusvarastoon Olkiluodon saarella. Jätteen määrän sijaan pitkäaikaisturvallisuuden suurin haaste onkin se, että polttoaineeseen syntyy reaktorin käytön aikana niin pitkäikäisiä radionuklideja, että ydinjäte on eristettävä ympäristöstä tuhansiksi vuosiksi.

Ydinjätteen loppusijoitusratkaisusta (ja toisinaan myös siitä, onko ratkaisua edes olemassa) kiistellään paljon sosiaalisessa mediassa ja internetin keskustelupalstoilla. Julkiseen keskusteluun ydinjätekysymys nousee erityisesti ydinvoiman lisärakentamisen yhteydessä. Yritän tässä blogikirjoituksessa avata hieman aiheen taustoja, kuten loppusijoituksen teknistä toteutusta ja hankkeen aikataulua. Yksi esille nouseva kysymys on se, käydäänkö keskustelua turvallisuudesta oikein perustein?

Olkiluodon ydinvoimalaitos

Kuva 1: Olkiluodon ydinvoimalaitosyksiköt 3, 1 ja 2 kuvattuna kesällä 2015. Kaikki reaktoreiden yli 40 vuoden aikana tuottama radioaktiivinen jäte on varastoitu voimalaitosalueelle. Lähde: TVO.

Loppusijoitushankkeen historiaa

Ydinjätteen loppusijoituksella on Suomessa jo varsin pitkä historia. Jätehuollon vaihtoehtojen selvittäminen alkoi Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitosten rakentamisvaiheessa 1970-luvulla. Ensisijaisena vaihtoehtona pidettiin aluksi käytetyn polttoaineen toimittamista ulkomaille. Ydinenergiatuotanto oli maailmalla voimakkaassa kasvussa, ja ajan henkeen kuului, että reaktoreiden tuottaman plutoniumin kierrättämistä pidettiin jopa välttämättömänä edellytyksenä teknologian laajamittaiselle käytölle.i Suomen kaltaisilla pienillä ydinenergiamailla ei ollut valmiuksia kehittää omaa jälleenkäsittelyteknologiaa, joten ydinjätehuolto oli luonteva ulkoistaa suuremmille toimijoille. Loviisan ydinvoimalaitoksen tilaukseen kuuluikin sopimus käytetyn polttoaineen palauttamisesta Neuvostoliittoon.

Jälleenkäsittelyn rinnalle nousi kuitenkin pian myös kotimainen vaihtoehto, eli käytetyn polttoaineen suora loppusijoitus suomalaiseen kallioperään. Ensimmäiset loppusijoitusta koskevat geologiset selvitykset aloitettiin jo 1970-luvun lopulla. Virallinen poliittinen päätös vaihtoehtoisesta kotimaisesta ydinjätehuoltostrategiasta tehtiin vuonna 1983. Vaikka käytetyn polttoaineen toimittamista ulkomaille pidettiin edelleen ensisijaisena vaihtoehtona, päätös edellytti myös varautumista siihen, että Loviisan ja Olkiluodon laitosten tuottama ydinjäte jouduttaisiin loppusijoittamaan Suomeen. Hankkeelle määritettiin myös aikataulu, jonka mukaan loppusijoituspaikka olisi valittava vuoteen 2000 mennessä, ja loppusijoitustoiminta voisi tarvittaessa alkaa vuonna 2020.

Valtioneuvoston päätöksellä kiinnitetty aikataulu vauhditti geologiseen loppusijoitukseen keskittyvää ydinjätetutkimusta. Hankkeen rahoituksen turvaamiseksi perustettiin vuonna 1988 valtion ydinjätehuoltorahasto (VYR), jonka varoja alettiin kerryttämään vuosimaksuina ydinenergia-alan toimijoilta.ii Myös maailma muuttui. Huoli maailman uraanivarojen riittävyydestä väistyi, ydinvoima alkoi kohdata enemmän poliittista vastustusta, ja plutoniumin kierrättämiseen perustuva ydinenergiatalous alkoi näyttää yhä pätodennäköisemmältä lähitulevaisuuden kehityssuunnalta. Kotimainen loppusijoitusvaihtoehto nousi ensisijaiseksi ydinjätehuoltostrategiaksi, ja vuonna 1994 voimaan astunut uusi ydinenergialaki kielsi lopulta kokonaan käytetyn polttoaineen toimittamisen ulkomaille. Päätös siitä, että kaikki Suomessa syntynyt ydinjäte oli vastaisuudessa myös loppusijoitettava Suomeen, lopetti myös Loviisan käytetyn polttoaineen palautukset. Viimeinen polttoaine-erä toimitettiin Venäjälle vuonna 1996.

Suomessa ei ole lainkaan valtiollista ydinenergiaohjelmaa. Valtionhallinnon sijaan aloite uusien laitosten rakentamisesta tulee yksityiseltä sektorilta, eikä hankkeita myöskään rahoiteta julkisista varoista. Sama koskee myös loppusijoitustoimintaa. Suuret ydinenergiahankkeet kulkevat kuitenkin valmisteluvaiheessa poliittisen päätöksentekoprosessin läpi. Valtioneuvosto tekee ensin päätöksen siitä, onko ehdotettu hanke yhteiskunnan kokonaisedun mukainen. Myönteisessä tapauksessa periaatepäätös alistetaan vielä eduskunnan hyväksynnälle. Vaikka kansanedustajien on periaatteessa määrä punnita hanketta yhteiskunnan kokonaisedun näkökulmasta, kyse on käytännössä poliittisesta päätöksestä.

Suunnitelmien edetessä ydinjätteen loppusijoituspaikaksi valittiin Olkiluodon ydinvoimalaitosalue, ja luvitusprosessi käynnistettiin toukokuussa 1999. Hakijana oli Fortumin ja Teollisuuden Voiman neljä vuotta aikaisemmin perustama Posiva-yhtiö, jonka tehtävä on huolehtia Loviisan ja Olkiluodon laitosten ydinjätehuollosta. Valtioneuvosto antoi hankkeelle myönteisen periaatepäätöksen joulukuussa 2000, ja eduskunta hyväksyi päätöksen seuraavan vuoden toukokuussa ennätyksellisellä äänienemmistöllä 159-3. TVO:n kolmannen voimalaitosyksikön luvitusprosessin yhteydessä loppusijoituspäätös laajennettiin koskemaan myös uuden reaktorin käytettyä polttoainetta.iii

Radioaktiivinen jäte

Mitä ydinjätteellä sitten varsinaisesti tarkoitetaan? Ydinreaktorin polttoaine on kiinteässä olomuodossa olevaa keraamista uraanioksidia, joka on suljettu metallisten suojakuoriputkien sisään. Reaktorin käydessä polttoaineeseen syntyy radioaktiivisia fissiotuotteita sekä uraania raskaampia alkuaineita, kuten neptuniumia, plutoniumia ja amerikiumia. Käytetyn polttoaineen aktiivisuustaso nousee hyvin korkeaksi. Jäähdytysajasta riippuen gramma käytettyä uraanipolttoainetta sisältää aktiivisuutta sadoista gigabecquereleistä muutamaan terabecquereliin (kts. radioaktiivisuuden yksiköt ja suuruusluokat aikaisemmasta blogikirjoituksesta). Korkea-aktiivisella ydinjätteellä viitataankin juuri käytettyyn reaktoripolttoaineeseen.

Reaktorin käytön aikana polttoainesauvojen sisällä olevia radioaktiivisia aineita päätyy pieniä määriä jäähdytteeseen suojakuoriputkien vuotokohtien kautta. Myös jäähdytteen mukana kulkevat korroosiotuotteet sekä muut epäpuhtaudet aktivoituvat reaktorin sydämessä neutronisäteilytyksen vaikutuksesta. Suljetussa jäähdytyskierrossa kulkevaa vettä puhdistetaan jatkuvasti reaktorin käydessä. Veden mukana kulkeutuvat radioaktiiviset aineet kerääntyvät suodattimiin, joista tulee käytön jälkeen keskiaktiivista jätettä. Laitoksen vuosihuollon aikana primääripiirin radioaktiivisia aineita päätyy myös kontaminaationa työkaluihin, puhdistusvälineisiin, suojavaatteisiin, jne. Kaikki valvonta-alueella syntyvä roska kerätään talteen matala-aktiivisena jätteenä.

Säteilyturvakeskuksen luokituksen mukaan matala-aktiivisen jätteen ominaisaktiivisuus on alle 1 kBq/g, ja keskiaktiivisen jätteen aktiivisuus korkeintaan 10 MBq/g . Lukemat jäävät kauas reaktorissa säteilytetystä polttoaineesta. Matala- ja keskiaktiivinen jäte loppusijoitetaan laitospaikoille noin sadan metrin syvyyteen louhittuihin voimalaitosjätteen luoliin. Samoihin VLJ-luoliin tullaan aikanaan loppusijoittamaan myös reaktoreiden paineastiat ja muut aktivoituneet primääripiirin komponentit laitosten käytöstä poiston ja purkamisen jälkeen.

Käytetyn polttoaineen loppusijoitus edellyttää järeämpiä keinoja. Reaktorista poistamisen jälkeen lyhytikäisten radionuklidien hajoaminen tuottaa paljon jälkilämpöä, minkä vuoksi käytetyn polttoaineen annetaan ensin jäähtyä vesialtaissa 30-50 vuoden ajan. Kun polttoaine siirretään välivarastosta loppusijoituslaitokselle, jätteen kokonaisaktiivisuutta hallitsevat sellaiset fissiotuotteet, joiden puoliintumisajat mitataan kymmenissä tai sadoissa vuosissa. Tähän ryhmään kuuluu esimerkiksi 30 vuoden puoliintumisajalla hajoava Cs137, joka on myös vakavissa ydinvoimalaonnettomuuksissa merkittävin ympäristön pitkäaikaista saastumista aiheuttava isotooppi. Loppusijoituksen alkaessa noin neljännes aktiivisuudesta on peräisin cesiumista.

Fissiotuotteiden hajoamisen jälkeen merkittävimpään rooliin nousevat sivuaktinidit, erityisesti amerikiumin isotooppi Am241 (puoliintumisaika 432 vuotta). Tuhannesta vuodesta eteenpäin aktiivisuutta hallitsevat plutoniumin pitkäikäiset isotoopit Pu240 ja Pu239 (puoliintumisajat 6500 ja 24,000 vuotta), joita syntyy paljon uraanin neutronikaappausreaktioissa. Kaikkien aktinidien hajoamisketjut yhtyvät lopulta johonkin luonnon neljästä hajoamissarjasta, joihin kuuluvien radioaktiivisten alkuaineiden, kuten radiumin, radonin ja poloniumin isotooppien vaikutus alkaa näkyä satojen tuhansien ja miljoonien vuosien aikaskaalassa. Käytetyn kevytvesireaktoripolttoaineen radioaktiivisuus on jaettu komponentteihin kuvassa 2.

Aktiivisuus

Kuva 2: Tyypillisen kevytvesireaktoripolttoaineen aktiivisuus reaktorista poistamisen jälkeen. Kuvan asteikko on logaritminen. Kokonaisaktiivisuus on jaettu plutoniumin isotooppeihin, sivuaktinideihin (neptunium, amerikium, curium), sekä fissio- ja hajoamistuotteisiin. Hajoamistuotteilla viitataan luonnon hajoamissarjoihin kuuluviin radionuklideihin (esim. radium, radon ja polonium), joita syntyy aktinidien hajotessa. Kuvaan on piirretty katkoviivalla vertailutaso, joka vastaa polttoaineen valmistukseen käytetyn uraanimalmin aktiivisuutta.

Loppusijoituksen tekninen toteutus

Radioaktiivisuutensa puolesta käytetty polttoaine on vaarallista elävälle luonnolle vielä tuhansia vuosia reaktorista poistamisen jälkeen. Geologinen loppusijoitus perustuukin radioaktiivisten aineiden pitkäaikaiseen eristämiseen ympäristöstä. Posivan käyttämässä loppusijoituskonseptissa polttoaineniput suljetaan raudalla vahvistettujen kuparikapselien sisään. Kapselit asetetaan graniittiin porattuihin pystysuoriin reikiin luolastossa, joka on louhittu peruskallioon 400-450 metrin syvyyteen. Ympäröivä tila täytetään bentoniittisavella, joka paisuu imiessään itseensä vettä. Paisunut savi muodostaa tiiviin tulpan loppusijoituskapselin ympärille. Kun luolasto on täynnä, myös ajotunnelit suljetaan bentoniitilla ja muilla täyteaineilla.

Loppusijoituskapselit

Kuva 3: Käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskapselin malli. Ulompi kuparikapseli muodostaa tiiviin korroosionkestävän suojan, ja sisempi valurautaydin vahvistaa kapselin kestämään mekaanista rasitusta. Lähde: Posiva Oy.

Moniesteperiaate

Kuva 4: Loppusijoituskapselit asetetaan peruskallioon porattuihin pystysuoriin reikiin. Ympäröivä tila tiivistetään bentoniittisavella. Lähde: Posiva Oy.

Loppusijoitusluolasto

Kuva 5: Havainnekuva maanalaisesta loppusijoitusluolastosta Olkiluodon ydinvoimalaitosalueella. Loppusijoitustunnelit on louhittu 400-450 metrin syvyyteen. Lähde: Posiva Oy.

Geologisen loppusijoituksen turvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen, jolla tarkoitetaan sitä, että radionuklidien vapautumista ja leviämistä hidastetaan useammalla sisäkkäisellä esteellä. Yli 99% polttoaineen aktiivisuusinventaarista on uraanioksidista valmistettujen keraamisten polttoainetablettien sisällä. Radionuklidien vapautuminen edellyttää että luolastossa virtaava vesi pääsee ensin kosketuksiin polttoaineen kanssa, mikä on mahdollista vasta kun polttoainenippuja suojaava kuparikapseli puhkeaa. Kapselin korroosiota ja radioaktiivisten aineiden vapautumista hidastaa merkittävästi se, että täyteaineena käytettävä bentoniitti pysäyttää tehokkaasti veden virtauksen kapselin ympärillä. Turvallisuussuunnittelun lähtökohta on, että kapseloitu polttoaine pysyy eristettynä ympäristöstä vähintään 10,000 vuoden ajan, ja todennäköisesti huomattavasti pidempään.iv

Kun kuparikapselin tiiveys aikanaan pettää, radionuklidien vapautuminen peruskallioon on hidas, jopa vuosituhansia kestävä prosessi. Moniesteperiaatteen mukaan viimeisenä vapautumisesteenä toimii aktiivisuuden laimeneminen, kun polttoaineesta liuenneet radionuklidit kulkeutuvat hitaasti loppusijoitustilasta bentoniitin ja peruskallion halkeamien läpi vesistöihin, ja sitä kautta ravintoketjuun ja elävään luontoon.

Aktiivisuus on loppusijoitusanalyysien lähdetermi

Loppusijoituksen turvallisuussuunnittelussa tarkasteltavat aikajänteet ovat pitkiä, ulottuen aina seuraavan jääkauden jälkeiseen aikaan. Pitkien aikajänteiden ja niihin liittyvien epävarmuuksien vuoksi aihe herättääkin paljon huolta ja keskustelua. Suomi on myös loppusijoitusratkaisunsa toteutuksessa muita edellä, mikä tarkoittaa samalla sitä, ettei vastaavasta teknologiasta ole aikaisempaa kokemusta. Loppusijoituskeskusteluissa keskiöön nousee erityisesti kysymys siitä, kuinka pitkään ydinjäte on vaarallista luonnolle ja ihmiselle, ja voidaanko täydellinen eristys taata tällaisella aikaskaalalla?

Vaikka käytetyn ydinpolttoaineen korkea aktiivisuustaso on peräisin lyhytikäisistä radionuklideista, sen massa muodostuu pääosin uraanin isotoopista U238, jonka puoliintumisaika on 4.5 miljardia vuotta. Isotoopin elinikä on niin pitkä, että aktiivisuutta on jäljellä vielä siinä vaiheessa kun auringon sammuminen vie mukanaan edellytykset ylläpitää elämää maapallolla. Käytännössä ydinjäte ei siis lakkaa säteilemästä koskaan ihmislajin elinaikana. Vertailu absoluuttiseen nollatasoon ei kuitenkaan ole mielekäs, sillä uraani on osa maankuoren alkuainekoostumusta, ja kaikki eliöt altistuvat jatkuvasti luonnolliselle taustasäteilylle.

Nollatason sijaan vertailutasoksi valitaankin usein luonnossa esiintyvä uraani, eli jätteen voidaan tavallaan katsoa palanneen luonnontilaan siinä vaiheessa kun sen säteilyvaarallisuus vertautuu uraanimalmiin josta polttoaine on aikanaan valmistettu. Uraanimalmin radioaktiivisuus on pääasiassa peräisin isotoopin U238 hajoamistuotteista. Kun nämä hajoamistuotteet lasketaan mukaan, vertailutasoksi saadaan noin 1.5 MBq/g.v Tämä taso on piirretty katkoviivalla kuvaan 2. Esimerkkitapauksessa käytetyn polttoaineen aktiivisuus saavuttaa uraanimalmin ”luonnollisen” tason vasta satojen tuhansien vuosien aikaskaalassa.

Vaikka rinnastus uraanimalmiin antaa ydinjätteen vaarallisuudelle vertailutason joka perustuu luonnossa esiintyvään radioaktiivisuuteen, sen tulkintaan liittyy useita ongelmia. Loppusijoitetun polttoaineen kokonaisaktiivisuuteen voidaan laskea mukaan joko ainoastaan reaktorin käytön aikana syntyneet ”keinotekoiset” radioaktiiviset aineet, tai myös alkuperäisen olomuotonsa säilyttänyt uraani hajoamistuotteineen. Näiden hajoamistuotteiden joukossa on paljon sellaisia isotooppeja joita syntyy polttoaineeseen riippumatta siitä, onko uraani missään vaiheessa edes käynyt reaktorissa.

Luonnollisen aktiivisuustason asettaminen vastaamaan polttoaineen valmistuksessa käytettyä uraanimalmia on myös täysin mielivaltainen valinta. Peruskallio, johon loppusijoitustila on louhittu, sisältää itsessään paljon radioaktiivisia alkuaineita. Vertailu voitaisiin yhtä perustellusti tehdä graniitin ominaisaktiivisuuden, tai loppusijoitustilan yläpuolelle jäävän kiviaineksen kokonaisaktiivisuuden mukaan. Koska vertailutason valinta riippuu täysin tulkinnasta, myös aika, jonka kuluessa loppusijoitettu polttoaine palaa luonnontilaan, on lopulta varsin tulkinnanvarainen käsite. Eri yhteyksissä esitetyt arviot vaihtelevat tuhansista miljooniin vuosiin.

Pitkäaikaisturvallisuuden arviointi

Onko loppusijoituksen turvallisuus sitten täysin tulkinnanvarainen, tai jopa puhtaasti filosofinen kysymys? Vastaus on ei, sillä luonnollisen vertailutason määrittäminen on turvallisuuden kannalta sivuseikka. Käytetyn polttoaineen aktiivisuus on käytännössä pelkkä lähdetermi, joka ei vielä itsessään kerro mitään loppusijoitetun ydinjätteen aiheuttamasta säteilyhaitasta.

Lähdetermien vertailun sijaan varsinaisissa loppusijoituksen turvallisuusanalyyseissä arvioidaan säteilyannosta, jonka kallioperään haudattu polttoaine aiheuttaa loppusijoitustilan vaikutusalueella asuvalle väestölle. Syvälle kallioperään haudattu ydinjäte ei aiheuta suoraa säteilyvaaraa maan pinnalla, vaan loppusijoituksen riskit liittyvät siihen, että radioaktiivisia aineita kulkeutuu vesistöihin, ja sieltä juomaveden ja ravintoketjun kautta ihmiseen. Analyyseissä joudutaan huomioimaan radionuklidi-inventaarin lisäksi veden virtaus loppusijoitustilassa, bentoniitissa ja kallioperän halkeamissa, kuparikapselin ja polttoainesauvojen suojakuoriputkien korroosio, sekä radioaktiivisten alkuaineiden vapautuminen polttoaineesta veteen ja niiden kulkeutuminen loppusijoitustilasta pintavesistöihin.

Turvallisuuteen liittyvien epävarmuuksien minimoimiseksi analyysit perustuvat konservatiivisiin oletuksiin, jotka suurella todennäköisyydellä yliarvioivat todellista riskiä. Tällaisilla oletuksilla voidaan huomioida tuntemattomia tekijöitä, jotka liittyvät esimerkiksi radionuklidien liukoisuuteen ja veden virtausnopeuteen bentoniitissa. Odottamattomia tilanteita voidaan huomioida erilaisilla skenaariotarkasteluilla. Kuparikapseliin on tarkistuksista huolimatta voinut jäädä valmistusvirheitä, joiden vuoksi vesi pääsee kosketuksiin polttoaineen kanssa paljon suunniteltua aikaisemmin. Yksi suurimmista riskeistä liittyy siihen, että loppusijoitustilaan tunkeudutaan joko vahingossa tai tahallisesti ensimmäisten vuosisatojen aikana, kun jätteen aktiivisuustaso on vielä korkea. Tämän riskin minimoiminen on yksi syy siihen, miksi loppusijoitustila louhitaan syvälle peruskallioon.

Loppusijoituksen aikaskaala on niin pitkä, ettei kaikkia kulkeutumisilmiöitä ole mahdollista selvittää laboratoriokokeilla. Tutkimuksessa pyritäänkin hyödyntämään mahdollisimman paljon erilaisia luonnonanalogioita. Synteettisten materiaalien sijaan loppusijoitustilan täyteaineeksi valikoitui bentoniittisavi, jonka luonnollisia esiintymiä tutkimalla saadaan tietoa materiaalin käyttäytymisestä tuhansien vuosien aikaskaalassa. Pronssikaudelta peräisin olevat kupariesineet ja muut arkeologiset löydöt kertovat paljon kuparikapselien korroosio-ominaisuuksista erilaisissa ympäristöolosuhteissa. Pohjaveden virtausta maa- ja kallioperässä voidaan tutkia geologisin menetelmin, ja uraanin hajoamistuotteiden liikkeistä saadaan tietoa tarkastelemalla malmiesiintymiä.

Eksoottisimpiin analogioihin kuuluvat luonnossa toimineet ydinreaktorit. Afrikan Gabonissa sijaitsevan Oklon alueelle perustettiin uraanikaivos 1950-luvulla. Vuonna 1972 tehdyissä rutiinitutkimuksissa havaittiin, että tietyistä malmiesiintymistä peräisin olevat uraaninäytteet sisälsivät tavallista vähemmän fissiiliä isotooppia U235. Koska luonnonuraanin isotooppisuhteet ovat määräytyneet jo ennen aurinkokunnan syntymistä, ainoa selitys poikkeamalle oli, että U235-isotooppia oli aikojen kuluessa muuttunut toisiksi aineiksi ydinreaktioissa. Oklon alueelta löydettiin sittemmin yhteensä 16 malmiesiintymää, joissa ketjureaktio oli käynnistynyt prekambrisella kaudella noin kaksi miljardia vuotta sitten. Reaktorit olivat toimineet jaksoittaisesti jopa satojen tuhansien vuosien ajan, ja tuottaneet toimiessaan plutoniumia, sivuaktinideja ja fissiotuotteita. Radioaktiiviset isotoopit kulkeutuivat ympäröivään maa-ainekseen jättäen jälkeensä tunnistettavia hajoamistuotteita.vi

Loppusijoituksen turvallisuusvaatimukset

Loppusijoituksen riskeihin liittyvissä keskusteluissa nostetaan toistuvasti esiin erityisesti plutoniumin ja muiden erittäin pitkäikäisten aktinidien vaarallisuus. Varsinaisissa turvallisuusanalyyseissä plutonium ei kuitenkaan muodosta erityistä ongelmaa, sillä sen yhdisteet liukenevat erittäin huonosti veteen. Sama pätee myös muihin aktinidisarjan alkuaineisiin.

Fissiotuotteiden joukosta sen sijaan löytyy aineita, jotka kulkeutuvat helposti veden mukana. Polttoainenippuja suojaavan kuparikapselin pääasiallinen tarkoitus onkin pitää vesi erossa polttoaineesta siihen saakka, että nopeasti liukenevat korkea-aktiiviset fissiotuotteet ehtivät hajota. Satojen tuhansien vuosien aikaskaalassa merkittäviä helposti kulkeutuvia radionuklideja ovat myös tietyt uraanin hajoamistuotteet, jotka ympäristöön vapautuessaan lisäävät radonin ja muiden luonnon radioaktiivisten aineiden aiheuttamaa säteilyriskiä.

Minkälaisilla kriteereillä loppusijoituksen turvallisuutta sitten arvioidaan? Turvallisuusanalyysien perusteella on pystyttävä osoittamaan, että loppusijoitustilan läheisyydessä asuvalle väestölle ei riskit ja epävarmuudet huomioiden aiheudu millään aikavälillä merkittävää säteilyhaittaa. Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeissa eniten altistuville ihmisille aiheutuvan vuosiannoksen ylärajaksi on asetettu 0.1 millisievertiä. Eniten altistuvalla väestöllä tarkoitetaan tässä yhteydessä omavaraista perhe- tai pienkyläyhteisöä, joka saa käyttövetensä paikallisesta kaivosta tai pintavesistöstä. Turvallisuusvaatimuksiin on lisäksi kirjattu enimmäisarvoja yksittäisten radionuklidien päästöille.

Edelliselle raja-arvolle saadaan hyvä vertailukohta suomalaisten keskimääräisestä vuotuisesta säteilyannoksesta, joka on 3.2 mSv. Puolet tästä annoksesta aiheutuu huoneilman radonista. Luontaista vaihtelua on kuitenkin paljon, ja STUK:in tilastojen mukaan Suomessa asuu keskisuuren kaupungin verran ihmistä, joiden radonista aiheutuva vuosiannos ylittää 10 mSv tason. Pessimististen alkuoletusten vuoksi turvallisuusanalyysien varmuusmarginaalit ovat jo lähtökohtaisesti varsin leveät, mutta vaikka säteilyhaitta olisi arvioitu alakanttiin tekijällä 100, vaikutus jäisi silti tasolle, jolle monet suomalaiset altistuvat jokapäiväisessä elämässään.

Pitkän aikaskaalan vuoksi kaikkia loppusijoitukseen liittyviä epävarmuuksia on mahdoton välttää. Tuntemattomat tekijät osataan kuitenkin ennustaa ja huomioida paljon luotettavammin kuin esimerkiksi yhteiskunnan ja teknologian kehitys. Ratkaisun lopullisuutta perustellaankin usein sillä, että ne sukupolvet, jotka ovat saaneet hyödyn ydinenergian käytöstä, ovat velvollisia huolehtimaan myös sen tuottamista jätteistä. Vaikka teknologia todennäköisesti kehittyykin eteenpäin, on myös mahdollista että tulevilla sukupolvilla on nykyistä huonommat edellytykset huolehtia ydinjätteestä turvallisesti. Pahimmassa tapauksessa ihmiskunta taantuu tulevien vuosituhansien aikana esiteollista aikakautta vastaavalle tasolle, vailla minkäänlaisia käsitystä jätteen vaarallisuudesta.

Hankkeen eteneminen ja loppusijoituksen vaihtoehdot

Kun kotimaisesta loppusijoitusratkaisusta tehtiin virallinen päätös vuonna 1983, hankkeelle asetettiin aikataulu, jonka mukaan sijoituspaikka valittaisiin vuoteen 2000 mennessä, jolloin loppusijoitustoiminta voisi alkaa vuonna 2020. Hanke on tähän mennessä edennyt lähes alkuperäisen aikataulun mukaan. Loppusijoitussyvyyteen ulottuvan tutkimustilan, eli ONKALO:n louhinta alkoi Olkiluodossa vuonna 2004, ja hankkeen tarpeisiin rakennetut ajotunnelit on sittemmin otettu osaksi varsinaista loppusijoitusluolastoa.

Polttoainenippujen käsittelyyn ja kapselointiin tarkoitetulle maanpäälliselle loppusijoituslaitokselle myönnettiin rakentamislupa vuonna 2015. Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen loppusijoituksen on määrä alkaa laitoksen valmistuttua 2020-luvulla, ja jatkua siihen saakka että nykyiset laitokset sekä käyttöönottovaiheessa oleva Olkiluoto-3 tulevat käyttöikänsä päähän. Käytännössä tämä tarkoittaa toiminnan jatkumista seuraavan vuosisadan puolelle. Jätteen kokonaismäärän arvioidaan nousevan noin 5500 uraanitonniin. Vierekkäin asetettuna polttoaineniput mahtuisivat hyvin puolen jalkapallokentän kokoiselle alueelle. Jos Posivan tiloihin ei enää tämän jälkeen loppusijoiteta uusien ydinvoimalaitosten jätteitä, maanpäällinen loppusijoituslaitos puretaan. Syvälle kallioperään haudattu ydinjäte ei enää tämän jälkeen edellytä vartiointia tai aktiivista tarkkailua.

Suoraan loppusijoitukseen perustuvalle polttoainekierrolle on olemassa myös vaihtoehtoja. Erityisesti ydinteknologian neljännen sukupolven sateenvarjotermin alla kulkevat reaktorikonseptit nojaavat vahvasti suljettuun polttoainekiertoon, jossa uraanipolttoaineeseen syntynyttä plutoniumia kierrätetään takaisin nopean neutronispektrin reaktoreiden polttoaineeksi. Nämä hyötöreaktoreinakin toimivat reaktorityypit kykenevät hävittämään tehokkaasti myös sellaisia aktinideja, joiden fissioituminen vaatii neutroneilta ylimääräistä liike-energiaa (esim. Pu240). Hyötöreaktorit voivat toimia myös toriumpolttoaineella, jolloin ydinjätteeseen syntyy jo lähtökohtaisesti vähemmän uraania raskaampia alkuaineita.

Kuten edellä todettiin, ydinjätteen loppusijoituksesta käytävässä keskustelussa tyydytään usein vertailemaan jätteen vaarallisuutta luonnossa esiintyvään radioaktiivisuuteen, ja kinastelemaan siitä, mihin turvallisena pidettävä vertailutaso pitäisi asettaa. Tällainen keskustelu johtaa helposti virheellisiin johtopäätöksiin, sillä pitkäaikaisturvallisuuden kannalta jätteen aktiivisuutaso on pelkkä lähdetermi, joka ei vielä sellaisenaan kuvaa loppusijoituksesta ympäristölle ja ihmisille aiheutuvaa säteilyhaittaa.

Myös edistyneistä polttoainekierroista käytävät keskustelut kiertävät usein aiheen vierestä. Aktinidien jatkuva kierrättäminen poistaa jätteeksi päätyvästä massavirrasta lähinnä sellaisia isotooppeja, jotka eivät muutenkaan kulkeutuisi helposti loppusijoitustilasta pintavesistöihin. Vaikka suljettu uraani- tai toriumpolttoainekierto on perusteltavissa esimerkiksi luonnonvarojen tehokkaammalla hyödyntämisellä, geologista loppusijoitusta teknologia ei päinvastaisista väitteistä huolimatta tee tarpeettomaksi. Posivan vuoden 2001 periaatepäätökseen on kuitenkin kirjattu vaatimus polttoaineen palautettavuudesta maan pinnalle, mikäli kehittyvä teknologia tekee esimerkiksi polttoaineen kierrättämisen tarkoituksenmukaiseksi.


i) Reaktorin käytön aikana noin prosentti uraanin U238-isotoopista muuttuu neutronikaappausreaktioissa plutoniumiksi. Käytetystä polttoaineesta erotetusta plutoniumista voidaan valmistaa nk. sekaoksidipolttoainetta eli MOX:ia (engl. ”Mixed-OXide”). Polttoaineen jälleenkäsittely on kemiallinen prosessi, johon ei kuulu isotooppien erotusta. MOX-polttoaine on ollut kaupallisessa käytössä 1980-luvulta lähtien, erityisesti Ranskassa, mutta myös Belgiassa, Saksassa, Sveitsissä, Japanissa ja Yhdysvalloissa. Uraanin alhaisen maailmanmarkkinahinnan vuoksi MOX-polttoaine ei kuitenkaan ole syrjäyttänyt perinteistä uraanipolttoainetta. Nykyisin vain noin 5% maailman reaktorikannasta käyttää polttoaineenaan MOX:ia.

ii) Voimayhtiöiden (Fortum, TVO ja Fennovoima) vuosimaksut määräytyvät käytössä olevien reaktoreiden tehon tai periaatepäätöksessä nimetyn kapasiteetin mukaan. Myös vuoteen 2015 saakka käytössä olleesta VTT:n FiR 1 -tutkimusreaktorista maksettiin aikanaan jätehuoltomaksua. Ydinjätteen loppusijoituksen lisäksi VYR-varoista rahoitetaan kansallista tutkimustoimintaa. Meneillään olevat VYR-rahoitteiset SAFIR2022- ja KYT2022- ohjelmat keskittyvät ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen ja käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen.

iii) Posivan ydinjätehuoltovelvollisuus ei koske myöhemmin perustetun Fennovoiman käytettyä polttoainetta. Hanhikiven ydinvoimalaitokselle vuonna 2010 myönnetyn periaatepäätöksen ehdoksi asetettiin, että yhtiö laatii oman suunnitelmansa käytetyn polttoaineen loppusijoituksesta. Julkisessa keskustelussa on toisinaan nostettu esille huoli siitä, että Fennovoiman ydinjäte palautettaisiin venäläiselle laitostoimittajalle. Suomen ydinenergialaki kuitenkin kieltää hyvin yksiselitteisesti käytetyn polttoaineen toimittamisen ulkomaille.

iv) Posivan loppusijoitusratkaisusta löytyy hyvä yhteenveto raportista: Safety Case for the Disposal of Spent Nuclear Fuel at Olkiluoto – Synthesis 2012.

v) Hajoamistuotteet mukaan lukien luonnonuraanin ominaisaktiivisuus on n. 180 kBq/g. 4%:ksi väkevöidyn kevytvesireaktoripolttoaineen valmistukseen käytetään 8.3-kertainen määrä luonnonuraania, kun sivutuotteena syntyvän köyhdytetyn uraanin U235-pitoisuus on 0.25%. Väkevöityä uraanigrammaa vastaavaksi aktiivisuudeksi saadaan tällöin n. 1.5 MBq.

vi) Uraanin U235- ja U238-isotooppien puoliintumisajat ovat 700 miljoonaa ja 4.5 miljardia vuotta. Nykyisin fissiilin U235:n osuus on vain noin 0.7%, mutta Oklon reaktorien toiminnan aikaan luonnonuraani on vastannut väkevöinniltään tyypillistä kevytvesireaktoripolttoainetta. Ketjureaktio on käynnistynyt rikkaassa uraaniesiintymässä, kun malmin läpi sopivasti virtaava vesi on toiminut neutronimoderaattorina. Lämpötilan noustessa vesi on kiehunut pois, ja reaktori on sammuttanut itse itsensä. Ketjureaktio on käynnistynyt uudelleen maaperän jäähdyttyä niin paljon, että lisää vettä on päässyt virtaamaan uraaniesiintymän läpi.

Ydinenergia ja kaukolämpö

Jaakko Leppänen – 17.12.2018

Teknillinen korkeakoulu (nyk. Aalto-yliopisto) isännöi Espoon Otaniemessä kesällä 1977 ydinenergia-alan kansainvälistä konferenssia,i jonka teemana oli lämmöntuotantoon suunniteltujen reaktoreiden teknologia. Tapahtuma oli varmasti aikanaan Suomelle merkittävä, sillä Loviisan ensimmäinen reaktoriyksikkö oli aloittanut tuotantonsa vasta saman vuoden keväällä. Myös konferenssin aihepiiri oli ajankohtainen. Vuoden 1973 öljykriisi oli herättänyt huolen halvan ja helposti jaeltavan lämmitysöljyn saatavuudesta, ja huoltovarmuuden turvaamiseksi monessa maassa oli alettu siirtymään talokohtaisista lämpökattiloista yhä enemmän keskitettyyn kaukolämmöntuotantoon. Kehitys oli erityisen nopeaa kylmän talvi-ilmaston pohjoismaissa. Koska ydinenergia oli 1970-luvulla jo kaupallisesti kypsää teknologiaa, reaktoreiden käyttö kaupunkien lämmitykseen vaikuttikin varsin hyvältä keinolta vähentää riippuvuutta epävarmasta öljystä.

Suomessa ydinkaukolämmön mahdollisuuksia oli alettu selvittää Valtion Teknillisessä Tutkimuskeskuksessa jo vuosikymmenen alussa. VTT:n lisäksi hankkeeseen osallistuivat voimayhtiöt Teollisuuden Voima ja Imatran Voima (nyk. Fortum), energiateknologian alalla toiminut Ekono Oy, sekä joukko suomalaisia teollisuusyrityksiä Oy Finnatom Ab -nimisen yhteenliittymän alla. Ulkomaisena yhteistyökumppanina toimi norjalainen Institutt for Atomenergi, joka operoi kahta raskasvesimoderoitua tutkimusreaktoria Kjellerissä ja Haldenissa.

Tutkimuksen tavoitteena oli ennen kaikkea kartoittaa ydinenergialla tuotetun kaukolämmön kustannuksia. Tarkastelun kohteeksi otettiin 100 megawatin kaukolämpölaitos, joka perustui pitkälti olemassa olevaan painevesireaktoriteknologiaan. Suurin ero sähköntuotantoreaktoreihin oli alhaisempi käyttöpaine ja -lämpötila, sekä pienempi yksikkökoko. Reaktorin markkinoiksi kaavailtiin kaukolämmön piirissä olevia yli 50,000 asukkaan taajamia, joita 1970-luvun alussa löytyi Helsingistä, Tampereelta, Lahdesta, Espoosta, Vantaalta, Oulusta, Jyväskylästä, Kuopiosta, Vaasasta, Lappeenrannasta, Hämeenlinnasta ja Porista. Turkua ei kuitenkaan jostain syystä kelpuutettu listalle mukaan. Hankkeen loppuraportissaii ydinenergialla tuotettu kaukolämpö arvioitiin varsin kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi verrattuna fossiilisiin tuontipolttoaineisiin, ja teknologian arviointiin olevan kaupallisesti kypsää 1980-luvulle tultaessa.

Mitä kaukolämmön tuottaminen ydinvoimalla sitten käytännössä tarkoittaa? Suomessa kaukolämpöverkkojen peruskuormasta vastaavat tavallisesti suuren kapasiteetin yhteistuotantolaitokset, joissa tarvittava lämpö otetaan sähköä tuottavasta turbiinikierrosta. Kaukolämpöverkkoon on kytketty myös varavoimana ja huipputeholaitoksina toimivia lämpökeskuksia, jotka käynnistyvät kun tehoa tarvitaan lisää kylmimpien talvipäivien aikana. Esimerkiksi Helsingin Energialla on käytössään suuret yhteistuotantolaitokset Vuosaaressa, Hanasaaressa ja Salmisaaressa, jotka tuottavat kaukolämpöä 595, 420 ja 300 megawattia. Pienempien lämpökeskusten yhteenlaskettu kapasiteetti on 2270 MW.

Kaukolämpöverkon menoveden lämpötila on 65-120°C, mikä on helposti saavutettavissa noin 300°C asteen lämpötilassa toimivilla kevytvesireaktoreilla. Jokainen ydinvoimala voisi siis ainakin teoriassa toimia yhteistuotantolaitoksena. Tästä onkin maailmalla paljon käytännön kokemusta. Ruotsin ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos Ågestassa lämmitti vuosina 1964-1974 Farstan esikaupunkialuetta Tukholmassa parhaimmillaan yli 60 MW:n teholla. Venäjällä lähes kaikki reaktorit on suunniteltu tuottamaan lämpöä vähintään laitoksen omiin ja lähialueen asukkaiden tarpeisiin.iii Myös keväällä 2018 keskustelua herättänyt kelluva ydinvoimala Akademik Lomonosov on suunniteltu tuottamaan sähkön lisäksi kaukolämpöä Venäjän arktisen alueen kaupungeille. Aluksessa on kaksi alun perin jäänmurtajakäyttöön kehitettyä ydinreaktoria. Kaukolämmöntuotanto oli huomioitu myös Loviisan kolmannen reaktoriyksikön periaatepäätöshakemuksessa, jonka valtioneuvosto tosin hylkäsi vuonna 2010.

Yhteistuotannon sijaan ydinreaktori voidaan kuitenkin suunnitella tuottamaan pelkkää kaukolämpöä. Juuri tämä oli myös VTT:n lämmitysreaktoriryhmän ajatuksena 1970-luvun alussa. Tällaisen reaktorin sydän voidaan rakentaa tavanomaisesta polttoaineesta, jota jäähdytetään vedellä. Tehon säätöön käytetään liikuteltavia säätösauvoja tai jäähdytteeseen liuotettua neutroneita absorboivaa boorihappoa. Kaukolämmöntuotannossa on mahdollista hyödyntää myös ydinreaktoreiden luontaisia kuormanseurantaominaisuuksia. Jos kaukolämpöverkosta otetaan enemmän lämpöä ulos, paluuveden lämpötila laskee. Muutos välittyy myös reaktorin jäähdytteeseen. Negatiivisten takaisinkytkentöjen vuoksi reaktori pyrkii vastustamaan toimintatilan muutosta. Fissioteho kasvaa, jolloin verkkoon syötettävä lisälämpö kompensoi muutosta kulutuksessa.iv

Sähköntuotannosta luopuminen tarkoittaa sitä, että voimalaitosprosessiin ei kuulu lainkaan turbiinikiertoa. Termodynamiikan lakien vuoksi yhden sähköenergiayksikön tuottaminen vaatii perinteisessä höyryturbiinilaitoksessa lähes kolme yksikköä primäärienergiaa. Kaukolämpölaitoksessa energiaa ei sen sijaan tarvitse muuttaa muodosta toiseen, vaan reaktorin tuotanto on lämpöhäviöitä lukuun ottamatta kokonaan syötettävissä verkkoon. Sähköä tuottaviin ydinvoimaloihin verrattuna ydinkaukolämpölaitokset olisivatkin yksikkökooltaan selvästi pienempiä. Suurelle kaupungille sopiva yksikkökoko voisi olla 100-400 MW, mutta Suomesta löytyy myös kymmeniä pienempiä paikkakuntia, missä verkon kapasiteetti asettuu 25-50 megawatin kokoluokkaan. Vertailun vuoksi Olkiluodon uuden EPR-reaktorin sähköteho on 1600 MW, ja kokonaislämpöteho 4500 MW.

Reaktori ei kytkeydy kaukolämpöverkkoon suoraan, vaan lämmönvaihtimien ja välipiirin kautta. Tällä vältetään primäärijäähdytteen mukana kulkeutuvien radioaktiivisten aineiden päätyminen verkkoon. Energian siirtyminen piiristä toiseen vaatii tietyn lämpötilaeron, minkä vuoksi yli sata-asteisen kaukolämpöveden tuottaminen vaatii reaktorilta luokkaa 140-160°C asteen toimintalämpötilan. Periaatteessa lämpötila voi olla matalampikin, mutta kovimmilla pakkasilla runkoverkkoon syötettävää vettä on tällöin lämmitettävä lisää. Perustuotanto mitoitetaan tavallisesti kattamaan noin puolet huipputehotarpeesta, ja ylimääräistä lämpöä tarvitaan lähinnä talvikuukausina.

Painevesityyppisissä reaktoreissa jäähdyte pidetään nestemäisessä olomuodossa korkean paineen avulla. Esimerkiksi EPR-reaktorin kuuman haaran lämpötila on 328°C astetta, ja primääripiiri on paineistettu noin 155 ilmakehän paineeseen (15.5 MPa). Samalla periaatteella mutta selvästi matalammassa lämpötilassa toimivan kaukolämpöreaktorin käyttöpaine voitaisiin laskea suurin piirtein espressokeitintä vastaavalle tasolle. Matalampi käyttöpaine näkyisi ennen kaikkea reaktorin paineastian ja primääripiirin putkistojen seinämävahvuudessa. EPR:n reaktoriastiassa on terästä noin 25 cm paksuudelta, kun taas kaukolämpöreaktorissa seinämävahvuudeksi voisi riittää vain muutama sentti. Nykyisten reaktoripaineastioiden valmistusprosessi voi kestää vuosia, ja koko maailmasta löytyy vain muutama valmistaja joka kykenee työn edes suorittamaan. Kaukolämpöreaktorin paineastia voisi syntyä huomattavasti halvemmalla, jopa suomalaisessa konepajassa.

Pienellä yksikkökoolla ja matalalla käyttöpaineella on vaikutusta myös reaktorin turvallisuussuunnitteluun. Kerroin aikaisemmassa blogikirjoituksessa että merkittävin reaktoriturvallisuutta uhkaava tekijä on polttoaineen jälkilämpö, jota syntyy lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisessa hajoamisessa. Jälkilämmöntuotto ei lakkaa välittömästi ketjureaktion katkeamiseen, vaan polttoaineen jäähdytyksestä pitää pystyä huolehtimaan vielä pitkään reaktorin sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä laitoksissa tämä on toteutettu moninkertaisesti varmennetuilla hätäjäähdytysjärjestelmillä, joiden sähkönsyöttö pitää pystyä turvaamaan kaikissa mahdollisissa tilanteissa. Toteutuksen tekee haasteelliseksi se, että korkeapaineisen veden faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa. Esimerkiksi primääripiirin putkivuoto aiheuttaa reaktorin suojarakennuksen paineistumisen veden purkautuessa höyrynä ulos. Vakavassa onnettomuustilanteessa radioaktiivisen päästön pidättäminen edellyttääkin myös suojarakennuksen jäähdytystä.v

Polttoaineen jälkilämmöntuotto on suoraan verrannollinen reaktorin fissiotehoon, joten esimerkiksi 200 megawatin kaukolämpöreaktori tuottaisi sammuttamisen jälkeen lämpöä alle 5% suuren EPR:n jälkilämpötehosta. Matalan toimintalämpötilan ansiosta myöskään jäähdytteen faasimuutokseen ei olisi sitoutunut vastaavaa energiamäärää. Reaktorin jälkilämmönpoisto ja paineenhallinta voitaisiin tällöin toteuttaa helposti luonnonkiertoon perustuvilla passiivisilla järjestelmillä. Polttoaineen läpi kulkeva vesi lämpenee ja pyrkii nousemaan ylöspäin, joten jos jäähdytettä viilentävä lämmönvaihdin sijoitetaan sopivasti suhteessa reaktoriin, virtaus käynnistyy itsestään ilman pumppuja ja ulkoista käyttövoimaa. Korkea turvallisuustaso on tällöin saavutettavissa ilman kalliita ja moninkertaisesti varmennettuja aktiivisia hätäjäähdytysjärjestelmiä. Jos laitoksen sähköjärjestelmät menetetään, reaktori siirtyy itsestään turvalliseen tilaan, jossa jälkilämpö siirtyy luonnonkierrolla lämmönvaihtimien kautta reaktorirakennuksen ulkopuolelle.vi

Passiiviseen turvallisuussuunnitteluun perustuvaa kaukolämpöreaktoria kaavailtiin pohjoismaisille markkinoille jo neljä vuosikymmentä sitten. Tätä SECURE (Safe Environmentally Clean Urban REactor) -nimellä kulkenutta reaktorikonseptia tutkittiin vuosina 1976-1977 ruotsalais-suomalaisena yhteistyönä. Hankkeeseen osallistuivat Ab ASEA-Atom (nyk. Westinghouse) ja Ab Atomenergi Ruotsista, sekä Finnatom ja VTT Suomesta. Tavoitteena oli kehittää 200 MW kaukolämpöreaktori, joka tuottaisi 95°C asteista vettä suurten ja keskikokoisten kaupunkien kaukolämpöverkkojen peruskuormatarpeisiin.

SECURE poikkeaa monelta osin perinteisistä paine- ja kiehutusvesilaitoksista. Reaktorin paineastiana toimii suuri teräsbetonista valettu allas, joka yhdessä primääripiirin komponenttien kanssa on sijoitettu maanalaiseen kallioluolaan. Reaktori toimii 0.7 MPa paineessa ja 115°C asteen lämpötilassa. Normaalissa toimintatilassa jäähdytettä kierrätetään pumpuilla reaktorista lämmönvaihtimiin, jotka on kytketty välipiirin kautta kaukolämpöverkkoon. Jäähdytyskierto on auki ympäröivään vesialtaaseen, mutta pakotetun virtauksen aiheuttama paine-ero estää allasveden pääsyn reaktoriin. Pumppujen pysähtyessä virtausolosuhteet muuttuvat sellaisiksi, että luonnonkierto altaassa pääsee käynnistymään. Altaasveteen lisätty boori pysäyttää samalla ketjureaktion etenemisen. SECURE:ssa ei ole lainkaan säätösauvoja, vaan myös reaktorin sammuttaminen hoidetaan pysäyttämällä virtausta ylläpitävät pääkiertopumput.

Maanalaisella sijoituksella ja passiivisilla turvallisuusominaisuuksilla pyrittiin mahdollistamaan reaktorin rakentaminen aivan suurten kaupunkien tuntumaan. Sähköstä poiketen lämpöä ei pystytä siirtämään kustannustehokkaasti pitkiä matkoja, joten tuotanto on saatava lähelle kulutusta. Ydinvoimalaitoksia koskevat viranomaisvaatimukset oli kuitenkin laadittu pitkälti siltä pohjalta, että laitosalueen lähiympäristössä ei ollut suuria asutuskeskittymiä. Kyse ei ollut niinkään siitä etteikö näin olisi voinut olla, vaan siitä, että aikaisemmat laitokset oli rakennettu pienille paikkakunnille, eikä tällaisille tarkasteluille ollut luvitusvaiheessa tarvetta. Riittävän turvallisuustason osoittamiseksi SECURE:n suunnittelussa haluttiin käyttää mahdollisimman vähän sellaisia järjestelmiä, jotka olivat riippuvaisia automaatiosta, mekaanisten laitteiden toimintavarmuudesta tai reaktorin ohjaajien tekemistä päätöksistä. SECURE-hanketta ja sen soveltuvuutta nykyisiin turvallisuusstandardeihin on käsitelty tarkemmin Suomen Atomiteknillisen Seuran Ydintekniikka-lehden vuoden 2012 numeroissa 2 ja 3.

VTT:n lämmitysreaktoriryhmän selvitykset ja ruotsalais-suomalainen SECURE-hanke eivät aikanaan tuottaneet konkreettista lopputulosta. Ydinvoima ajautui 1980-luvulla poliittisiin vaikeuksiin, ja monen suuren kaukolämpölaitoksen polttoaineeksi valikoitui halpa kivihiili. Kaukolämpöreaktoreiden kehitystä ei varsinaisesti lopetettu, mutta kiinnostus hiipui, ja aihe jäi viimeistään vuosituhannen vaihteessa eksoottisempien trendien, kuten ydinjätteen transmutaatiotutkimuksen ja neljännen sukupolven reaktoriteknologian varjoon.

Kiristyvät CO2-päästövaatimukset ja tarve päästä eroon saastuttavasta kivihiilestä ovat kuitenkin tuoneet kaukolämpöreaktorit jälleen otsikoihin. Uutisia teknologian kehityksestä on viime aikoina kuultu erityisesti Kiinasta, missä kyse ei ole ainoastaan ilmastonmuutoksen torjunnasta, vaan myös kaupunkien ilmanlaatua pilaavien pienhiukkaspäästöjen leikkaamisesta. Ydinenergian lämmityskäyttöä on tutkittu Kiinassa 1980-luvulta lähtien. Maailman ensimmäinen erityisesti kiinteistöjen lämmitykseen tarkoitettu ydinreaktori, viiden megawatin teholla toimiva NHR-5, aloittikin toimintansa Tsinghuan yliopistossa Pekingissä jo vuonna 1989.

Kiinan lämmitysreaktoritutkimus jakaantui jo varhain kahteen kehityslinjaan. NHR-5 perustui perinteiseen paineastiatyyppiseen rakenteeseen, joskin reaktorin jäähdytys oli toteutettu passiivisesti luonnonkierrolla. Tämän lisäksi Tsinghuassa kehitettiin 1990-luvulla nk. DPR-konseptia (Deep Pool Reactor), joka tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että kaukolämpöverkon edellyttämä yli 100°C asteen käyttölämpötila saadaan aikaiseksi hydrostaattisella paineella, sijoittamalla reaktori 25 metriä syvän vesialtaan pohjalle. Reaktori ei tällöin tarvitse lainkaan varsinaista paineastiaa, sillä veden paine altaan pinnalla on normaalin ilmakehän tasolla. DPR-tyyppistä reaktoria voidaan tavallaan luonnehtia konservatiiviseksi versioksi SECURE:sta. Reaktorin jälkilämmönpoisto nojaa samalla tavalla passiiviseen luonnonkiertoon, mutta monimutkaiseen virtausmekaniikkaan perustuvat järjestelmät on korvattu yksinkertaisella jäähdytyskierrolla, ja tehotason asettamiseen käytetään perinteisiä säätösauvoja. SECURE:n tapaan reaktoriallas on suunniteltu sijoitettavaksi maanalaiseen kallioluolaan.

Paineastiatyyppisen NHR-5 -reaktorin pohjalta kehitettiin sittemmin samalla periaatteella toimiva 200 megawatin NHR-200. China General Nuclear -yhtiö on yhdessä Tsinghuan yliopiston kanssa parhaillaan selvittämässä kehityslinjan uusimman version (NHR200-II) ensimmäisen prototyypin rakentamista. Myös DPR-konseptia on kehitetty eteenpäin, ja ensimmäisen allastyyppisen 400 megawatin DHR-400 -laitoksen alustava suunnittelutyö saatiin päätökseen syyskuussa 2018. Tätä myös nimellä ”Yanlong” kulkevaa teknologiaa kehittävä China National Nuclear Corporation -yhtiö odottaa reaktorille rakennuslupaa vuoden 2019 alkupuolella. Periaatteessa reaktori voisi tällöin olla kaupallisilla markkinoilla 2020-luvulla. Ottaen huomioon millä vauhdilla ydinteknologian kehitys on Kiinassa edennyt, suunnitelmia voidaan pitää hyvinkin realistisina.

Kaukolämpöreaktoriteknologian kaupallistamista voidaan pitää myös Suomen kannalta mielenkiintoisena mahdollisuutena. Aikaisemmassa blogikirjoituksessa käsiteltiin ydinenergian roolia ilmastonmuutoksen torjunnassa. Suomen sähköntuotantorakenne on jo nykyisellään varsin puhdas, mutta päästövähennyspotentiaalia löytyy paljon muilta energiasektorin osa-alueilta. Kaukolämmön osalta aikataulu on äärimmäisen tiukka, sillä hallitus on esittänyt kivihiilen käytölle täyskieltoa vuodesta 2029 alkaen. Ville kirjoitti aikaisemmin että ydinkaukolämmön mahdollisuuksien selvittämisestä on tehty kunnallisella tasolla valtuustoaloitteita ainakin Helsingissä, Espoossa, Kirkkonummella, Nurmijärvellä ja Turussa. Kiinnostusta on ollut yli puoluerajojen, ja esimerkiksi Vihreissä pitkään vaikuttanut Osmo Soininvaara on tuonut aiheeseen liittyvän kantansa varsin julkisesti esiin.

Kaukolämpöpiirakka

Kuva 1: Kaukolämmöntuotannossa käytetyt primäärienergialähteet Suomessa vuonna 2017. Fossiilisten polttoaineiden osuus on yli puolet. Vertailun vuoksi sähköntuotannosta yli 80% katetaan vähähiilisillä teknologioilla, joista merkittävin on ydinvoima. Lähde: Energiateollisuus ry.

Ilmastonmuutoksen torjunta edellyttää toimenpiteitä, jotka tulevat joka tapauksessa mullistamaan koko energiasektorin tuotantorakenteen. Moni ehdotetuista ratkaisuista perustuu teknologiaan, josta ei ainakaan suuressa mittakaavassa ole aikaisempaa näyttöä. Kaukolämpöreaktori ei tässä mielessä eroa esimerkiksi hiilidioksidin talteenotosta. Poliittisten ja taloudellisten haasteiden lisäksi ydinkaukolämmön toteuttaminen edellyttää kuitenkin myös sitä, että reaktorit pystytään osoittamaan riittävän turvallisiksi sijoitettavaksi lähelle suuria asutuskeskittymiä.

Ydinenergia-alan osaaminen on Suomessa korkealla tasolla. Turvallisuusasioissa, käytetyn polttoaineen loppusijoituksessa sekä laitosten käytössä voimme sanoa olevamme jopa maailman kärkeä. Alan valmistavaa teollisuutta ei Suomeen kuitenkaan ole erityisesti syntynyt.vii Tämä on asia, jonka matalan lämpötilan reaktoreiden yleistyminen voisi periaatteessa muuttaa. Espressokeittimen paineessa toimivan, haaleaa vettä tuottavan kaukolämpöreaktorin pääkomponenttien valmistaminen tuskin ainakaan edellyttää sellaista osaamista tai teknologiaa, jota ei löytyisi esimerkiksi suomalaisesta konepajateollisuudesta.

Voisiko fossiilisia polttoaineita korvaavien kaukolämpöreaktorien valmistusmaa siis ollakin Kiinan sijaan Suomi? Tähän kysymykseen ollaan parhaillaan etsimässä vastausta VTT:n valmistelemassa Business Finland -hankkeessa.


i) ”Topical Meeting on Low-Temperature Nuclear Heat” (21-24.8.1977). Konferenssipaperit on julkaistu American Nuclear Societyn Nuclear Technology -lehden numerossa 38 vuodelta 1978.

ii) R. Tarjanne, S. Vuori, L. Eerikäinen & L. Saukkoriipi. ”Lämmitysreaktoriprojektin loppuraportti.” Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Lämmitysreaktoriryhmä, 1974.

iii) Venäläisillä reaktoreilla on tuotettu kaukolämpöä myös Bulgariassa, Unkarissa, Slovakiassa ja Ukrainassa. Se, että Loviisan vanhoja neuvostovalmisteisia laitoksia ei ole suunniteltu yhteistuotantoon, lienee pikemminkin poikkeus yleisestä VVER-kehityslinjasta.

iv) Kaukolämpöverkko toimii suhteellisen joustavasti verrattuna esimerkiksi sähköverkkoon, jonka jännitteelle ja taajuudelle on asetettu tiukat rajat. Lämpötilan vaihteluväli on suhteellisen laaja, ja putkissa virtaavan veden suuri lämpökapasiteetti tasaa muutoksia. Kaukolämmön lisäksi samaa matalan lämpötilan reaktoriteknologiaa voidaan käyttää jäähdytykseen, sekä tuottamaan kastelu- ja juomavettä suolaisesta merivedestä. Jälkimmäisillä teknologioilla arvioidaan olevan vielä kaukolämpöäkin suuremmat markkinat, sillä suuri osa maailman väestöstä asuu kuivan ja lämpimän ilmaston maissa.

v) Huonosti toteutetun turvallisuussuunnittelun vuoksi Fukushima Daichin ydinvoimalaitosalueelle maaliskuussa 2011 iskenyt tsunami tuhosi kerralla neljän reaktoriyksikön varavoimadieselit. Sähköjärjestelmien täydellinen menetys johti lopulta kolmeen sydämensulamisonnettomuuteen, kun polttoaineen tuottamaa jälkilämpöä ei saatu reaktoreista ulos. Pelastustöitä vaikeutti ratkaisevasti järjestelmien ylipaineistuminen. Vaikka vettä olisi ollut saatavilla, sitä ei korkean paineen vuoksi kyetty syöttämään oikeaan paikkaan. Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden vaiheita on käsitelty tarkemmin toisessa blogikirjoituksessa.

vi) Passiivisia turvajärjestelmiä on suunniteltu myös suuriin kolmannen sukupolven kevytvesireaktoreihin. Esimerkiksi Westinghousen AP1000-laitoksessa reaktorin jälkilämmönpoisto ja suojarakennuksen jäähdytys on toteutettu luonnonkierrolla. Ensimmäiset 1157 MW:n AP1000-laitokset otettiin käyttöön Sanmenin ydinvoimalaitoksella Kiinassa syksyllä 2018.

vii) Viittaan tässä erityisesti laitoksen ydinteknisiin komponentteihin. Suomessa on tehty ydinenergia-alalle mittalaitteita, automaatiojärjestelmiä, varavoimageneraattoreita, jne…

Vakava reaktorionnettomuus

Jaakko Leppänen – 24.11.2018

Käsittelin aikaisemmissa blogikirjoituksissa Tšernobylin ja Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuksia, keskittyen lähinnä tapahtumien etenemiseen ja taustalla vaikuttaneisiin tekijöihin. Jatkan tässä kirjoituksessa onnettomuuksien seurauksista ja ympäristövaikutuksista. Ydin- ja säteilyonnettomuuksien vakavuutta voidaan mitata kansainvälisen atomiergiajärjestön IAEA:n määrittämällä INES-asteikolla (International Nuclear and Radiological Event Scale). Molemmat onnettomuudet on luokiteltu suurten radioaktiivisten päästöjen sekä niiden edellyttämien mittavien väestönsuojelutoimenpiteiden perusteella asteikon korkeimpaan, eli seitsemänteen luokkaan. INES-asteikko on kuitenkin luotu lähinnä viestinnän apuvälineeksi, eikä vakavan reaktorionnettomuuden seurauksia ole käytännössä mahdollista tiivistää yhteen numeroon.

Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuksista on keskusteltu ja kirjoitettu paljon, ja niiden vaikutuksia puitu monelta eri kannalta. Tämän kirjoituksen tarkoitus on blogin hengen mukaisesti lähestyä aihetta asiantuntijanäkökulmasta, ja esittää jonkinlainen yhteenveto siitä, mitä onnettomuuksien seurauksista nykyisin tiedetään, ja miten näitä asioita on käsitelty riippumattomien kansainvälisten asiantuntijaryhmien aineistoissa. Lähteenä olen käyttänyt erityisesti YK:n alaisen UNSCEAR:in (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) kokoelmaraportteja, joiden tiedot on kerätty sadoista vertaisarvioiduista tiedejulkaisuista.i Teksti on jaettu muutamaan osakokonaisuuteen, jotka käsittelevät onnettomuuksien välittömiä seurauksia laitospaikoilla, päästöjen leviämistä ja radioaktiivista laskeumaa, sekä väestön pitkän aikavälin säteilyaltistusta ja sen aiheuttamia terveysvaikutuksia. Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyviä perusasioita, kuten aktiivisuuden ja säteilyannoksen määritelmiä, yksiköitä ja suuruusluokkia, on käsitelty aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

Maaliskuussa 2011 tapahtunut Fukushima Daichin ydinvoimalaonnettomuus sai alkunsa siitä, kun maanjäristystä seurannut tsunami tuhosi reaktoreiden hätäjäähdytykseen ja instrumentointiin käytetyt sähköjärjestelmät. Reaktoreiden tuottama fissioteho oli katkennut maanjäristyksen laukaisemaan pikasulkuun jo tuntia aikaisemmin, mutta tsunamin vyöryessä laitosalueelle lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa vapautuva energia lämmitti ydinpolttoainetta vielä kymmenien megawattien teholla. Ydintekniikassa tätä ketjureaktiosta riippumatonta lämmöntuottoa kutsutaan polttoaineen jälkilämmöksi. Laitosyksiköiden kellarikerrokset tulvittanut vesi vaurioitti juuri niitä järjestelmiä, jotka oli suunniteltu jälkilämmön poistamiseen. Seurauksena oli vakava sydämensulamisonnettomuus kolmella laitosyksiköllä.

Tapahtumaketju eteni nopeimmin ykkösyksiköllä, joka jäi heti sähköjärjestelmien menetyksen jälkeen täysin ilman toimivaa jäähdytyskiertoa. Reaktorin vedenpinnankorkeus alkoi laskea jäähdytteen kiehuessa höyryksi, saavuttaen sydämen yläreunan tason noin kolmessa tunnissa. Veden alta paljastunut polttoaine alkoi tämän jälkeen ylikuumenemaan, ja lopulta sulamaan. Kakkos- ja kolmosyksiköillä sydämen vesikiertoa kyettiin ylläpitämään passiivisilla järjestelmillä, jotka saivat käyttövoimansa reaktorista purkautuvalta höyryltä. Järjestelmiä ei kuitenkaan oltu suunniteltu pitkäaikaiseen käyttöön, ja niiden vikaannuttua myös veden syöttö reaktoreihin katkesi. Sydämen sulaminen alkoi kolmosyksiköllä kahden, ja kakkosyksiköllä kolmen vuorokauden kuluessa alkutapahtumasta.

Sydämensulamisonnettomuudessa polttoaineen vaurioituminen etenee vaiheittain. Keraamiset uraanioksiditabletit on suljettu zirkonium-metalliseoksesta valmistettujen kaasutiiviiden suojakuoriputkien sisälle. Jälkilämpö siirtyy suojakuoren läpi polttoaineesta jäähdytteeseen, ja kun sydän alkaa kiehua kuivaksi, lämpötila alkaa nopeasti nousta. Suojakuoriputken zirkonium oksidoituu vuorovaikuttaessaan korkeassa lämpötilassa vesihöyryn kanssa. Reaktio alkaa kiihtyä lämpötilan noustessa noin 800°C asteeseen. Oksidoitunut metalli muuttuu hauraaksi ja pirstoutuu helposti, jolloin sisällä oleva pellettipatsas romahtaa kasaan. Lämpötilan edelleen noustessa myös uraanioksidi alkaa lopulta sulaa. Polttoaineesta, säätösauvoista ja sydämen tukirakenteista muodostuvan sydänsulan lämpötila nousee niin korkeaksi, että myös reaktoriastia voi sulaa pohjastaan puhki.

Myös radioaktiivisten aineiden vapautuminen tapahtuu vaiheittain. Osa fissiotuotteista kulkeutuu jo reaktorin käydessä polttoainetablettien ja suojakuoriputken välissä olevaan kaasurakoon. Tällaisia fissiotuotteita ovat erityisesti jalokaasut krypton ja xenon, minkä lisäksi myös esimerkiksi jodi muodostaa kaasumaisia yhdisteitä reaktorin normaalissa käyttölämpötilassa. Suojakuoriputkien puhkeaminen vapauttaa jo onnettomuuden alkuvaiheessa kaasurakoon kerääntyneitä aineita reaktorin primäärikiertoon. Jalokaasujen ja jodin lisäksi helposti vapautuvia fissiotuotteita ovat cesiumin ja telluurin isotoopit, jotka alkavat kaasuuntua lämpötilan noustessa 1300°C asteeseen. Radionuklidien vapautuminen riippuu sydänvaurioiden laajuudesta sekä siitä, miten nopeasti sydänsula saadaan jäähdytettyä takaisin kiinteään olomuotoon. Monet polttoaineeseen syntyneistä isotoopeista alkavat vapautua vasta lämpötilan kohotessa tuhansiin asteisiin.

Reaktoriturvallisuus nojaa vahvasti nk. moniesteperiaatteeseen. Polttoaineen kiinteä olomuoto ja metallinen suojakuoriputki toimivat ensimmäisinä vapautumisesteinä radioaktiiviselle päästölle. Kevytvesireaktoreiden jäähdytyskierto on eristetty kokonaisuudessaan kaasutiiviin paineenkestävän suojarakennuksen sisälle, joten polttoaineen vaurioituminen tai sulaminen ei vielä aiheuta päästöä ympäristöön. Fukushimassa osa fissiotuotteista kulkeutui reaktorista purkautuneen höyryn mukana suojarakennusta kiertävään munkkirinkilän muotoiseen lauhdutusaltaaseen (kts. Fukushima-kirjoituksen kuva 2). Suojarakennuksen ilmatilaan päätyneet kaasumaiset radioaktiiviset aineet muodostivat jäähtyessään mikroskooppisia aerosoleja. Osa hiukkasista tarttui pintoihin, tai päätyi vesipisaroiksi tiivistyneen höyryn mukana suojarakennuksen pohjalle. Vaikka pitkään jatkunut ylipaineistuminen johti Fukushimassa lopulta myös uloimpien kulkeutumisesteiden pettämiseen, suuri osa radioaktiivisesta päästöstä pidättyi suojarakennusten sisälle.ii

Fukushimassa oli onnettomuuden alkaessa noin 6000 työntekijää, joista suurin osa evakuoitiin pian sen jälkeen kun laitosalueella julistettiin hätätila. Välttämättömiin pelastustöihin jäi aluksi noin 400 työntekijää, mutta määrä kasvoi huomattavasti seuraavien päivien aikana. Pelastustöiden kiireellisin vaihe kesti muutaman viikon. Ensimmäisten päivien aikana pelastustoimet keskittyivät reaktoreiden jäähdytykseen, mutta huomio kääntyi myöhemmin käytetyn polttoaineen varastoaltaisiin, joiden pelättiin kärsineen maanjäristyksessä vaurioita. Tilanne alkoi rauhoittua kun ulkoinen vedensyöttö vaurioituneisiin reaktoreihin saatiin toimimaan, ja polttoainealtaiden kunto oli varmistunut. Radioaktiiviset ilmapäästöt ajoittuivat muutama päivän jaksolle onnettomuuden alkuvaiheessa.

Onnettomuuden jälkihoitoon osallistui seuraavien 18 kuukauden aikana noin 25,000 työntekijää. Suurista ilmapäästöistä huolimatta säteilytaso ei missään vaiheessa noussut niin korkeaksi, että siitä olisi aiheutunut työntekijöille välitöntä hengenvaaraa. Suurin osa radioaktiivisista aineista jäi suojarakennusten sisälle, eivätkä pelastustyöt edellyttäneen kulkua pahimmin saastuneisiin tiloihin. Säteilytyöntekijöille asetetut annosrajat perustuvat tavallisesti 100 mSv kertymään viiden vuoden ajalta. Hätätilanteessa rajaa voidaan kuitenkin nostaa. Fukushimassa kriittisimpiä tehtäviä hoitaneiden työntekijöiden annosraja asetettiin väliaikaisesti 250 millisievertiin. Alempi 100 mSv:n raja ylittyi 167 työntekijällä, ja ylempi raja kuudella valvomotyöntekijällä, jotka saivat pääasiassa sisäistä säteilyannosta radioaktiivisesta jodista. Suurin mitattu annos oli 680 mSv. Säteilyaltistuksesta ei aiheutunut kenellekään välittömiä terveysvaikutuksia.iii

Huhtikuussa 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa ei ollut kyse sydämen sulamisesta, vaan huomattavasti aggressiivisemmasta tapahtumaketjusta. Epästabiiliin toimintatilaan ajetun reaktorin fissioteho karkasi hallitsemattomaan kasvuun, joka nosti lämpötilan niin korkeaksi, että osa polttoaineesta suli ja pirstaloitui ympäröivään jäähdytteeseen. Paineen nousu reaktorin jäähdytyskanavissa aiheutti massiivisen räjähdyksen, joka puhkaisi aukon reaktorirakennuksen kattoon. Kaikki sisäkkäiset vapautumisesteet menetettiin kerralla. Ilmassa leviävien kaasu- ja aerosolipäästöjen lisäksi myös erittäin korkea-aktiivisia polttoaineen sirpaleita levisi räjähdyksen voimasta laitosalueelle. Tilannetta pahensi reaktorikuilussa syttynyt tulipalo, joka vauhditti radioaktiivisten aineiden vapautumista.

Laitoksen henkilökunta ja sammutustöihin hälytetyt palomiehet altistuivat heti voimakkaalle säteilylle. Annosnopeus reaktorirakennuksen katolla, missä palomiehet joutuivat työskentelemään sammuttaessaan räjähdyksestä alkunsa saaneita palopesäkkeitä, oli tappavan korkea. Koska onnettomuus oli tapahtunut ilman minkäänlaista ennakkovaroitusta, pelastustyöntekijöillä ei myöskään ollut valmista suunnitelmaa säteilyaltistuksen rajoittamiseksi. Henkilökunnan käyttämät säteilyannosmittarit rekisteröivät annoskertymää ainoastaan 20 mSv:iin saakka, eikä palomiehillä ollut käytössään lainkaan mittareita. Tilanne oli kuitenkin saatava hallintaan, sillä tulipalo uhkasi levitä viereiselle laitosyksikölle. Ensimmäisen yön pelastustöihin osallistui noin 600 ihmistä. Seuraavien päivien kuluessa yli sata työntekijää toimitettiin säteilysairauden vuoksi hoitoon, ja sairauden aiheuttamiin komplikaatioihin kuoli lopulta 28 ihmistä. Kaikki kuolemaan johtaneet annokset saatiin onnettomuuden ensimmäisen vuorokauden pelastustöissä.

Kun pienemmät tulipalot oli sammutettu, myös kulkua reaktorirakennuksen pahimmin saastuneisiin tiloihin pystyttiin rajoittamaan. Reaktorikuilussa riehuneen tulipalon tukahduttaminen kesti kuitenkin toista viikkoa. Pitkäaikainen työskentely laitosalueella edellytti mittavia raivaustöitä säteilytason saattamiseksi edes siedettävälle tasolle. Työ jouduttiin tekemään suurelta osin käsin. Pahimmissa paikoissa annosnopeudet saattoivat nousta satoihin sieverteihin tunnissa (100 Sv/h = 100,000 mSv/h), jolloin raivaukseen osallistuneiden työntekijöiden annosrajat tulivat raskaasta suojavarustuksesta huolimatta täyteen alle minuutissa. Ainoa keino rajoittaa säteilyaltistusta oli raivaajien jatkuva kierrättäminen.

Raivaajat

Kuva 1: Pitkäaikainen työskentely Tšernobylin laitosalueella edellytti mittavia raivaustöitä. Työ jouduttiin tekemään suurelta osin käsin, ja siihen osallistui satoja tuhansia ihmisiä. Pahimmin saastuneissa paikoissa annosnopeudet nousivat niin korkeiksi, että työskentely jouduttiin rajoittamaan alle minuutin mittaisiin vuoroihin. Kun annosnopeudet laitosalueella oli saatu siedettävälle tasolle, räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorirakennuksen suojaksi alettiin rakentamaan betonista sarkofagia (kts. aikaisemman blogikirjoituksen kuva 4).

UNSCEAR:in tilastoihin on kerätty eri menetelmillä arvioituja säteilyannoksia yli 500,000 onnettomuuden jälkihoitoon osallistuneelta työntekijältä, joista noin puolet oli sotilaita. Eräiden arvioiden mukaan on kuitenkin mahdollista, että operaatioon osallistui vuosien 1986-1990 välisenä aikana jopa miljoona ihmistä. Tarkemman annosseurannan piirissä oli noin 250,000 raivaajaa ja pelastustyöntekijää, joiden säteilyannosten jakautuminen on esitetty alla olevassa taulukossa. Samaan taulukkoon on vertailun vuoksi kerätty myös Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden pelastus- ja raivaustöihin osallistuneiden työntekijöiden annosjakaumaa.

Efektiivinen säteilyannos Altistuneiden työntekijöiden lukumäärä
Tšernobyl 1986 Fukushima 2011
< 10 mSv 23,560 16,162
10 – 50 mSv 61,518 7,460
50 – 100 mSv 63,398 1,037
100 – 200 mSv 48,006 164
200 – 500 mSv 49,630 7
500 – 1000 mSv 543 2
> 1000 mSv 219

Luvuista ilmenee hyvin puhdistusoperaatioiden mittakaavaero. Tšernobylissä onnettomuuden jälkihoito vaati monikymmenkertaisen määrän työvoimaa. Erot säteilyannoksissa puolestaan selittyvät pitkälti sillä, että Tšernobylissä räjähdyksessä tuhoutuneen reaktorisydämen kappaleita jouduttiin keräämään ympäri laitosaluetta. Fukushimassa sulanut polttoaine jäi reaktorirakennusten sisälle, eivätkä pelastustyöt missään vaiheessa edellyttäneet pitkäaikaista oleskelua sellaisissa tiloissa, joissa annosnopeus oli hengenvaarallisen korkea.

Ydinvoimalaonnettomuuden vakavuuteen vaikuttaa olennaisesti ympäristöön vapautuneen radioaktiivisen päästön suuruus. Reaktorissa säteilytetyn ydinpolttoaineen radionuklidi-inventaari muodostuu sadoista isotoopeista. Eri alkuaineiden isotoopit poikkeavat toisistaan kemiallisten ja fysiologisten ominaisuuksiensa osalta. Kuten edellä todettiin, eri aineiden vapautuminen riippuu myös sydänvaurioiden laajuudesta, sekä siitä, miten hyvin päästö saadaan pidätettyä suojarakennuksen sisälle. Säteilyaltistuksen kannalta merkittävien radionuklidien eliniät vaihtelevat tunneista kymmeniin vuosiin. Isotoopin ominaisaktiivisuus on kääntäen verrannollinen sen pitkäikäisyyttä kuvaavaan puoliintumisaikaan, joten kaikkein korkea-aktiivisimmat radionuklidit myös häviävät nopeimmin ympäristöstä. Hyvin pitkäikäisten isotooppien aktiivisuus on vastaavasti pieni.

Päästön kokonaisaktiivisuuden kannalta suurimman yksittäisen komponentin muodostaa tavallisesti xenonin isotooppi Xe133, joka hajoaa noin viiden päivän puoliintumisajalla. Koska xenon on kemiallisesti inertti jalokaasu, se vapautuu helposti vaurioituneesta polttoaineesta, ja karkaa ympäristöön heti jos suojarakennuksen tiiveys menetetään. Kaasumainen olomuoto ja kemiallinen sitoutumattomuus tarkoittavat toisaalta myös sitä, että Xe133 ei muodosta maan pinnalle kulkeutuvaa laskeumaa, jota voisi päätyä ravinnon tai juomaveden mukana elimistöön. Radioaktiiviset jalokaasut aiheuttavat pääasiassa ulkoista säteilyannosta onnettomuuden alkuvaiheessa. Vaikutus heikkenee pitoisuuksien laimentuessa, kun päästöpilvi hajoaa ja kulkeutuu tuulen mukana kauemmas lähteestä.

Väestönsuojelun kannalta merkittävimmät radionuklidit ovat jodin isotooppi I131 ja cesiumin isotooppi Cs137. Näiden isotooppien fissiotuotto on suuri, ne vapautuvat suhteellisen helposti vaurioituneesta polttoaineesta, ja ravintoketjun kautta elimistöön päästessään ne voivat aiheuttaa suuren sisäisen säteilyannoksen. Radioaktiivinen jodi kerääntyy kilpirauhaseen, ja suuri I131-altistus nostaa erityisesti lapsilla kilpirauhassyövän riskiä. Altistusta voidaan pienentää merkittävästi joditableteilla, joiden sisältämä stabiili jodi kyllästää kilpirauhasen, ja pienentää radioaktiivisen isotoopin imeytymistä.

I131:n puoliintumisaika on vain 8 päivää, joten se häviää luonnosta muutamassa kuukaudessa. 30 vuoden puoliintumisajalla hajoava Cs137 jää sen sijaan ympäristöön pitkäksi aikaa, ja sen pitoisuudet pienenevät pääasiassa laimenemalla laskeuman sekoittuessa vesistöihin ja painuessa syvemmälle maaperään. Cesium ei tavallisesti aiheuta väestölle I131:n kaltaista välitöntä säteilyhaittaa, vaan vaikutus syntyy kumulatiivisesti vuosien saatossa. Ympäristön korkea Cs137-pitoisuus voi asettaa rajoituksia asutukselle, sekä maa- ja metsätaloudelle. Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuslaitosten lähialueet on tyhjennetty asukkaista pääasiassa juuri väestön Cs137-altistuksen rajoittamiseksi. Tšernobyl-laskeumasta peräisin olevaa cesiumia löytyy edelleen myös Suomen luonnosta.

UNSCEAR:in arvio Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä on 5300 PBq. Vastaavat arviot Fukushiman päästöstä vaihtelevat välillä 340-800 PBq. Luvuista on jätetty pois jalokaasut (krypton + xenon), jotka eivät muodosta radioaktiivista laskeumaa maan pinnalle. Yksittäisten radionuklidien arvioituja ilmapäästöjä on kerätty alla olevaan taulukkoon. Fukushiman päästölukuihin liittyy edelleen suuria epävarmuuksia, ja annetut arvot edustavat eri lähteistä poimittuja ääripäitä. Suluissa olevat luvut ovat isotooppien puoliintumisaikoja.

Radionuklidi Arvioitu ilmapäästö (PBq)
Tšernobyl 1986 Fukushima 2011
Xe133 (5.2 d) 6,500 6,000 – 12,000
Kr85 (10.7 a) 33 6.4 – 32.6
Te132 (3.3 d) 1,150 0.76 – 162
I131 (8.0 d) 1,760 100 – 500
Cs134 (2.1 a) 47 8.8 – 50
Cs137 (30 a) 85 6 – 20
Sr90 (29 a) 10 0.0033 – 0.14
Np239 (2,4 d) 400 0.076
Pu241 (14.4 a) n. 2.6 < 0.0012

Tšernobylissä radioaktiiviset päästöt olivat peräisin yhdestä reaktorista. Fukushimassa sydämensulamisonnettomuus tapahtui kolmella laitosyksiköllä, minkä perusteella voisi helposti olettaa myös päästön olevan kolminkertainen. Todellisuudessa päästön suuruuteen vaikutti kuitenkin enemmän se, että Tšernobylissä radioaktiivisten aineiden vapautuminen tapahtui täysin hallitsemattomasti. Suurempi kokonaisinventaari näkyy Fukushiman päästöluvuissa lähinnä jalokaasuissa, joiden vapautumiseen reaktorin suojarakennustoiminnolla oli vähiten vaikutusta. Xenonin ja kryptonin isotooppien ilmapäästöt vertautuvat, tai ylimpien arvioiden mukaan jopa ylittävät Tšernobylin päästölukemat.

Matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia aineita edustavat taulukossa telluurin (Te132), jodin (I131) ja cesiumin (Cs134 + Cs137) isotoopit. Esimerkiksi jodipäästön kertaluokkaero selittyy sillä, että Tšernobylissä lähes kaikki polttoaineesta vapautunut I131 päätyi suoraan ympäristöön, kun taas Fukushimassa yli 90% inventaarista jäi polttoaineeseen tai pidättyi suojarakennusten sisälle. Ero 3500°C asteen lämpötilassa kaasuuntuvan strontiumin (Sr90) päästössä on vieläkin suurempi. Sama pätee aktinideihin, joita edustavat taulukossa neptuniumin ja plutoniumin isotoopit Np239 ja Pu241. Tšernobylissä reaktorin räjähdys vapautti polttoaineesta paljon sellaisia radionuklideja, jotka Fukushimassa jäivät sulaneeseen sydänmassaan.iv

Tšernobylin onnettomuudessa noin neljännes kokonaispäästöstä oli peräisin reaktorin räjähdyksestä. Suurin osa radioaktiivisista aineista vapautui reaktorikuilussa syttyneen tulipalon tuottamien kuumien palokaasujen mukana räjähdystä seuranneen 10 vuorokauden kuluessa. Päästöpilvi suuntautui ensimmäisten päivien aikana länteen ja pohjoiseen, mutta tuuli ehti päästön aikana muuttaa suuntaansa useampaan kertaan. Kaukokulkeuma muodostui pääasiassa aerosoleista ja kaasumaisista fissiotuotteista, ja radioaktiivista laskeumaa päätyi maan pinnalle erityisesti sateen mukana. Kaasu- ja aerosolipäästöjen lisäksi savukaasujen mukana kulkeutui myös pieniä polttoaineesta irronneita ”kuumia hiukkasia”. Suurin osa hiukkasista putosi kymmenien kilometrien säteelle onnettomuuslaitoksesta, mutta kevyimmät niistä saattoivat kulkeutua satoja kilometrejä. Kuumia hiukkasia löydettiin onnettomuuden jälkeen myös Suomesta.v

Suurin väestökeskittymä laitoksen lähellä oli kolmen kilometrin päässä sijaitseva 45,000 asukkaan Pripjatin kaupunki. Reaktorin räjähdys tapahtui lauantaina aamuyöllä. Ensimmäinen päästöpilvi kulkeutui eteläpuolelta kaupungin ohi, mutta lauantai-iltaa kohden annosnopeudet alkoivat kohota. Seuraavana yönä säteilytaso oli noussut niin korkeaksi, että viranomaiset tekivät päätöksen Pripjatin evakuoimisesta. Operaatio aloitettiin sunnuntaiaamuna, ja iltapäivään mennessä kaupunki oli tyhjennetty asukkaista.vi Evakuointivyöhykettä laajennettiin pian kymmenen, ja sitten 30 kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta. Yhteensä noin 116,000 ihmistä joutui jättämään pysyvästi kotinsa. Myöhempinä vuosina pahimmin saastuneilta alueilta evakuoitiin vielä 210,000 ihmistä.

Pahin laskeuma päätyi 150,000 neliökilometrin alueelle Ukrainaan, Valko-Venäjälle ja Venäjän länsiosiin. Alueella asui noin 6 miljoonaa ihmistä. Suurin säteilyvaikutus oli radioaktiivisella jodilla. Laskeuma-alueella oli paljon maataloutta, jonka suojaaminen olisi voinut vähentää paikallisen väestön saamaa säteilyannosta merkittävästi. Puutteellisen ohjeistuksen ja tiedon kulkuun liittyneiden ongelmien vuoksi jodin saastuttamaa maitoa ja muita elintarvikkeita päätyi kuitenkin kulutukseen, mikä aiheutti suuria kilpirauhasannoksia erityisesti lapsille. Muualla Euroopassa laskeuma jäi pienemmäksi, ja saastuneiden elintarvikkeiden päätyminen markkinoille pystyttiin estämään. Lyhyen puoliintumisaikansa vuoksi Tšernobylin onnettomuuden aiheuttamasta I131-laskeumasta ei ole kattavia mittaustietoja. Pitkäikäisen Cs137:n pitoisuudet pahimmin saastuneella alueella on esitetty kuvassa 2.

Laskeuma

Kuva 2: Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttama Cs-137 -laskeuma pahimmin saastuneilla alueilla Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa. Mielivaltaisilta vaikuttavat aktiivisuusrajat perustuvat vanhoihin curie-yksiköihin (1 ci = 37 GBq). Lähde: UNSCEAR.

Suomessa ensimmäiset havainnot kohonneesta säteilytasosta tehtiin sunnuntaina 27.4, hieman yli vuorokausi reaktorin räjähdyksen jälkeen. Korkeimmillaan säteilytaso kohosi noin viiteen mikrosievertiin tunnissa (5 µSv/h = 0.005 mSv/h). Lukema vertautuu kosmisen säteilyn aiheuttamaan annosnopeuteen matkustajakoneen matkalentokorkeudessa. Kohonnut säteilytaso ei edellyttänyt välittömiä suojaustoimenpiteitä (esim. sisälle suojautuminen tai joditabletit), mutta jodialtistuksen pienentämiseksi viranomaiset antoivat suosituksia sadeveden käyttöön, vihannesten kevätistutukseen ja lehmien laiduntamiseen liittyen. Myös elintarvikkeiden säteilyvalvontaa tehostettiin. Suomessa Tšernobyl-laskeumaa tuli eniten Pirkanmaan, Hämeen ja Kymenlaakson seuduille. Suurimmat mitatut Cs137-pitoisuudet olivat n. 80 kBq/m2. Onnettomuudesta kuluneen kolmen vuosikymmenen aikana radioaktiivinen hajoaminen on pienentänyt Cs137-päästön aktiivisuutta noin puoleen. Ympäristöstä mitatut pitoisuudet ovat kuitenkin laskeneet nopeammin radioaktiivisten aineiden laimenemisen myötä.

Tšernobyl-laskeuma kattoi lopulta koko läntisen ja pohjoisen Euroopan. Laskeuma-alueella asui onnettomuuden aikaan yli 600 miljoonaa ihmistä. Näin suuren väestön saamaa säteilyaltistusta on vaikea esittää tiivistetysti, sillä jo pelkästään paikallinen vaihtelu erityisesti pahimmin saastuneilla alueilla oli huomattavan suurta. Eri väestöryhmien saamat keskimääräiset efektiiviset säteilyannokset antavat kuitenkin jonkinlaisen käsityksen suuruusluokista. UNSCEAR:in tilastojen mukaiset annokset on esitetty alla olevassa taulukossa. Efektiivisen kokokehoannoksen lisäksi väestötilastoihin on kerätty ekvivalenttiannoksia kehon eri osille. Erityisesti I131:n aiheuttama suuri kilpirauhasannos on yhdistetty kohonneeseen syöpäriskiin.

Väestöryhmä Väestön koko Keskim. annos
Pelastustyöntekijät ja raivaajat a 500,000 117 mSv
Evakuointivyöhykkeen asukkaat b 115,000 31 mSv
Väestö pahimmin saastuneella alueella c 6,400,000 9 mSv
Väestö muualla entisen NL:n alueella 98,000,000 1.3 mSv
Väestö muualla Euroopassa 500,000,000 0.3 mSv

a Pelastustyöntekijöiden ja raivaajien annoskertymä on laskettu vuosilta 1986-1990.
b Lähialueen asukkaiden saama säteilyannos ennen evakuointia.
c Pahimmin saastuneella alueella viitataan kuvassa 2 esitettyyn 150,000 km2 alueeseen Ukrainassa, Valko-Venäjällä ja Venäjän länsiosissa, missä Cs137-laskeuma ylitti 37 kBq/m2 (1 µci/m2).

Pahimmin altistuneen ryhmän muodostavat ne puoli miljoonaa työntekijää, jotka osallistuivat onnettomuutta seuranneiden kuukausien aikana pelastus- ja raivaustöihin voimalaitosalueella. Tämän ryhmän keskimääräiseksi säteilyannokseksi on arvioitu n. 120 mSv, mikä ylittää esimerkiksi säteilytyöntekijöille yleisesti käytetyn 100 mSv viiden vuoden annosrajan. Myös paikalliset asukkaat Pripjatissa ja Tšernobylin lähialueilla altistuivat suurelle päästölle heti onnettomuuden alkuvaiheessa. Evakuoidun väestön altistus jäi kuitenkin suhteellisen lyhytaikaiseksi.vii Yllä olevassa taulukossa evakuointivyöhykkeen ulkopuolella asuva väestö on jaettu kolmeen ryhmään, joiden annokset on laskettu 20 vuoden kertyminä.

Länsi-Eurooppaan verrattuna Tšernobyl-laskeumaa tuli Pohjoismaihin suhteellisen paljon. Säteilyturvakeskuksen arvion mukaan onnettomuus tulee aiheuttamaan suomalaisille keskimäärin noin 2 millisievertin ylimääräisen säteilyannoksen 50 vuoden aikajaksolla (huom. yllä olevan taulukon kolme viimeistä lukua ovat 20 vuoden kertymiä). Samalla aikavälillä säteilyannosta kertyy luonnollisesta taustasäteilystä ja muista lähteistä (esim. lääketieteelliset toimenpiteet) lähes satakertainen määrä (184 mSv). Ensimmäisten onnettomuuden jälkeisten vuosien osuus annoskertymästä on suhteellisen suuri (kts. kuva 3), joten esimerkiksi vuoden 1990 jälkeen syntyneillä lisäys on vastaavasti pienempi.

Annokset

Kuva 3: Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden radioaktiivisesta laskeumasta suomalaisille aiheutunut keskimääräinen efektiivinen säteilyannos vuosina 1986-2004. Nykyisin keskivertosuomalaisen vuosiannos on yhteensä n. 3.2 mSv, josta puolet on peräisin sisäilman radonista. Tšernobyl-laskeuman osuus on 0.02 mSv, eli alle prosentti kokonaisannoksesta. Lähde: STUK.

Fukushiman onnettomuuden tuntuvimmat ympäristövaikutukset rajoittuivat laitospaikan lähellä oleviin prefektuureihin Japanin itärannikolla. Suurimmat ilmapäästöt tapahtuivat kolmosyksikön paineenalennuksessa sunnuntaina 13.3., ja kakkosyksiköllä tiistaina 15.3., kun reaktorin suojarakennuksen tiiveys petti täysi korkean paineen alla. Pienempiä päästöpiikkejä aiheuttivat muiden laitosyksiköiden paineenalennukset, sekä ykkös- ja kolmosyksiköillä tapahtuneet vetyräjähdykset, joissa reaktorirakennusten yläosaan pikkuhiljaa kertyneet radioaktiiviset aineet vapautuivat kerralla ilmaan.

Tuuli- ja sääolosuhteet vaihtelivat ensimmäisten onnettomuusviikkojen aikana. Suurin osa radioaktiivisista aineista (~80%) kulkeutui tuulen mukana merelle, mutta laskeumaa päätyi paljon myös maan pinnalle. Pahiten saastunut alue muodostaa kapean kaistan, joka suuntautuu luoteeseen noin 40 kilometrin päähän onnettomuuslaitoksesta. Tällä alueella suurimmat Cs137-pitoisuudet vertautuvat Tšernobylin onnettomuuden pahimpiin laskeuma-alueisiin Ukrainan ja Valko-Venäjän rajalla (kts. kuva 2). Kun reaktoreiden ulkoinen vedensyöttö saatiin toimimaan, myös radioaktiivisten aineiden vapautuminen sulaneesta polttoaineesta loppui. Sydänsula jähmettyi suojarakennuksen betoniselle pohjalaatalle. Huhtikuun alussa ilmapäästöt olivat pudonneet noin tuhannesosaan, ja kesään mennessä laitosalueen ilmasta mitattiin enää häviävän pieniä Cs137-pitoisuuksia (alle 1 Bq/m3).

Ongelmat Fukushimassa eivät kuitenkaan loppuneet siihen, että ilmapäästöt saatiin hallintaan. Reaktoreihin jouduttiin syöttämään onnettomuuden alkuvaiheessa ulkoisia palovesilinjoja pitkin suuri määrä vettä, joka keräsi mukaansa radioaktiivisia aineita. Kontaminoitunutta vettä päätyi erityisesti kakkosyksiköllä suojarakennuksen vuotokohtien kautta reaktorirakennuksen kellaritiloihin, ja sitä kautta ympäristöön. Edellä esitetyn taulukon ilmapäästöjen lisäksi yhteensä 10-20 PBq radioaktiivista jodia ja 3-6 PBq cesiumia pääsi maalis-huhtikuun aikana vuotamaan Tyyneen valtamereen. Suurin päästö (4.7 PBq) havaittiin heti huhtikuun alussa, kun korkeasti radioaktiivista vettä kulkeutui betoniseen kaapelitunneliin syntyneen halkeaman kautta suoraan mereen. Kun pahimmat vuotokohdat saatiin korjattua ja suljettu jäähdytyskierto toimimaan, myös merivesipäästöt putosivat lähelle nollaa.

Väestönsuojelutoimenpiteet käynnistettiin Fukushimassa heti onnettomuuden alkuvaiheessa. Yli 50,000 ihmistä evakuoitiin 10 km säteeltä ennen ykkösyksikön paineenalennusta ja pian sen jälkeen tapahtunutta vetyräjähdystä, jotka olivat ensimmäiset merkittävät radioaktiiviset päästöt ympäristöön. Evakuointivyöhykettä laajennettiin myöhemmin vielä 20 kilometriin. Alueella asui yhteensä noin 78,000 ihmistä. Näiden toimenpiteiden ansiosta väestön säteilyaltistus jäi onnettomuuden alkuvaiheessa pieneksi.viii Enimmillään evakossa oli yli 160,000 ihmistä, joista suurin osa on sittemmin päässyt palaamaan kotiinsa.

UNSCEAR:in Fukushima-raportissa on esitetty yksityiskohtaisia arvioita eri väestöryhmien säteilyaltistuksesta ensimmäisen vuoden ajalta onnettomuuden jälkeen, sekä pitkän aikavälin annoskertymiä. Fukushiman prefektuurissa koko ikänsä asuvan japanilaisen arvioidaan saavan korkeintaan 18 millisievertin lisän efektiiviseen säteilyannokseensa. Muilla lähialueilla vastaavaksi annoskertymäksi on arvioitu korkeintaan 6.4 mSv, ja muualla japanissa 0.9 mSv. Luonnon taustasäteilystä ja lääketieteellisistä toimenpiteistä saatava keskimääräinen elinikäinen annoskertymä mitataan sadoissa millisieverteissä.

Vakavan reaktorionnettomuuden aiheuttamia päästöjä pystytään mittaamaan ympäristöön kulkeutuneesta radioaktiivisesta laskeumasta. Myös ihmisten säteilyaltistusta voidaan arvioida joko suorilla mittauksilla, tai laskennallisesti ulkoisen annosnopeuden ja elimistöön kertyneiden radioaktiivisten aineiden perusteella. Edellä esitetyt becquerelit ja sievertit eivät silti välttämättä anna minkäänlaista konkreettista käsitystä Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuuksien seurauksista. Syy tähän on ennen kaikkea arkielämän vertailukohdan puuttuminen. Säteily ei varsinaisesti ole kaukana arkitodellisuudesta, sillä esimerkiksi keskimääräisen suomalaisasunnon huoneilmassa tapahtuu joka sekunti yli 10,000 radioaktiivisen radon-222 -ytimen hajoamista, mutta vaikka säteilyaltistus on jatkuvaa, se tapahtuu täysin huomaamatta.

Konkreettisen suuruusluokkamittarin puuttumisesta huolimatta säteilyyn ja ydinvoimalaonnettomuuksiin liittyy kuitenkin vahvoja mielikuvia. Viikko Fukushiman onnettomuuden jälkeen suuren suomalaisen mediatalon kirjeenvaihtaja otsikoi Tokiosta: ”Täällä on todellakin pian kuoleman vaara.” Annosnopeus oli tässä vaiheessa mitattavasti koholla, mutta korkeintaan tasolla joka vastasi kosmisen taustasäteilyn voimakkuutta Tokion ja Helsingin välisellä reittilennolla. Uutinen kuvaa hyvin sitä, kuinka ilman vertailukohtaa muodostetut mielikuvat voivat viedä johtopäätöksiä pahasti harhaan.

Säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamien terveyshaittojen hahmottaminen on vieläkin haastavampaa, sillä kyse ei ole edes suoraan mitattavissa olevista vaikutuksista, vaan väestötasolla ilmenevistä poikkeamista esimerkiksi syöpätilastoissa. Säteilyn aiheuttaman mutaation kehittyminen syöväksi on satunnaisprosessi, jonka kulkua on altistumisen hetkellä täysin mahdoton ennustaa. Toisaalta syöpää esiintyy myös luonnostaan kaikissa väestö- ja ikäryhmissä, eikä yksittäinen syöpätapaus yleensä anna minkäänlaisia merkkejä siitä, mistä ensimmäisen syöpäsolun synnyttänyt mutaatio sai alkunsa.

Välittömän (deterministisen) terveyshaitan sijaan kyse onkin todennäköisyyksistä ja tilastollisista (stokastisista) riskeistä. Esimerkiksi kilpirauhaseen kertyvä radioaktiivinen jodi kasvattaa riskiä sairastua kilpirauhassyöpään. Tilastollinen yhteys jodialtistuksen ja syöpäriskin välillä on erityisen vahva lapsilla, joilla syöpätyyppi on muuten harvinainen. Toinen korkeaan säteilyannokseen liitetty syöpä on luuytimen valkosolutuotantoon vaikuttava leukemia, joka voi kehittyä jo suhteellisen nopeasti altistuksen jälkeen.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen Ukrainan ja Valko-Venäjän pahimmilla laskeuma-alueilla havaittiin lasten kilpirauhassyövässä selvä tilastollinen kohoaminen. Vuoteen 2016 mennessä syöpätapauksia on ilmennyt noin 10,000, mikä ylittää moninkertaisesti sairauden luonnollisen esiintyvyyden. Seurantatutkimuksissa on kiinnitetty erityistä huomiota myös laitosalueen pelastus- ja raivaustöihin osallistuneisiin ihmisiin, joiden terveydentilaa on seurattu jo kolmen vuosikymmenen ajan. Pahimmin altistuneen n. 100,000 työntekijän joukossa on tänä aikana ilmennyt joitakin kymmeniä ylimääräisiä leukemiatapauksia. Tilastollisen yhteyden merkittävyydestä ei kuitenkaan vallitse täysin yksimielistä käsitystä, sillä lisäys ylittää vain niukasti leukemiatapausten luonnollisen satunnaisvaihtelun.

Muiden väestöryhmien syöpätilastoissa Tšernobylin onnettomuus ei ole näkynyt.ix Vaikka tulos saattaa mielikuvatasolla vaikuttaa väärältä, se on itse asiassa varsin hyvin linjassa sen kanssa, mitä säteilyn karsinogeenisistä vaikutuksista tiedetään. Epidemiologisissa tutkimuksissa kohonnut syöpäriski on pystytty yhdistämään lyhyellä aikavälillä saatuun yli 100 mSv kokokehoannokseen. Laskeuma-alueen väestön säteilyaltistus jäi selvästi tämän rajan alapuolelle (kts. edellä esitetty taulukko). Se, ettei yhteyttä ole havaittu, ei kuitenkaan tarkoita etteikö sellaista voisi olla. Tilastollisen korrelaation määrittäminen ei vain yksinkertaisesti ole mahdollista, jos vaikutus hukkuu täysin aineiston satunnaiskohinaan.

Myöskään Fukushiman onnettomuus ei ole aiheuttanut havaittavia poikkeamia syöpätilastoissa, edes säteilylle herkimpien syöpätyyppien osalta. Onnettomuudesta on kulunut vasta suhteellisen vähän aikaa, mutta väestön saaman säteilyaltistuksen perusteella tilastoissa näkyviä vaikutuksia ei ole odotettavissa myöskään tulevaisuudessa. Varhaisessa vaiheessa toteutettu evakuointi rajoitti väestön säteilyaltistusta merkittävästi, ja Tšernobylistä poiketen myös lähes kaikkien pelastustöihin osallistuneiden työntekijöiden annokset jäivät 100 mSv:n riskirajan alapuolelle.

Vaikka yhteyttä väestön säteilyaltistuksen ja kohonneen syöpäriskin välillä ei ole pystytty tilastollisesti osoittamaan, ydinvoimalaonnettomuuksien syöpävaikutuksista on esitetty paljon laskennallisia arvioita. Kaikkien tällaisten arvioiden taustalla on oletus säteilyannoksen ja syöpäriskin välisestä korrelaatiosta, joka perustuu yleensä suurten (paljon yli 100 mSv) annosten ja lineaarisen ekstrapolaation pohjalta laadittuun nk. LNT-malliin (kts. aikaisempi blogikirjoitus). Laskennallisilla ennusteilla voidaan yrittää arvioida esimerkiksi sitä syöpävaikutusta, joka tilastoissa hukkuu satunnaiseen kohinaan. LNT-mallin tulokset eivät kuitenkaan ole yksikäsitteisiä, sillä ennustettujen syöpätapausten lukumäärä riippuu myös siitä, miten tarkasteltavan väestön koko on valittu, eli miten pieniin annoksiin säteilyaltistuksen ja syöpäriskin välinen korrelaatio halutaan ulottaa.

LNT-mallin ongelmat liittyvät pitkälti sen antamien tulosten tulkintaan. Tämä pätee erityisesti pieniin ja pitkällä aikavälillä saatuihin säteilyannoksiin, joiden osalta mallin tiedetään suurella todennäköisyydellä yliarvioivan syöpäriskiä. Esimerkiksi kansainvälinen säteilysuojelutoimikunta ICRP (International Commission on Radiation Protection) soveltaa LNT-mallia antaessaan suosituksia väestönsuojelutoimenpiteille ja säteilytyöntekijöiden annosrajoille.x Todellisen riskin yliarviointi ei tällöin ole ongelma, sillä ennalta ehkäisevissä toimissa varovaisuusperiaatteen noudattaminen on varsin perusteltua. Suuruusluokkaa kuvaavien ennusteiden sijaan ekstrapoloimalla saatujen tulosten yhteydessä olisi kuitenkin syytä puhua yläraja-arvioista. Mitä pienempiin annoksiin ekstrapolaatio ulotetaan, sitä suuremmaksi kasvaa myös mallin konservatiivisuus ja tulosten varmuusmarginaali.

Jo altistuneen väestön syöpäriskin arviointiin pessimistisiä tuloksia tuottava malli soveltuu sen sijaan huonosti. Kuten aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, asiantuntijapiireissä on viime vuosina alettu kallistumaan yhä enemmän sille kannalle, että säteilyn suurelle väestölle aiheuttamista terveysvaikutuksista ei pitäisi esittää minkäänlaisia laskennallisia arvioita silloin, kun altistus on ollut samaa suuruusluokkaa luonnollisen taustasäteilyn kanssa (kts. esim. Health Physics Societyn julkilausuma vuodelta 2016). Tämä tarkoittaa käytännössä myös kaikkia niitä ennusteita, jotka koskevat Tšernobylin ja Fukushiman laskeuma-alueilla asuvaa väestöä.

Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus jätti jälkeensä 2,600 neliökilometrin alueen, jonka sisällä säteilytaso on paikoitellen edelleen selvästi koholla. Alueen koko vastaan suunnilleen pääkaupunkiseudun ja ympäryskuntien yhteenlaskettua pinta-alaa. Evakuointivyöhyke jätettiin käytännössä täysin heitteille, ja vaikka alue muuttuisi muutaman Cs137:n puoliintumisajan kuluessa uudelleen asumiskelpoiseksi, vuosikymmenien saatossa rapistuneet rakennukset, tiet ja muu infrastruktuuri jouduttaisiin rakentamaan kokonaan uusiksi. Todennäköisempää on, että vuoteen 1986 pysähtynyt Pripjatin kaupunki jää lähialueineen pysyvästi lähinnä turistinähtävyydeksi.

Fukushiman osalta Japanin hallinnon suunnitelma on puhdistaa ja palauttaa alue uudelleen käyttöön. Alkuperäisen evakuointivyöhykkeen sisällä olevia kyliä on jo vapautettu evakuointimääräyksistä, ja esimerkiksi laskeuma-alueella sijaitsevassa Iitaten kylässä aloitettiin riisinviljely uudestaan kuuden vuoden tauon jälkeen toukokuussa 2017. Säteilytaso on monissa paikoissa Japanin luonnollisen säteilytaustan yläpuolella, mutta vastaavia annosnopeuksia on mitattu Suomesta korkean radonpitoisuuden alueilta. Pois muuttaneet asukkaat eivät kuitenkaan ole olleet tyytyväisiä viranomaisten tapaan hoitaa asioita. Monet menettivät onnettomuudessa omaisuutensa ja elinkeinonsa, ja odottavat edelleen korvauksia kärsimistään vahingoista. Asukkaat eivät myöskään täysin luota hallinnon lupauksiin kotiinpaluun turvallisuudesta. Alueen jälleenrakennusta tuskin saadaan toteutettua halutulla tavalla ennen kuin luottamus päättäjiin on saatu palautettua.


i) Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuteen liittyvät luvut ja tilastot ovat pääosin peräisin UNSCEAR:in vuoden 2008 raportista, ja Fukushiman luvut UNSCEAR:in raportista vuodelta 2013.

ii) Suojarakennuksen tarkoitus on estää kokonaan reaktorin primääripiiristä purkautuvien radioaktiivisten aineiden vapautuminen ympäristöön. Fukushiman laitokset edustivat tältä osin 1960-luvun turvallisuussuunnittelua, jossa oli varauduttu huonosti suureen sydänvaurioon ja pitkittyneeseen paine- ja lämpökuormaan. Suomen vanhoilla ydinvoimalaitoksilla vakavien reaktorionnettomuuksien hallintaan on tehty jälkikäteen useita parannuksia, ja uuden sukupolven laitoksissa sydämen sulaminen on otettu lähtökohtaisesti huomioon jo suunnitteluvaiheessa. Esimerkiksi Olkiluodon EPR-laitoksessa reaktorin alapuolelle on asennettu erityinen ”sydänsieppari”, jonka tehtävä on ottaa vastaan ja jäähdyttää sulanut polttoaine reaktoripaineastian puhkeamisen jälkeen.

iii) Aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, että säteilyn välittömiä terveysvaikutuksia aiheuttavaa absorboitunutta annosta mitataan gray-yksiköissä (Gy). Tämän rinnalla käytetään tavallisesti myös sievert-yksikköä, joka tosin täsmällisesti tulkittuna mittaa säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamaan terveysriskiin liittyvää efektiivistä annosta. Monissa yhteyksissä absorboitunut ja efektiivinen annos ovat sama luku, jonka yksikkönä käytetään yksinkertaisuuden vuoksi sievertiä. Samaa käytäntöä on noudatettu myös tässä blogikirjoituksessa. Kerrannaisyksikkö millisievert (mSv) tarkoittaa vastaavasti sievertin tuhannes-, ja mikrosievert (μSv) miljoonasosaa. Säteilysairauden oireita voi alkaa esiintyä kun lyhyellä aikavälillä saatu kokokehoannos on 1000 mSv:n suuruusluokkaa. Hengenvaaralliseksi luokiteltava annos on n. 5000 mSv, ja yli 10,000 mSv:n annos johtaa hoidosta riippumatta lähes varmasti kuolemaan.

iv) Np239 on voimakas beta- ja gammasäteilyn lähde. Se, että kaasumaisten päästöjen lisäksi myös neptuniumia ja muita vaikeasti vapautuvia lyhytikäisiä radionuklideja sisältäviä polttoainehiukkasia pääsi leviämään räjähdyksen vaikutuksesta laitosalueelle, saattoi olla merkittävä syy Tšernobylin onnettomuuden pelastustöihin osallistuneiden työntekijöiden suurille säteilyannoksille.

v) Aerosolit ja kuumat hiukkaset eroavat toisistaan hiukkaskoon ja syntytavan osalta. Aerosoleja muodostuu kaasumaisten radioaktiivisten aineiden jäähtyessä ja tiivistyessä yhteen mikroskooppisen pieniksi hiukkasiksi (kokoluokka kymmeniä tai satoja nanometrejä). Päästö koostuu erityisesti matalassa lämpötilassa kaasuuntuvista fissiotuotteista, kuten jodista, cesiumista ja telluurista. Kuumilla hiukkasilla puolestaan viitataan ydinpolttoaineesta mekaanisesti irronneisiin hiukkasiin, jotka ovat halkaisijaltaan vähintään kymmeniä mikrometrejä. Hiukkasten koostumus vastaa säteilytettyä polttoainetta, ja ne voivat sisältää myös sellaisia aineita, jotka eivät korkean kaasuuntumislämpötilansa vuoksi muodosta helposti aerosoleja (esim. strontium, neptunium ja plutonium). Yksittäisen kuuman hiukkasen aktiivisuus voi olla hyvin suuri. Tšernobylissä laitoksen lähiympäristöstä löydettiin onnettomuuden jälkeen hiukkasia, joilla oli aktiivisuutta miljoonia becquerelejä. Suomeen saakka kulkeutuneet hiukkaset olivat selvästi pienempiä, ja niiden aktiivisuus mitattiin tavallisesti sadoissa becquereleissä.

vi) Neuvostoviranomaisten IAEA:lle vuonna 1986 toimittamassa INSAG-1 -raportissa kerrottiin aluksi, että Pripjatin kaupungin asukkaat määrättiin suojautumaan sisätiloihin heti reaktorin räjähdyksen jälkeen, ja koulut ja päiväkodit pidettiin seuraavana päivänä suljettuna. Myöhemmin on kuitenkin selvinnyt, että mittaviin väestönsuojelutoimenpiteisiin ei todennäköisesti ryhdytty ennen päätöstä kaupungin evakuoimisesta. Raportissa esitetyt tahallisesti vääristellyt tiedot tekivät suurta vahinkoa onnettomuustutkinnalle, ja tiedotuksessa ja väestönsuojelutoimissa tehtyjen virheiden peittely söi myös kansainvälisten riippumattomien selvitysten uskottavuutta. Samassa INSAG-1 -raportissa onnettomuuden syy yritettiin vierittää laitoksen käyttöhenkilökunnan niskoille, ja myytti syyllisyydestä elää edelleen vahvana.

vii) Monissa medialähteissä on kerrottu, että Pripjatin asukkaat kärsivät pian reaktorin räjähdyksen jälkeen säteilysairauden oireista, kuten pahoinvoinnista ja palovammoista iholla. UNSCEAR:in raporteissa ei kuitenkaan ole mainintaa siitä, että väestön saamat säteilyannokset olisivat aiheuttaneet kuolemia tai välittömiä terveysvaikutuksia. Kun päätös Pripjatin evakuoimisesta tehtiin, ulkoisen säteilyn annosnopeus kaupungissa oli kohonnut noin sataan mikrosievertiin tunnissa, mikä on esimerkiksi suomalaisissa valmiusohjeissa sisälle suojautumisen raja. Säteilysairaus edellyttää kuitenkin lähes tappavan korkeaa kerta-annosta (> 1 Sv), eli vuorokauden aikaskaalassa altistumista satoja kertoja korkeammalle säteilytasolle. Uutisten taustalla saattaa olla se, että kaupungin sairaalaan tuotiin seuraavan päivän aikana hoitoon pelastustöihin osallistuneita palomiehiä ja työntekijöitä, jotka kärsivät vakavista säteilysairauden oireista. Tiedon kulkua rajoitettiin, eikä sairaalan henkilökunnalla välttämättä ollut tarkkaa käsitystä siitä, missä potilaat olivat altistuksensa saaneet.

viii) Fukushiman onnettomuutta seuranneilla evakuointitoimenpiteillä väestön säteilyaltistus saatiin pienennettyä noin kymmenesosaan. Viranomaisten toimintaa on kuitenkin myös arvosteltu, sillä evakuoinneissa kuoli yli 50 henkeä. Suurin osa kuolleista oli huonokuntoisia vanhuksia, joille ei puutteellisissa olosuhteissa kyetty tarjoamaan asianmukaista hoitoa. Tässä yhteydessä on kuitenkin syytä muistaa, että päätös evakuoinnista tehtiin valitsevan tilannekuvan mukaan, ja taustalla oli myös varautuminen vielä suurempaan radioaktiiviseen päästöön.

ix) UNSCEAR:in vuoden 2008 Tšernobyl-raporttiin on koottu yhteenvetoa eri väestöryhmille tehdyistä syöpätutkimuksista. Vaikka yksittäisissä tutkimuksissa on havaittu tilastollisia poikkeamia, ne ovat pääsääntöisesti jääneet luonnollisen satunnaisvaihtelun alapuolelle. Edellä mainittujen syöpätyyppien lisäksi korkea säteilyannos voidaan yhdistää kaihiin (silmän mykiön samentuminen), sekä sydän- ja aivoverenkierron sairauksiin, joiden esiintyvyys on pelastustyöntekijöiden joukossa koholla.

x) ICRP käyttää säteilysuojelutarkoituksissa pienille annosnopeuksille nimellistä todennäköisyyskerrointa 5%/Sv, mikä tarkoittaa sitä, että esimerkiksi 100 mSv:n efektiivisen annoksen saaneella ihmisellä on laskennallisesti 0.5% todennäköisyys sairastua säteilystä aiheutuvaan kuolemaan johtavaan syöpään elämänsä aikana. Keskivertosuomalaisen Tšernobyl-laskeumasta saama 2 mSv:n elinikäinen annoskertymä antaa laskennalliseksi syöpäkuoleman riskiksi vastaavasti 0.01%. Keskimäärin syöpään sairastuu elämänsä aikana noin kolmannes ihmisistä, joten kokonaisriskiin suhteutettuna lisäys on varsin pieni. Vertailun vuoksi esimerkiksi päivittäisen tupakoinnin aiheuttama lisäys keuhkosyöpäriskiin voi olla suuruusluokkaa 2000%.

Ilmastonmuutos ja ydinvoima

Jaakko Leppänen – 5.10.2018

Helsingin Sanomat uutisoi syyskuussa kyselytutkimuksesta, jonka mukaan suomalaisista joka kymmenes, ja nuorista aikuisista lähes joka viides uskoo ydinvoiman olevan eniten hiilidioksidipäästöjä aiheuttava energiamuoto. Tulos ei oikeastaan yllätä. Energiasta ja ilmastonmuutoksesta puhutaan paljon, mutta aiheet ovat keskittyneet tuulivoiman ja muun uusiutuvan energiantuotannon ympärille. Kuumia keskusteluaiheita ovat myös energiajärjestelmän tehostaminen, tulevaisuuden älykkäät sähköverkot, sekä tuotantoylijäämän tasaamiseen tähtäävän akkuteknologian kehitys. Ydinvoima sen sijaan nostetaan ilmastoyhteyksissä keskusteluun harvoin. Ei siis liene lainkaan yllättävää, että suurelle yleisölle piirtyy ydinvoimasta mielikuva vahingollisena, tai vähintään marginaalisena keinona ilmastonmuutoksen torjunnassa.

Miten paljon ydinvoima sitten lopulta vaikuttaa Suomen kasvihuonekaasupäästöihin, ja mikä on sen tulevaisuuden rooli niiden vähentämisessä? Tuuli- ja aurinkoenergian tapaan perinteinen ydinvoimalaitos tuottaa energiaa sähkön muodossa, joten ensimmäinen kysymys on: mitkä ovat eri energialähteiden osuudet sähköntuotannosta ja sen aiheuttamista ilmastopäästöistä? Se, miten paljon sähköntuotanto ylipäänsä aiheuttaa päästöjä, ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen kysymys. Huomattava osa sähköstä syntyy yhteistuotantona teollisuuden prosessilämmön ja kaukolämmöntuotannon yhteydessä, joten myöskään kaikkia päästöjä ei ole syytä laskea yksin sähköntuotannon piikkiin. Toinen epävarmuutta aiheuttava tekijä on bioenergian suuri osuus, joka kumpuaa siitä, että Suomessa on paljon energiaomavaraista metsäteollisuutta. Prosessin sivutuotteena syntyvän biomassan polttaminen päästää ilmaan kasvihuonekaasuja, mutta hiilidioksidia sitoutuu samalla kasvavaan metsään. Bioenergian nettopäästöt riippuvat siitä, miten nopeasti tämä kierto tapahtuu. Merkittävä osa Suomessa käytettävästä sähköstä tuodaan ulkomailta, joten myös kotimaisen tuotannon vaihtelu on vuositasolla suurta.

Lähdin etsimään vastausta edellä esitettyyn kysymykseen käyttäen aineistona pääasiassa Tilastokeskuksen vuoden 2017 pikaennakkotietoja.i Laskennassa on tehty tiettyjä yksinkertaistuksia, esimerkiksi bioenergia on oletettu tilastoissa hiilidioksidineutraaliksi, ja turpeen osuuden olen itse lisännyt fossiilisiin polttoaineisiin. Nettopäästöihin pitäisi todellisuudessa laskea mukaan myös ns. LULUCF-sektori, joka kuvaa maankäytön ja metsätalouden sitomaa hiilidioksidia. Vaikka lopputulos ei tältä osin vastaa todellista nettovaikutusta, eri energialähteiden aiheuttamat päästöt asettuvat oikeaan mittakaavaan suhteessa toisiinsa.

Suomen kasvihuonekaasupäästöt voidaan jakaa niiden alkuperää kuvaaviin sektoreihin, joiden osuudet kokonaispäästöstä on esitetty kuvassa 1. Tilastokeskuksen käyttämässä jaossa merkittävimmän päästölähteen muodostaa energiasektori, joka kattaa fossiilisten polttoaineiden käytön sähkön ja lämmön tuotannossa, sekä liikenteen polttoaineina. Teollisuuden energiankäyttö lasketaan mukaan energiasektoriin, mutta teollisuusprosesseissa kuten teräksen ja sementin valmistuksessa vapautuvat suorat päästöt muodostavat kuvassa 1 oman sektorinsa. Maataloudessa päästöjä aiheuttaa erityisesti kotieläinten ruuansulatuksessa sekä lannan käsittelyssä vapautuva metaani, joka on hiilidioksidin tapaan kasvihuonekaasu. Jäljelle jäävä alle neljän prosentin osuus muodostuu jätteiden käsittelystä, sekä pienistä yksittäisistä lähteistä.

Kuva 1: Suomen kasvihuonekaasupäästöjen jakautuminen sektoreittain vuonna 2017 (kokonaispäästöt 56.1 Mt CO2-ekv.).

Energiasektorin päästöt voidaan edelleen jakaa pienempiin osiin kuvan 2 mukaisesti. Piirakan lohkoja vastaavat osuudet on havainnollisuuden vuoksi suhteutettu edellisen kuvan tapaan vuoden 2017 kokonaispäästöihin. Tilastokeskuksen käyttämässä jaottelussa energiateollisuudella tarkoitetaan sähkön- ja kaukolämmöntuotantoa, sekä öljynjalostusta. Liikenteen osuus kattaa Suomessa käytettyjen liikennepolttoaineiden päästöt, joista suurin osa aiheutuu maantieliikenteestä. Teollisuuden päästöillä tarkoitetaan tässä yhteydessä prosessilämmöntuotantoa esimerkiksi metalli- ja metsäteollisuudessa. Osuuteen on laskettu mukaan myös rakentamisesta aiheutuvat päästöt. Loppuosuus pitää sisällään esimerkiksi rakennusten lämmityksen (pois lukien energiateollisuuteen laskettu kaukolämpö), sekä työkoneiden polttoaineista aiheutuvat päästöt.

Kuva 2: Energiasektorin kasvihuonekaasupäästöjen osuus kokonaispäästöistä vuonna 2017 (yhteensä 41.6 Mt CO2-ekv.).

Energiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöt on jaettu edelleen sähköntuotantoa ja muita päästölähteitä vastaaviin sektoreihin kuvassa 3. Vuonna 2017 sähköntuotannon päästöt olivat 6.2 Mt CO2-ekv., eli vain 11% kaikkien sektorien yhteenlasketuista päästöistä.ii Pieneen osuuteen on kaksi syytä. Ensinnäkin, vain suhteellisen pieni osuus kaikesta tuotetusta energiasta kulutetaan sähkön muodossa. Toinen syy on se, että sähkön tuotantorakenne on Suomessa varsin puhdas.

Kuva 3: Energiateollisuuden kasvihuonekaasupäästöjen osuus kokonaispäästöistä vuonna 2017 (yhteensä 17.9 Mt CO2-ekv.).

Vuoden 2017 sähköntuotantopaletti on esitetty kuvassa 4. Sähköä tuotettiin yhteensä 65 TWh, minkä lisäksi 20.5 TWh tuotiin ulkomailta. Suurimman yksittäisen energialähteen muodostaa ydinvoima, jolla katettiin kolmannes kotimaisesta sähköntuotannosta. Muita vähähiilisiä tuotantomuotoja ovat vesivoima (22.5%), biomassa (16.8%) ja tuulivoima (7.4%). Fossiilisten polttoaineiden osuus jää hieman alle viidennekseen, eli n. 12 terawattituntiin. Määrä vastaa suuruusluokaltaan Olkiluodon kolmosreaktorin vuosituotantoa.

Kuva 4: Kotimaisen sähköntuotannon jakautuminen energialähteittäin vuonna 2017 (yhteensä 65.0 TWh). Osuudet eivät pidä sisällään jätteiden polttoa (n. 1.4%) ja aurinkoenergiaa (< 0.1%).

Ydin-, vesi- ja tuulivoima eivät tuota lainkaan savupiippupäästöjä, ja bioenergian osalta päästövaikutusta neutraloi polttoaineen jatkuva uusiutuminen. Tuotantolaitosten ja niihin liittyvän infrastruktuurin rakentaminen, käyttö ja ylläpito kuluttavat kuitenkin energiaa ja fossiilisia polttoaineita. Energialähteiden hiilijalanjälkeä arvioitaessa onkin tarkasteltava tuotannon koko elinkaarta, joka ydinvoiman tapauksessa kattaa myös uraanin louhinnan ja väkevöinnin, polttoaineen valmistuksen, sekä ydinjätteen loppusijoituksen. Arviot elinkaaren yli lasketuista päästöistä vaihtelevat, mutta suurta eroa ydinvoiman ja uusiutuvien energiamuotojen välillä ei tässä suhteessa ole. Tämä selviää esimerkiksi Kansainvälisen ilmastopaneelin (IPCC) aineistosta. Käytännössä ykköspaikka riippuu vertailuanalyysien lähtöoletuksista, mikä kertoo pikemminkin siitä, että laskennassa käytettyjen mallien epävarmuudet ovat suurempia kuin todelliset erot tuotantomuotojen välillä.iii

Energiakeskustelussa uusiutuvat ja ydinvoima esitetään kuitenkin usein kilpailevina, tai jopa toisensa pois sulkevina vaihtoehtoina. Ei ole lainkaan poikkeuksellista, että esimerkiksi tuulivoimalla tuotettava sähkö liitetään vertailtavissa energiaskenaarioissa välillisiin päästövähennyskeinoihin, kuten autokannan sähköistymiseen tai lämpöpumppuihin, huomioimatta kuitenkaan sitä, että sama hyöty on saavutettavissa myös ydinvoimalla. Vastakkainasettelun seuraus on se, että pääasia, eli vertailu fossiilisiin polttoaineisiin jää tällöin vastaavasti vähemmälle huomiolle. Esimerkiksi maakaasulla tuotetun sähkön ominaispäästöt ovat suuruusluokkaa 50-kertaiset ydinvoimaan ja uusiutuviin verrattuna. Ero hiilivoimaan on vieläkin suurempi.iv

Merkittävin näköpiirissä oleva muutos Suomen sähköntuotantorakenteessa on Olkiluoto 3 -laitoksen käyttöönotto, jonka on määrä tapahtua loppuvuodesta 2019.v Laitoksen nimellisteho on 1600 megawattia. Reaktorin käynnistyminen kasvattaa Suomen ydinvoimalaitosten yhteenlaskettua kapasiteettia yli puolella, mikä nostaa ydinsähkön vuosituotannon yli 30 terawattituntiin. Fennovoiman ydinvoimalahankkeen tarkka aikataulu on edelleen avoin, mutta suunnitelmien mukaan laitos olisi määrä kytkeä verkkoon 2020-luvun aikana. Reaktorin teho on 1200 MW. Molempien uusien laitosten suunniteltu käyttöikä on 60 vuotta. Valtioneuvosto on myöntänyt Olkiluodon ykkös- ja kakkosreaktoreille käyttöluvat vuoden 2038 loppuun saakka. Loviisan reaktoreiden nykyiset luvat umpeutuvat vuosina 2027 ja 2030, mutta on mahdollista että Fortum hakee laitostensa käytölle vielä jatkoaikaa. Ydinenergian osuus sähköntuotannosta tulee siis lähivuosina kasvamaan, ja säilymään korkeana pitkälle tulevaisuuteen. Myös tuulivoiman osuus on kasvanut viime vuosina nopeasti. Vuonna 2017 tuulivoimalla tuotettiin sähköä 4.8 TWh, mikä oli lähes 60% edellisvuotta enemmän.

Suomessa ilmastotavoitteet on sidottu kasvihuonekaasupäästöihin, mutta monissa maissa kehitystä mitataan pikemminkin uusiutuvien energiantuotantomuotojen suhteellisella osuudella. Tähän lähestymistapaan liittyy tiettyjä ongelmia, sillä tuuli- tai aurinkoenergian osuuden kasvattaminen ei automaattisesti takaa kasvihuonekaasupäästöjen vähenemistä.

Kuvassa 4 Suomen sähköntuotantopaletin päästövähennyspotentiaalia edustaa fossiilisten polttoaineiden osuus, joka kattaa nykyisin hieman alle 20% tuotannosta. TVO:n ja Fennovoiman uudet laitoshankkeet tulevat aikanaan nostamaan ydinsähkön osuuden yli 50%:iin, jolloin muiden tuotantomuotojen suhteelliset osuudet vastaavasti pienenevät. Jos ilmastopoliittiseksi tavoitteeksi asetetaan absoluuttisten päästövähennysten sijaan esimerkiksi tuulivoiman osuuden nostaminen tiettyyn prosenttilukuun, vaarana on se, että tuon tavoitteen saavuttaminen edellyttää fossiilisten polttoaineiden käytön lisäksi myös jo olemassa olevan ydin- tai vesivoimakapasiteetin tai bioenergiantuotannon leikkaamista. Tällaisessa tilanteessa vähäpäästöiset energiamuodot alkavat kilpailla keskenään, jolloin nettohyöty jää nollaan.

Hyvä esimerkki ilmastonmuutoksen torjuntaan tähtäävän politiikan epäonnistumisesta on Saksa, jossa päästövähennysten sijaan edistystä on mitattu juuri uusiutuvan energiantuotannon osuuden kasvulla. Tuuli- ja aurinkoenergiaa voimakkaasti suosiva politiikka yhdistettynä ydinvoiman alasajoon on luonut monimutkaisen tukijärjestelmän, joka on osoittautunut kuluttajille äärimmäisen kalliiksi, ja sekoittanut maan sähkömarkkinat. Vaikka tuuli- ja aurinkoenergiaa on rakennettu ennennäkemättömään tahtiin, fossiilisilla polttoaineilla katetaan edelleen puolet Saksan energiantuotannosta. Myöskään kasvihuonekaasupäästöt eivät ole käytännössä laskeneet vuodesta 2010, jolloin maan hallitus julkaisi energiakäänteenä (saks. ”Energiewende”) tunnetun ilmasto-ohjelmansa. Myös vuodelle 2020 asetetusta 40% päästövähennystavoitteesta on sittemmin jouduttu luopumaan.

Saksan ilmastopolitiikan epäonnistumisen syy on pohjimmiltaan juuri se, että kasvanut tuuli- ja aurinkoenergiakapasiteetti ei ole korvannut fossiilista energiantuotantoa, vaan poliittisella päätöksellä alas ajettavaa ydinvoimaa. Saksan esimerkistä herääkin kysymys: jos ilmasto-ohjelma tähtää CO2-päästöjen vähentämiseen, niin miksi menestyksen mittariksi pitäisi ylipäänsä valita jotain muuta kuin se, miten paljon päästöt ovat vähentyneet?

Ydin- ja tuulivoiman välille lyödyn kuvitteellisen kiilan ja prosenttiosuuksiin sidottujen tuotantotavoitteiden lisäksi kolmas ongelma, johon energiapoliittisessa keskustelussa olisi syytä kiinnittää erityistä huomiota, liittyy sähkön roolin ylikorostumiseen. Kuvan 3 mukaan sähköntuotanto kattaa vain reilun kymmenyksen Suomen kasvihuonekaasupäästöistä, mikä on samaa suuruusluokkaa esimerkiksi maatalouden päästöjen kanssa. Tämä tarkoittaa samalla sitä, että kaikki ne toimenpiteet joilla sähkön tuotantorakennetta pyritään edelleen puhdistamaan tai loppukäyttöä tehostamaan, kohdistuvat lopulta varsin pieneen osaan kokonaisuudesta. Suhteelliset tuotanto- ja päästöosuudet tulevat varmasti vielä muuttumaan esimerkiksi sähköautojen yleistymisen myötä, mutta edellä esitetyt luvut näyttävät hyvin sen, että jossain vaiheessa vastaan tulee raja, jota ei ole edes teoriassa mahdollista ylittää. Tuuli- ja aurinkoenergian lisärakentamisella, älykkäillä sähköverkoilla tai varastointiteknologian kehittämisellä voidaan saada lisähyötyä ainoastaan niin kauan, kuin on jotain mistä vähentää. Sama pätee luonnollisesti ydinvoiman lisärakentamiseen, silloin kun kyse on yksinomaan sähköntuotannosta.

Sähköntuotannon puhdistaminen ja uudet jakeluverkkoteknologiat vievät siis kehitystä oikeaan suuntaan, mutta ylivoimaisesti suurin päästövähennyspotentiaali löytyy kaukolämmöntuotannosta, raskaasta teollisuudesta ja liikenteestä. Lämmön muodossa käytettävän energian puhdistamista koskevat suunnitelmat ovat toistaiseksi keskittyneet pääasiassa biopolttoaineilla tuotettavaan kaukolämpöön. Ratkaisu on teknisesti siinä mielessä hyvä, että hiilen korvaaminen esimerkiksi hakkuujätteillä ei edellytä uusien lämpövoimaloiden rakentamista, tai välttämättä edes suuria muutoksia voimalaitosprosessiin.

Tällaisiin suunnitelmiin liittyvissä keskusteluissa otetaan kuitenkin turhan harvoin kantaa uuteen teknologiaan liittyviin epävarmuuksiin, erityisesti silloin kun ratkaisuksi tarjotaan yhtä ainoaa vaihtoehtoa. Kaikkien tulevaisuuden energiaratkaisujen suunnittelu perustuu laskennallisiin malleihin ja skenaarioihin. Näihin malleihin puolestaan liittyy parametreja ja oletuksia, joiden arvoja ei tunneta sataprosenttisen tarkasti. Insinööritieteissä vastaavia epävarmuuksia pyritään huomioimaan esimerkiksi erinäisillä herkkyystarkasteluilla, eli lopputulosta arvioidaan myös siitä näkökulmasta, että yksi tai useampi lähtöparametreista onkin valittu väärin. Samaa periaatetta olisi hyvä soveltaa myös tulevaisuusskenaarioihin, varsinkin silloin kun lopputulos riippuu kriittisellä tavalla siitä, toteutuuko joku mallissa tehty oletus vai ei. Jos skenaariossa esimerkiksi luotetaan siihen, että teknologian kehitys ratkaisee aikanaan jonkun lopputuloksen kannalta kriittisen ongelman, niin johtopäätöksissä pitäisi pohtia myös vaihtoehtoa jossa tällaista ratkaisua ei tulekaan.

Biopolttoaineiden osalta epävarmuudet liittyvät ennen kaikkea teknologian skaalautuvuuteen. Suomen olemassa oleva bioenergiantuotanto hyödyntää pääasiassa metsäteollisuuden jätevirtoja, ja teknologian siirtäminen kaupungin lämpölaitokselle edellyttää polttoaineen osalta aivan uudenlaista hankintaketjua. Puupohjaisten polttoaineiden nettopäästö on nolla ainoastaan siinä tapauksessa, että biomassan kasvu sitoo hiilidioksidia vähintään yhtä nopeasti kuin polttaminen sitä vapauttaa. Hiilidioksidin sitoutuminen kasvavaan metsään on kuitenkin äärimmäisen monimutkainen kokonaisuus, josta ei suinkaan ole vielä sanottu viimeistä sanaa (kts. esim. BIOS-tutkimusyksikön ja Suomen ilmastopaneelin kannat metsänhakkuiden ilmastovaikutuksiin). On siis hyvin mahdollista, että puun energiakäytön lisääminen törmää ennemmin tai myöhemmin ristiriitaan luonnon monimuotoisuuden säilyttämisen tai metsien kasvulle asetettujen ilmastotavoitteiden kanssa. Ennen kuin kaikki munat laitetaan samaan koriin, olisikin syytä pysähtyä esittämään kysymys: mitä tapahtuu, jos bioenergiapohjaisen kaukolämmöntuotannon ilmastovaikutukset tai kasvupotentiaali onkin arvioitu väärin?

Epävarmuuksia voidaan pienentää hajauttamalla ratkaisu useammalle teknologialle. Kauko- ja teollisuuden prosessilämmön tapauksessa bioenergian rinnalla voidaan käyttää ydinvoimaa. Hieman yli sadan asteen lämpötilassa verkkoon syötettävän kaukolämpöveden tuottaminen onnistuu helposti nykyisellä kevytvesireaktoriteknologialla. Tekninen toteutus muuttuu lähes triviaaliksi, jos reaktorin ei tarvitse tuottaa lainkaan sähköä. Voimalaitosprosessista voidaan tällöin poistaa korkeaa käyttöpainetta edellyttävä turbiinikierto, mikä yksinkertaistaa huomattavasti esimerkiksi laitoksen turvallisuussuunnittelua. Teollisuuden prosessilämmöntuotantoon kevytvesireaktorit soveltuvat matalan toimintalämpötilansa vuoksi huonosti, mutta korkeampiin 700-1000°C lämpötiloihin päästään kaasujäähdytteisillä reaktoreilla.

Ajatus ydinenergialla tuotetusta kaukolämmöstä tai reaktorin pyörittämästä tehdasprosessista saattaa ensi alkuun kuulostaa yliampuvalta ratkaisulta ilmastonmuutosongelmaan. Kyse on kuitenkin olemassa olevasta teknologiasta, josta on maailmalla satojen reaktorivuosien käyttökokemus. Ydinlämmön päästövähennyspotentiaalia puolestaan kuvaa hyvin se, että jo pelkästään SSAB:n (ent. Rautaruukin) terästehdas Raahessa ja Nesteen öljynjalostamot Porvoossa ja Naantalissa tuottivat vuonna 2017 lähes yhtä paljon kasvihuonekaasupäästöjä kuin koko sähköntuotantosektori. Seuraavaksi suurimmat CO2-päästäjät löytyvät suurten kaupunkien: Helsingin, Espoon, Turun ja Vaasan kaukolämmöntuotannosta. Ydinenergiapohjaisen lämmöntuotannon mahdollisuuksia selvitetään parhaillaan varsin laajalla kentällä, ja aiheeseen liittyviin reaktoriteknologioihin tullaan vielä palaamaan myöhemmissä blogikirjoituksissa.


i) Suomen virallinen tilasto (SVT): Kasvihuonekaasut [verkkojulkaisu]. ISSN=1797-6049. 2017, Suomen kasvihuonekaasupäästöt 2017. Helsinki: Tilastokeskus [viitattu: 5.10.2018]. Saantitapa: http://www.stat.fi/til/khki/2017/khki_2017_2018-05-24_kat_001_fi.html.

ii) Tilastokeskuksen aineistossa ei ole eroteltu sähköntuotantoa omaksi sektorikseen. Esitetty luku on saatu summaamalla Energiateollisuus ry:n ylläpitämän kuukausitilaston päästöt yhteen vuoden 2017 osalta. Summa ei pidä sisällään biomassan poltosta syntyviä päästöjä. Aineisto löytyy osoitteesta https://energia.fi/ajankohtaista_ja_materiaalipankki/tilastot/sahkotilastot.

iii) Ydinvoiman elinkaaripäästöistä liikkuu internetissä paljon väärää tietoa, jopa väitteitä siitä, että uraanin väkevöinti kuluttaisi enemmän energiaa kuin mitä polttoaine kykenee reaktorissa tuottamaan. Uraanin väkevöinnin työmäärää kuvaa suure nimeltä erotustyö, jonka yksikkönä käytetään kirjainyhdistelmää SWU (Separative Work Unit, kts. määritelmä Wikipediasta). Kevytvesireaktoripolttoaineen U235-väkevöinti on tavallisesti 4-5%, jolloin yhden uraanikilon väkevöinti vaatii 5-7 SWU:ta. Väkevöintiin käytetään nykyisin kaasusentrifugimenetelmää, jonka energiankulutus on luokkaa 50 kWh/SWU. Väkevöinnin energiankulutus uraanikiloa kohden on siis suuruusluokkaa 250-350 kWh/kgU. Lukua voi verrata polttoaineen käyttöastetta mittaavaan palamaan, joka kertoo kuinka paljon fissioenergiaa polttoaine on tuottanut uraanin massayksikköä kohden. Nykyisin polttoaineen keskimääräinen poistopalama on luokkaa 40 MWd/kgU, eli kilowattituntiyksiköissä 960,000 kWh/kgU. Kevytvesireaktoreissa tuotetusta fissioenergiasta noin kolmannes saadaan ulos sähkönä.

iv) Toinen keskustelua ja vastakkainasettelua herättävä kysymys on tuuli- ja ydinvoiman lisärakentamisen hinta. Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtiin vuonna 2017 selvitys, jossa tarkasteltiin eri energiantuotantomuotojen hintaa ja sähköntuotannon kustannusrakenteen muutosta tulevaisuudessa. Selvityksen perusteella kokonaiskustannus riippuu monesta tekijästä, ja eri oletuksilla halvimmaksi vaihtoehdoksi valikoitui joko tuuli- tai ydinvoima. Tutkimukseen on sittemmin viitattu varsin laajasti. Useimmissa aihetta käsittelevissä kirjoituksissa huomio on kuitenkin kiinnittynyt selvästi yhteen tulokseen: jos tuotetun sähkön hinnassa arvioidaan ainoastaan suorat kustannukset, halvimmaksi vaihtoehdoksi osoittautuu maalle rakennettu tuulivoima 41.4 €/MWh kustannuksella. Olemassa olevalle laitospaikalle rakennetun ydinvoimalan tuotantokustannukseksi saatiin vastaavasti 42.4 €/MWh. Harvassa kirjoituksessa on sen sijaan otettu kantaa siihen, että luvut ovat itse asiassa hyvin lähellä toisiaan, saati siihen, että saman selvityksen mukaan systeemikustannusten, kuten tuulivoiman tuotantovaihtelun tasaamiseen tarvittavan varavoiman huomioiminen nostaa ydinvoiman edullisimmaksi vaihtoehdoksi.

v) Olkiluoto-3 -laitoksen rakennustyöt saatiin päätökseen viime vuonna, ja hanke on edennyt käyttöönottovaiheeseen. Järjestelmien testaus alkoi kylmäkokeilla kesäkuussa 2017. Viimeisimmän aikataulun mukaan laitos on määrä tahdistaa valtakunnanverkkoon ensimmäisen kerran huhtikuussa 2019, jolloin säännöllinen sähköntuotanto päästäisiin aloittamaan saman vuoden syksyllä. Lokakuussa 2018 TVO ilmoitti kuitenkin että käyttöönottotestit eivät ole edenneet laitostoimittajan ilmoittaman aikataulun mukaisesti. Käyttöönoton mahdollisesta viivästymisestä ei vielä tässä vaiheessa ollut tarkempaa tietoa.

Radioaktiivisuudesta ja säteilystä

Jaakko Leppänen – 10.8.2018

Lupasin aikaisempien Fukushiman ja Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuksia käsittelevien blogikirjoitusten yhteydessä jatkaa myöhemmin onnettomuuksien ympäristö- ja terveysvaikutuksista. Kun aloin valmistelemaan aiheesta uutta blogikirjoitusta, teksti alkoi kuitenkin rönsyilemään ja venymään sen verran pitkäksi, että päätin jakaa sen lopulta kahteen osaan. Käsittelen tässä ensimmäisessä osassa aiheen taustoja, eli radioaktiivisuutta ja säteilyä. Kirjoituksen jälkimmäinen osa käsittelee onnettomuuksien varsinaisia seurauksia.

Päätin aloittaa kirjoittamisen perusteista lähinnä siksi, että vaikka radioaktiivisuutta ja säteilyä käsitellään esimerkiksi lukion fysiikan kursseilla, erityisesti annossuureiden tulkitsemiseen liittyy asioita, jotka eivät välttämättä ole aivan itsestään selviä. Aiheesta löytää hyvin tietoa myös verkosta, esimerkiksi Säteilyturvakeskuksen www-sivulta. STUK julkaisee myös ammattikäyttöön tarkoitettua Säteily- ja ydinturvallisuus -kirjasarjaa, joka on ladattavissa ilmaiseksi pdf-muodossa.

Radioaktiivisella hajoamisella tarkoitetaan sitä, että atomiydin muuttuu ilman ulkoisia vaikutteita toiseksi ytimeksi, eli sen nukleonikonfiguraatio muuttuu. Radioaktiivisuus on atomin sisäinen ominaisuus, joka palautuu ytimen protonien ja neutronien väliseen voimatasapainoon. Näihin voimiin liittyy tietty energia, jota kutsutaan ydinfysiikassa sidosenergiaksi. Radioaktiivisen hajoamisen voi ymmärtää esimerkiksi siten, että tietyt protoni-neutroni -konfiguraatiot ovat sidosenergian kannalta siinä mielessä epäedullisia, että muutos nukleonirakenteessa voi johtaa matalampaan energiatilaan. Tällainen ydin on rakenteellisesti epästabiili. Hajoamisreaktion taustalla on siis tavallaan ytimen luontainen pyrkimys kohti matalampaa energiatilaa. Ylimääräinen sidosenergia vapautuu hajoamisen yhteydessä reaktiotuotteiden liike-energian ja sähkömagneettisen säteilyn muodossa.

Tyypillisimmät radioaktiivisen hajoamisen muodot ovat alfahajoaminen, jossa ytimestä irtoaa kokonainen heliumatomin ydin (alfahiukkanen), sekä betahajoaminen, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi (β -hajoaminen) tai päinvastoin (β+ -hajoaminen). Molemmissa tapauksissa reaktiossa muodostunut tytärydin on sidosenergian kannalta lähtötilannetta edullisemmassa tilassa. Radioaktiivinen hajoaminen on myös täysin satunnainen prosessi. Jokaisella epästabiililla ytimellä on joka hetki tietty todennäköisyys hajota, mutta reaktion tarkkaa ajankohtaa on edes teoriassa mahdoton määrittää.i

Alfahajoaminen on tyypillinen reaktio raskaille ytimille. Esimerkiksi uraanin luonnossa esiintyvät U235- ja U238-isotoopit ovat alfa-aktiivisia, samoin monet käytettyyn ydinpolttoaineeseen syntyvistä pitkäikäisistä transuraaneista, kuten plutoniumin isotoopit Pu239 ja Pu240, neptuniumin isotooppi Np237, sekä amerikiumin isotoopit Am241 ja Am243. Sama pätee moniin uraanin hajoamistuotteisiin, esimerkiksi radiumin, radonin ja poloniumin isotooppeihin Ra226, Rn222 ja Po210. Lyijyä kevyemmissä alkuaineissa alfahajoaminen on sen sijaan harvinainen hajoamismuoto, ja monet kevyet alfa-aktiiviset ytimet ovat joko hyvin lyhytikäisiä, tai niin pitkäikäisiä, että niitä voidaan pitää käytännössä stabiileina.

Radioaktiivista β -hajoamista tapahtuu ytimillä, joilla on optimaalisen energiatilan kannalta liikaa neutroneita suhteessa protoneihin. Tällaisia ytimiä löytyy kevyiden alkuaineiden joukosta, esimerkiksi vedyn ja hiilen isotoopit H3 (tritium) ja C14, mutta myös aktinidisarjan alkuaineista (esim. U239, Np239 ja Pu241). Myös lähes kaikki fissioreaktiossa syntyvät keskiraskaat tytärytimet, kuten jodin ja cesiumin isotoopit I131 ja Cs137, hajoavat radioaktiivisella β -hajoamisella. Vaikka reaktio säilyttää nukleonien kokonaismäärän, neutronin muuttuminen protoniksi muodostaa myös ylimääräisen elektronin, joka sinkoutuu korkealla energialla ulos ytimestä.

Toinen betahajoamisen muoto, β+ -hajoaminen, on huomattavasti harvinaisempi, ja käsiteltävän aiheen kannalta vähemmän olennainen. Reaktio voi tapahtua protoniylijäämäisille ytimille, ja sen yhteydessä muodostuu elektronin antihiukkanen, eli positroni. Hiukkas-antihiukkas -parin kohdatessa (annihiloituessa) syntyy sähkömagneettista säteilyä, jota hyödynnetään esimerkiksi positroniemissiotomografiassa (PET). Tavallisin lääketieteellisessä PET-kuvauksessa käytettävä β+ -aktiivinen radionuklidi on fluorin isotooppi F18.

Alfa- ja betahajoaminen tuottavat vastaavasti alfa- ja betasäteilyä. Alfahiukkasilla on syntyessään energiaa useita megaelektronivoltteja, ja ytimen ulkopuolelle sinkoutuessaan ne alkavat vuorovaikuttaa väliaineen atomien kanssa. Kahden protonin muodostama positiivinen sähkövaraus vetää atomien ulkoelektroneja voimakkaasti puoleensa. Sähköiset voimat jarruttavat hiukkasen kulkua, ja sen liike-energia kuluu nopeasti loppuun. Hidastunut alfahiukkanen kaappaa ympäröiviltä atomeilta kaksi elektronia, muuttuen lopulta tavalliseksi heliumatomiksi. Alfasäteilyn kantama on ilmassa muutaman senttimetrin luokkaa, ja kiinteässä väliaineessa vain millimetrin osia. Alfahiukkaset pysähtyvät tehokkaasti esimerkiksi paperiin tai ihon pintakerrokseen.

Betasäteilyllä viitataan tavallisesti nimenomaan β -hajoamisessa syntyviin korkeaenergisiin elektroneihin, joita kutsutaan myös betahiukkasiksi. Betasäteilyn energiaspektri ulottuu kymmenistä kiloelektronivolteista megaelektronivolttialueen puolelle. Myös negatiivisesti varautunut betahiukkanen vuorovaikuttaa väliaineen atomien elektronien kanssa. Betasäteily kulkeutuu ilmassa kymmeniä senttimetrejä, ja kiinteässä aineessakin alfasäteilyä pidemmälle. Säteilyn energia absorboituu vastaavasti suurempaan tilavuuteen. Betasäteily kykenee tunkeutumaan ihon läpi, mutta pysähtyy suhteellisen tehokkaasti esimerkiksi alumiinilevyyn.

Kolmas yleinen säteilylaji on korkeaenergisistä fotoneista muodostuva gammasäteily, joka on osa sähkömagneettisen säteilyn spektriä. Gammasäteilyssä ei kuitenkaan ole kyse erillisestä hajoamismuodosta (”gammahajoamisesta”), vaan siitä, että esimerkiksi alfa- ja betahajoamisessa muodostuvat tytärytimet voivat syntyä korkealle viritystilalle, jolloin ytimelle jää reaktion jälkeen ylimääräistä energiaa. Virittyneen ytimen siirtyessä kohti matalampaa perustilaa tämä energia vapautuu fotonien muodossa.

Vaikka radioaktiiviseen hajoamiseen liittyy usein gammasäteilyä, reaktio voi tapahtua myös suoraan tytärytimen perustilalle. Tällöin myöskään fotonien muodostumiseen ei riitä ylimääräistä energiaa. Esimerkiksi tritiumin betahajoamisessa ei synny lainkaan gammasäteilyä, ja poloniumin Po210-isotoopin alfahajoamisessa vapautuu vain yksi fotoni jokaista 80,000 hajoamista kohden. Radioaktiivisen hajoamisen lisäksi gammasäteilyä syntyy monissa ydinreaktioissa, kuten fissiossa, epäelastisessa sironnassa ja radiatiivisessa kaappauksessa.ii

Gammasäteily on läheistä sukua röntgensäteilylle. Raja on jossain määrin häilyvä, ja erot löytyvät lähinnä fotonien energiasta ja syntymekanismista. Röntgensäteilyssä fotonien energiat mitataan kiloelektronivolteissa, kun taas radioaktiivisen hajoamisen yhteydessä esiintyvän gammasäteilyn spektri ulottuu sadoista kiloelektronivolteista reilusti megaelektronivolttialueen puolelle. Röntgensäteily on tavallisesti korkeaenergisten elektronien hidastumisessa syntyvää jarruuntumissäteilyä, jota voidaan tuottaa röntgenputkessa törmäyttämällä sähkökentässä kiihdytettyjä elektroneja metallikohtioon. Sama mekanismi tuottaa sekundääristä röntgensäteilyä betasäteilyn vuorovaikuttaessa väliaineen kanssa. Myös gammasäteily synnyttää sekundääristä röntgensäteilyä, sillä korkeaenergisten fotonien osumat irrottavat atomeilta elektroneja, jotka aiheuttavat hidastuessaan jarruuntumissäteilyä.

Röntgensäteilyä käytetään läpivalaisussa ja lääketieteellisessä kuvantamisessa, sillä se kykenee läpäisemään erityisesti kevyistä alkuaineista koostuvia materiaaleja. Fotonien kulkeutumispituus riippuu niiden energiasta, sekä väliaineen elektronitiheydestä. Gamma- ja röntgensäteilyn vuorovaikutukset tapahtuvat pääasiassa atomien elektronipilvessä, joten tehokkaimpia säteilysuojia ovat korkean järjestysluvun raskaat alkuaineet, joiden elektronitiheys on suuri. Korkeaenerginen gammasäteily kulkeutuu esimerkiksi vedessä ja betonissa helposti kymmeniä senttimetrejä, ja kykenee läpäisemään paksuja teräsrakenteita. Suuren läpäisykykynsä ansiosta gammasäteilyä käytetään esimerkiksi teollisuuden radiografiasovelluksissa, sekä materiaalipaksuus- ja pinnankorkeusmittauksissa.iii

Säteilylajit

Kuva 1: Massiivisista heliumatomin ytimistä muodostuva alfasäteily kulkeutuu kiinteässä aineessa vain millimetrin osia, pysähtyen esimerkiksi paperiin tai ihon kuolleeseen pintakerrokseen. Korkeaenergisistä elektroneista muodostuva betasäteily läpäisee ihon, mutta pysähtyy tehokkaasti esimerkiksi ohueen alumiinilevyyn. Läpitunkeva gammasäteily kulkeutuu erityisesti kevyistä alkuaineista koostuvissa aineissa kymmeniä senttimetrejä. Raskaat alkuaineet, kuten lyijy, vaimentavat gammasäteilyä tehokkaasti.

Radioaktiivisuuteen ja säteilyyn liittyy paljon suureita, ja virallisten SI-järjestelmän johdannaisyksiköiden rinnalla käytetään edelleen yleisesti myös vanhoja 1900-luvun alusta peräisin olevia mittayksiköitä. Eri asiayhteyksissä esiintyvien lukuarvojen vaihteluväli on suuri, mikä tekee mittakaavan hahmottamisesta toisinaan vaikeaa. Radioaktiivisia aineita pystytään havaitsemaan niiden lähettämän säteilyn perusteella pitoisuuksissa, jotka muilla menetelmillä olisivat täysin mittaustarkkuuden ulkopuolella. Esimerkiksi kilpirauhasen liikatoiminnan hoitoon käytettävää radioaktiivista jodia päätyy toisinaan ilmaan polttamalla hävitettävän sairaalajätteen mukana. Päästöt voivat näkyä tarkoissa seurantamittauksissa tuhansien kilometrien päässä lähteestä, vaikka pitoisuudet olisivat vain mikrogramman triljoonasosia kuutiossa ilmaa. Vaihteluvälin toiseen ääripäähän sijoittuu esimerkiksi reaktorissa säteilytetty ydinpolttoaine, jossa radioaktiivisuutta on pienessä tilavuudessa niin paljon, että hajoamisen vapauttama energia ilmenee voimakkaana jälkilämmöntuottona.

Massayksiköitä käyttökelpoisempi tapa mitata radioaktiivisten aineiden määrää tai pitoisuutta onkin tarkastella niiden hajoamisnopeutta. Tätä kuvaa suure nimeltä aktiivisuus, jolla tarkoitetaan aikayksikössä tapahtuvien hajoamisreaktioiden lukumäärää. Aktiivisuuden yksikkönä käytetään ilmiön löytäjän mukaan nimettyä becquereliä (lyhenne Bq), joka vastaa yhtä radioaktiivista hajoamista sekunnissa. Käyttökelpoisia kerrannaisyksiköitä ovat myös kilo- (kBq), mega- (MBq), giga- (GBq) ja terabecquerel (TBq), joilla tarkoitetaan vastaavasti tuhatta, miljoonaa, miljardia ja biljoonaa hajoamista sekunnissa. Virallisen SI-johdannaisyksikön lisäksi aktiivisuudesta käytetään usein myös vanhaa curie-yksikköä (lyhenne Ci), joka on kiinnitetty radiumin Ra226-isotooppin ominaisaktiivisuuteen. Yksi curie vastaa grammaa radiumia, jonka aktiivisuus becquereleissä mitattuna on 37 GBq.

Alla olevaan taulukkoon on koottu esimerkkejä eri suuruusluokkia edustavista aktiivisuuksista ja aktiivisuuspitoisuuksista. Luonnossa esiintyviä radioaktiivisia alkuaineita ovat esimerkiksi uraani ja torium, sekä näiden hajoamissarjoissa muodostuva radium ja radon. Kaliumin radioaktiivinen K40-isotooppi muodostaa noin 0.01% kaikesta luonnossa esiintyvästä kaliumista. Koska kalium on elintoimintojen kannalta välttämätön kivennäisaine, myös sen radioaktiivista isotooppia löytyy paljon kaikista ihmisistä ja eläimistä, sekä monista elintarvikkeista. 1950-1960 -luvuilla tehdyissä ydinkokeissa ja vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa ympäristöön vapautui radioaktiivista cesiumia (Cs137), joka näkyy edelleen Suomen luonnossa. Radioaktiivisia säteilylähteitä käytetään myös erinäisissä teollisuuden ja lääketieteen sovelluksissa.

Suuruusluokka Esimerkkejä aktiivisuudesta
Bq 15 Bq Yhden banaanin keskimääräinen K40-aktiivisuus
96 Bq/m3 Suomalaisasuntojen hengitysilman keskimääräinen radonpitoisuus (Rn222-isotooppi)
600 Bq/kg EU:n asettama suositusraja ruokasienten Cs137-pitoisuudelle
kBq (= 1000 Bq) 1-5 kBq Öljy- ja kaasulampuissa käytettävien toriumia sisältävien hehkusukkien aktiivisuus
4 kBq Aikuisen ihmisen kehon keskimääräinen K40-aktiivisuus
40 kBq Palovaroittimessa olevan Am241-lähteen aktiivisuus
30-100 kBq/m3 Suurimmat Suomesta mitatut hengitysilman radonpitoisuudet
MBq (= 1E6 Bq) 2 MBq/g 1900-luvun alussa valmistettujen radiumia sisältävien itsevalaisevien väriaineiden Ra226-aktiivisuus
20-800 MBq Isotooppitutkimuksissa käytettävien Tc99m-isotooppia sisältävien lääkeaineiden aktiivisuus (per annos)
25-100 MBq/kg Tuoreen ydinpolttoaineen ominaisaktiivisuus
400 MBq Kuluttajatuotteina myytävien tritiumia sisältävien itsevalaisevien kellojen ja kompassien suurin sallittu aktiivisuus
10 MBq – 50 GBq Teollisuuden mittalaitteissa (esim. pinnankorkeusmittari) käytettävien lähteiden aktiivisuus
GBq (= 1E9 Bq) 10 GBq/kg Keskiaktiiviseksi luokiteltavan radioaktiivisen jätteen enimmäisaktiivisuus
TBq (= 1E12 Bq) 4 TBq Teollisuuden radiografiassa käytettävien Ir192-lähteiden aktiivisuus
10 TBq/kg Käytetyn ydinpolttoaineen ominaisaktiivisuus geologisen loppusijoituksen alkaessa
200 TBq Sädehoidossa käytettävän kobolttikeilahoitolaitteen (“kobolttikanuunan”) Co60-lähteen aktiivisuus
PBq (= 1E15 Bq) 2 PBq Curiosity Mars-kulkijan käyttämän MMRTG-ydinpariston Pu238-aktiivisuus
340-800 PBq Arviot Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä
EBq (= 1E18 Bq) 3 EBq 1000 MWe kevytvesireaktorin I131-inventaari reaktorin käydessä
5.3 EBq UNSCEAR:in arvio Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden kokonaispäästöstä (pois lukien radioaktiiviset jalokaasut)

 

Käytännössä aktiivisuus on siis säteilevän aineen, kappaleen, näytteen, jne. radioaktiivisuuden määrää kuvaava fysikaalinen suure. Laskennallisesti aktiivisuus riippuu paitsi radioaktiivisten ytimien lukumäärästä, myös isotoopin hajoamisen todennäköisyydestä. Mitä epästabiilimpi ydin on, sitä enemmän sitä sisältävässä aineessa tapahtuu hajoamisreaktioita tietyllä aikavälillä. Tämä tarkoittaa kuitenkin samalla sitä, että myös aineen aktiivisuus putoaa tällöin nopeasti. Korkea ominaisaktiivisuus ja lyhyt elinikä kulkevat siis käsi kädessä. Pitkäikäistä isotooppia sisältävä aine voi vastaavasti säilyttää radioaktiivisuutensa vaikka miljardeja vuosia, sillä hajoamisreaktioita tapahtuu suhteellisen harvakseltaan.

Aktiivisuuden ja radioisotoopin eliniän välinen suhde avautuu parhaiten esimerkin kautta. Edellä todettiin, että vanha curie-yksikkö määriteltiin aktiivisuudeksi, joka vastaa grammaa radiumin isotooppia Ra226. Radiumin puoliintumisaika on noin 1600 vuotta. Huomattavasti pitkäikäisempi uraanin U238-isotooppi hajoaa 4.5 miljardin vuoden puoliintumisajalla, joten grammassa uraania tapahtuu vastaavasti vähemmän hajoamisreaktioita sekunnissa. Ero on yli miljoonakertainen. Radiumgrammaa aktiivisuudeltaan vastaavan uraanimäärän massa mitattaisiin tonneissa.

Radioaktiivisen isotoopin elinikää kuvaavaa puoliintumisaika tarkoittaa yksinkertaisesti aikaa, jonka kuluessa näytteessä olevien ytimien lukumäärä on vähentynyt puoleen. Kahden puoliintumisajan jälkeen alkuperäisistä ytimistä on jäljellä neljäsosa, kolmen puoliintumisajan kuluttua kahdeksasosa, sitten kuudestoista osa, ja niin edelleen. Koska näytteen aktiivisuus on verrannollinen radioaktiivisten ytimien lukumäärään, myös sen putoaminen noudattaa samaa eksponentiaalista lakia.iv

Radioaktiivisten isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin murto-osista miljardeihin vuosiin. Monet luonnossa esiintyvistä radionuklideista ovat syntyneet muun aurinkokunnan muodostavan materian kanssa astrofysikaalisissa prosesseissa miljardeja vuosia sitten. Tällaisia radionuklideja ovat esimerkiksi uraanin isotoopit U235 ja U238 (puoliintumisajat 700 miljoonaa ja 4.5 miljardia vuotta), toriumin isotooppi Th232 (14 miljardia vuotta), sekä kaliumin isotooppi K40 (1.3 miljardia vuotta). Kosmisesta alkuperästä kertoo myös se, että näiden isotooppien suhteelliset osuudet ovat samat kaikkialla luonnossa.

Luonnossa esiintyy myös sellaisia lyhytikäisempiä radioaktiivisia alkuaineita, joita syntyy jatkuvasti lisää. Uraanin ja toriumin pitkäikäiset isotoopit muodostavat kolme hajoamissarjaa, jotka päättyvät yli kymmenen peräkkäisen reaktion jälkeen lyijyn stabiileihin isotooppeihin. Näissä hajoamissarjoissa syntyy luonnollisen taustasäteilyn kannalta merkittäviä radionuklideja, kuten radiumin ja radonin isotooppeja Ra226 ja Rn222 (puoliintumisajat 1600 vuotta ja 3.8 päivää). Avaruudesta tuleva erittäin korkeaenerginen kosminen säteily tuottaa ilmakehän typen kanssa vuorovaikuttaessaan radioaktiivista hiilen C14-isotooppia (puoliintumisaika 5700 vuotta), mihin perustuu esimerkiksi arkeologien käyttämä radiohiiliajoitus.

Luonnon hajoamissarjat

Kuva 2: Aktinidit muodostavat neljä pitkää hajoamissarjaa, joita kutsutaan torium, aktinium, uraani- ja neptuniumsarjoiksi. Ne saavat alkunsa pitkäikäisistä isotoopeista Th232, U235, U238 ja Np237, ja päättyvät stabiileihin lyijyn ja vismutin ytimiin Pb208, Pb207, Pb206 ja Bi209. Luonnonuraanin U235- ja U238-isotooppien suhteelliset osuudet ovat noin 0.7% ja 99.3%. Toriumilla ei ole muita pitkäikäisiä isotooppeja kuin Th232. Neptuniumsarja on muita lyhytikäisempänä hävinnyt kokonaan luonnosta. Kaikki plutoniumin ja sivuaktinidien hajoamisketjut yhtyvät johonkin näistä neljästä sarjasta.

Toiminnassa olevan ydinreaktorin polttoaine muodostaa monimutkaisen sekoituksen uraanin isotooppeja, plutoniumia, sivuaktinideja, sekä satoja fissiossa syntyneitä keskiraskaita tytärytimiä. Reaktorin fissiotuoteinventaari kattaa kaikki jaksollisen järjestelmän alkuaineet suurin piirtein järjestyslukujen 22 ja 69 välissä. Fissiotuotteet ja transuraanit syntyvät neutronisäteilytyksen vaikutuksesta polttoaineen keraamisiin uraanioksiditabletteihin. Käytännössä vakava reaktorionnettomuus ja radioaktiivinen päästö ympäristöön edellyttääkin polttoaineen merkittävää vaurioitumista tai sulamista, sekä sitä, että myös kaikki muut sisäkkäiset vapautumisesteet menetetään.

Reaktorin käydessä sen aktiivisuusinventaaria hallitsevat erittäin lyhytikäiset isotoopit, joista suuri osa kuitenkin hajoaa jo ensimmäisten minuuttien kuluessa ketjureaktion sammuttamisesta. Radioaktiivisen päästön kannalta myöskään erittäin pitkäikäisillä radionuklideilla ei ole suurta merkitystä, sillä niiden aktiivisuus on vastaavasti pieni. Vakavissa reaktorionnettomuuksissa merkittävimmän päästön muodostavat sellaiset helposti vapautuvat radionuklidit, joiden puoliintumisajat mitataan päivissä, kuukausissa, tai korkeintaan kymmenissä vuosissa.

Helposti vapautuvilla aineilla tarkoitetaan käytännössä kemiallisesti inerttejä radioaktiivisia jalokaasuja (esim. xenonin isotooppi Xe133), sekä sellaisia alkuaineita, jotka muodostavat matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia yhdisteitä. Uraanin, plutoniumin ja sivuaktinidien vapautuminen edellyttää lämpötilan kohoamista tuhansiin asteisiin (esim. plutoniumin kiehumispiste on n. 3200°C), mutta tietyt fissiotuotteet esiintyvät kaasumaisina jo reaktorin normaalissa käyttölämpötilassa. Helposti vapautuvia yhdisteitä muodostavat erityisesti cesium ja jodi.

Ydinvoimalaonnettomuudessa vakavimman säteilyriskin lähialueen väestölle muodostaa 8 päivän puoliintumisajalla hajoava jodin isotooppi I131. Lyhyt puoliintumisaika tarkoittaa korkeaa ominaisaktiivisuutta, eli jodin kaltaisen lyhytikäisen radionuklidin päästö voi olla aktiivisuudeltaan suuri, vaikka isotoopin määrä olisi massa- tai tilavuusyksiköissä mitattuna näennäisesti häviävän pieni. Edellä esitetyssä taulukossa annettiin suuren kevytvesireaktorin I131-inventaariksi suuruusluokkaa 3 EBq. Massayksiköissä mitattuna tämä on vain noin 650 grammaa.

Jodipäästön aktiivisuus puolittuu kahdeksan päivän välein, joten päästö häviää jo puolessa vuodessa käytännössä olemattomiin. Ympäristön pitkäaikaisen saastumisen kannalta merkittävin radionuklidi on cesiumin isotooppi Cs137, jonka puoliintumisaika on 30 vuotta. Kuten edellä todettiin, vuonna 1986 tapahtuneesta Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudesta sekä 1950-1960 -luvuilla tehdyistä ydinkokeista peräisin olevaa cesiumia löytyy edelleen Suomen luonnosta. Kolmas ydinlaskeuman kannalta ongelmallinen radionuklidi on 29 vuoden puoliintumisajalla hajoava strontiumin Sr90-isotooppi. Strontium ei kuitenkaan muodosta matalassa lämpötilassa kaasuuntuvia yhdisteitä, eikä se siksi vapaudu reaktorionnettomuuksissa ympäristöön yhtä helposti kuin I131 tai Cs137. Ydinräjähdyksen aiheuttamassa päästössä tilanne on olennaisesti erilainen.

Vaikka radioaktiivisen isotoopin määrä ja puoliintumisaika kertovat miten paljon isotooppia sisältävässä näytteessä tapahtuu hajoamisreaktioita aikayksikössä, pelkkä aktiivisuus ei vielä yksin kerro kaikkea hajoamisen yhteydessä syntyvän säteilyn vaarallisuudesta. Eri säteilylajien vuorovaikutusmekanismit poikkeavat toisistaan, ja myös hajoamisreaktiossa vapautuva energiamäärä vaihtelee isotoopista toiseen. Korkeaenerginen alfasäteilijä vaikuttaa elimistöön päästyään eri tavalla kuin matalaenerginen betasäteilijä, vaikka molempien isotooppien aktiivisuus olisikin numeroarvoltaan sama. Myös hajoamisen yhteydessä esiintyvän gammasäteilyn energia ja intensiteetti vaihtelevat. Osa radioaktiivisista isotoopeista hajoaa kokonaan ilman gammaemissiota.

Alfa-, beta- ja gammasäteilyn vuorovaikutukset väliaineessa muuttavat aineen rakennetta atomitasolla. Kemiallisissa yhdisteissä alkuaineiden atomit ovat sitoutuneet toisiinsa voimin, joiden vaikutus palautuu atomien elektronikuorirakenteeseen. Uloimpien elektronien sidosenergia, eli energia joka vaaditaan irrottamaan negatiivisesti varautunut elektroni positiivisen atomiytimen vaikutuspiiristä, mitataan korkeintaan kymmenissä elektronivolteissa. Radioaktiivisen hajoamisen tuottamalla hiukkas- ja sähkömagneettisella säteilyllä voi olla energiaa miljoonakertaisesti, eli useita megaelektronivoltteja. Tämän energian absorboituminen väliaineeseen jättää jälkeensä paljon katkenneita sidoksia ja positiivisesti varautuneita ioneja.v Atomien väliset sidokset järjestäytyvät osumakohdan läheisyydessä uudelleen, ja säteilyn mukanaan kuljettama energia muuttuu lopulta väliaineen lämmöksi.

Atomitason muutokset vahingoittavat myös elävää kudosta, jonka toiminta riippuu monimutkaisista kemiallisista prosesseista. Osuma solun tumaan voi aiheuttaa DNA-juosteen katkeamisen, ja solun biologisen toiminnan häiriintymisen. Suurin osa elävän solun tilavuudesta on vettä. Säteilyn vesimolekyyleissä aiheuttamat ionisaatiot synnyttävät kemiallisesti reaktiivisia vapaita radikaaleja, jotka aiheuttavat välillisiä vaurioita solun sisällä. Säteilyn aiheuttamista vaurioista voi pahimmillaan seurata solun kuolema, tai myöhemmin syöpään johtava mutaatio perimäaineksessa.

Säteilyn biologiset vaikutukset riippuvat paitsi altistuksen voimakkuudesta, myös säteilylajista, ja sisäisen altistuksen tapauksessa säteilyä emittoivan radioaktiivisen aineen kemiallisista ja fysiologisista ominaisuuksista. Suurella nopeudella liikkuva massiivinen alfahiukkanen menettää energiansa hyvin lyhyellä matkalla (korkeintaan kymmeniä mikrometrejä). Tämä tarkoittaa toisaalta sitä, että alfasäteily ei kykene tunkeutumaan esimerkiksi ihon kuolleen pintakerroksen läpi, mutta toisaalta sitä, että keuhkoihin, ruuansulatuskanavaan tai verenkiertoon päätynyt alfasäteilijä voi aiheuttaa suurta tuhoa kehon sisällä. Esimerkiksi Venäjän turvallisuuspalvelu FSB:n entinen upseeri Alexander Litvinenko myrkytettiin Lontoossa vuonna 2006 poloniumin Po210-isotoopilla, joka on voimakas alfasäteilijä. Radioaktiivinen myrkky oli sekoitettu teehen.

Alfasäteilyn tapaan myös betasäteily on vaarallisinta kehon sisäisenä annoksena. Betahiukkasten energia absorboituu ympäröivään kudokseen lähelle säteilyn lähdettä. Esimerkiksi radioaktiivinen jodi kerääntyy kilpirauhaseen, aiheuttaen siellä suuren paikallisen säteilyannoksen. Cesium puolestaan muistuttaa kemiallisesti kaliumia, jolla on merkittävä biologinen rooli solujen aineenvaihdunnassa. Radioaktiivinen Cs137 kertyy erityisesti pehmeisiin kudoksiin, aiheuttaen annosta ympäri kehoa. Ulkoisesti saatuna betasäteily aiheuttaa lähinnä ihovaurioita.

Läpitunkeva gammasäteily ei pysähdy vaatteisiin tai ihon pintaan. Osa ulkopuolelta tulevista korkeaenergisistä fotoneista kulkee vuorovaikuttamatta kehon läpi. Törmäyksiä tapahtuu kuitenkin väistämättä myös elävässä kudoksessa, mikä aiheuttaa soluvaurioita kaikkialla kehossa. Teollisuudessa ja lääketieteessä käyttävät gammalähteet ovat aiheuttaneet säteilyonnettomuuksia, joissa suojaamattomia lähteitä käsitelleet työntekijät ovat tietämättään altistuneet voimakkaalle gammasäteilylle. Ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen lähialueen väestö voi saada ulkoista gamma-annosta päästöpilven kulkiessa alueen yli, tai jos radioaktiivisia aineita päätyy sateen mukana laskeumana maan pinnalle.

Säteilyaltistusta mittaava fysikaalinen suure on nimeltään absorboitunut annos, joka tarkoittaa yksinkertaisesti väliaineeseen massayksikköä kohden absorboitunutta säteilyenergiaa. Annoksen SI-johdannaisyksikkönä käytetään graytä (1 Gy = 1 J/kg), ja sen rinnalla erityisesti Yhdysvalloissa vielä vanhaa yksikköä rad (1 rad = 0.01 Gy). Vaikka absorboitunut annos on puhtaasti fysikaalinen suure, sitä voidaan käyttää kuvaamaan myös voimakkaan säteilyaltistuksen aiheuttamia välittömiä terveysvaikutuksia. Elävät solut kestävät rajallisen määrän säteilyä, ja jos kudokseen absorboituu kerralla paljon energiaa, suuri osa soluista kuolee lyhyen ajan sisällä altistuksesta. Kudosvauriot voivat olla paikallisia, aiheuttaen esimerkiksi ihon palamisen, mutta niiden vaikutukset voivat tuntua myös kauttaaltaan koko elimistössä.

Lyhyellä aikavälillä (esim. yhden vuorokauden aikana) saatu yhden grayn kokokehoannos aiheuttaa merkittäviä soluvaurioita säteilylle herkimmissä kudoksissa, kuten limakalvoilla ja ruuansulatuskanavassa. Vauriot luuytimessä häiritsevät uusien verisolujen tuotantoa, mikä näkyy muutoksina verenkuvassa. Välilliset vaikutukset ulottuvat esimerkiksi ravinnon imeytymiseen ja immuunipuolustukseen. Seurauksena voi olla säteilysairaus, jonka oireina ilmenee yleiskunnon heikkenemistä, pahoinvointia, hiustenlähtöä ja verenvuotoa limakalvoilta. Vauriot pahenevat annoksen kasvaessa. Noin viiden gray kokokehoannos voi lamaannuttaa uusien verisolujen tuotannon, johtaen hengenvaaralliseen anemiaan. Tilaa voidaan hoitaa luuydinsiirroilla. Yli kymmenen grayn annos johtaa hoidosta huolimatta suurella todennäköisyydellä kuolemaan.

Hengenvaarallinen säteilyannos edellyttää käytännössä joko korkea-aktiivisen aineen päätymistä elimistöön (esim. Litvinenkon murha), tai altistumista erittäin voimakkaalle gammasäteilylle siten, että vaikutukset ulottuvat syvälle kehon sisälle. Korkea ulkoinen annos voi aiheutua esimerkiksi voimakkaan suojaamattoman säteilylähteen käsittelystä, tai kriittisyysonnettomuudesta, jossa ketjureaktio käynnistyy reaktorin ulkopuolella fissiilin materiaalin muodostaessa odottamattomasti ylikriittisen geometrian.vi Myös Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden aikaan laitoksella työskennellyt henkilökunta, sekä sammutustöihin osallistuneet palomiehet saivat reaktorin räjähdyksessä vapautuneesta päästöstä tappavan korkeita kerta-annoksia.

Paljon alle yhden grayn jäävät säteilyannokset eivät aiheuta tuntuvia fysiologisia vaikutuksia, ja kudoksille aiheutuneet vauriot paranevat ennen pitkää itsestään. Vauriot DNA-juosteessa voivat kuitenkin jäädä elämään mutaatioina, jotka kehittyvät myöhemmin syöväksi. Säteilyn pitkäaikaisia terveysvaikutuksia voidaan mitata toisella annossuureella, jota kutsutaan efektiiviseksi annokseksi. Yksikkönä käytetään sievertiä (Sv), ja sen rinnalla vanhentunutta rem-yksikköä (1 rem = 0.01 Sv). Sievert ja gray liittyvät läheisesti toisiinsa, sillä efektiivinen annos määritetään absorboituneesta annoksesta erilaisten säteilylajille ja altistuneelle kudostyypille ominaisten painotuskertoimien avulla.vii Yksiköitä käytetään usein ristiin siten, että myös akuuttia säteilyaltistusta mitataan sieverteissä. Monissa säteilytilanteissa molempia voidaan approksimoida samalla lukuarvolla.

Kehon sisäisen efektiivisen annoksen määrittämisessä joudutaan huomioimaan myös radioaktiivisen aineen biologinen rooli, sekä isotoopin hajoamisketjussa mahdollisesti syntyvät radioaktiiviset tytärytimet. Kaliumin tapaan käyttäytyvä cesium poistuu aineenvaihdunnan kautta suhteellisen nopeasti elimistöstä, eikä se pitkäikäisyydestään huolimatta aiheuta vuosia kestävää säteilyhaittaa. Strontium sen sijaan omaksuu elimistössä kalsiumin biologisen roolin, ja ravinnon tai juomaveden mukana saatu Sr90 voi siksi jäädä vuosikymmeniksi luustoon säteilemään. Yksinkertaisimman approksimaation mukaan elimistöön päätyneen radioisotoopin aktiivisuus voidaan liittää efektiiviseen säteilyannokseen erilaisilla isotooppikohtaisilla nautinta-annostekijöillä. Radioaktiivisten aineiden imeytymiseen ja poistumiseen voidaan myös vaikuttaa. Joditablettien syöminen radioaktiivisen päästön aikana kyllästää kilpirauhasen puhtaalla jodilla, mikä vähentää merkittävästi I131:n imeytymistä.

Välittömien fysikaalisten vaikutusten lisäksi kehon kollektiivista säteilyrasitusta kuvaava efektiivinen annos ottaa siis huomioon myös joukon biologisia tekijöitä. Voimakkaan säteilyaltistuksen tiedetään korreloivan esimerkiksi tiettyjen syöpätyyppien esiintyvyyden kanssa. Väestötasolla altistus voi näkyä poikkeama tilastoissa, mikä yksilötasolla tarkoittaa kohonnutta syöpäriskiä. Välittömästi ilmenevien (determinististen) terveysvaikutusten sijaan efektiivistä annosta käytetäänkin säteilybiologiassa eräänlaisena altistusmittarina, joka voidaan liittää esimerkiksi myöhemmin esiteltävää LNT-mallia käyttäen säteilyannoksen pitkällä aikavälillä aiheuttamiin tilastollisiin (stokastisiin) riskeihin.

Koska radioaktiivisia aineita on kaikkialla elinympäristössä, myös kaikki ihmiset altistuvat väistämättä jatkuvasti säteilylle. Ulkoisen taustasäteilyn annosnopeus vaihtelee Suomessa välillä 0.05-0.30 µSv/h. Vaikka ulkopuoliselta säteilyaltistukselta pystyisi suojautumaan täydellisesti, säteilyannosta on mahdoton välttää jo pelkästään siitä syystä, että kehon sisällä tapahtuu suuruusluokkaa 4000 radioaktiivisen K40-isotoopin hajoamisreaktioita joka sekunti (kts. yllä oleva taulukko). Luonnollinen säteilytausta asettaa myös efektiiviset annokset oikeaan mittakaavaan. Suomalaisen keskimääräinen vuotuinen säteilyannos on esitetty lohkokaaviona kuvassa 3.

Annoskakku

Kuva 3: Suomalaisten keskimääräinen vuosittainen säteilyannos. Asuntojen sisäilmassa oleva radon (Rn222) on maaperästä nouseva radioaktiivinen jalokaasu, jota syntyy uraanin U238-isotoopin hajoamissarjassa. Ulkoinen taustasäteily on peräisin maaperässä ja rakennusmateriaaleissa olevista radioaktiivisista aineista. Ulkoista säteilyannosta aiheuttaa myös avaruudesta peräisin oleva kosminen säteily. Kehon sisäisistä radioaktiivisista aineista merkittävin on kaliumin isotooppi K40. Tšernobyl-laskeuma ja ydinkokeet viittaavat käytännössä cesiumin isotooppiin Cs137, jota löytyy edelleen Suomen luonnosta. Lähde: STUK. Vuonna 2020 julkastuissa annostilastoissa radonista keskimäärin aiheutuva säteilyannos nousi 4 millisievertiin, ja suomalaisen keskimääräinen vuotuinen annos 5.9 mSv:iin. Muutos on seurausta kansainvälisen säteilysuojelukomitean ICRP:n uudesta tavasta määrittää hengitysilman radonin aiheuttama efektiivinen annos. Eli uuden laskentatavan mukaan yksi becquereli radonia aiheuttaa yli kaksinkertaisen annoksen vanhaan tapaan verrattuna.

Puolet vuotuisesta 3.2 mSv annoksesta aiheutuu sisäilman radonista. Huoneilman radonpitoisuudet voivat kuitenkin vaihdella jopa useita kertaluokkia maantieteellisen sijainnin, maaperän tyypin ja rakennustavan mukaan. Harjualueilla maaperä koostuu huokoisesta sorasta, joka päästää tehokkaasti kaasumaisen radonin läpi. Tällaiselle maaperälle rakennetussa pientalossa sisäilman radonpitoisuus voi helposti nousta niin korkeaksi, että sen aiheuttama säteilannos on moninkertainen suomaisten vuosikeskiarvoon verrattuna. Tilastollisesti kymmenen millisievertin vuosiannos ylittyy noin kahdella prosentilla pientalojen asukkaista, ja korkeimmat annokset ovat olleet jopa satoja millisievertejä vuodessa.

Se, että kuvan 3 annoksissa on yksilötasolla suurta hajontaa, näkyy myös siinä, että säteilyn lääketieteellisen käytön osuus on suhteellisen suuri, vaikka altistus koskettaa vuosittain vain pientä osaa väestöstä. Yksittäinen hammasröntgenkuvaus aiheuttaa potilaalle noin 0.01 millisievertin efektiivisen annoksen. Kehon osien, kuten keuhkojen ja lannerangan kuvauksesta aiheutuvat annokset ovat tyypillisesti kymmeniä kertoja suurempia. Vartalon tietokonetomografiakuvauksesta aiheutuva kerta-annos voi ylittää suomalaisen keskimääräisen vuosiannoksen lähes kolminkertaisesti. Myös radioaktiivisiin merkkiaineisiin perustuvat isotooppitutkimukset altistavat potilaan ylimääräiselle säteilylle. Sydänlihaksen verenkierron tutkimuksessa käytettävissä merkkiainekuvauksissa annos voi ylittää 20 mSv.viii

Radioaktiivisten aineiden ja säteilyn parissa työskenteleviä ammattiryhmiä ovat esimerkiksi monet terveydenhuollon ja ydinvoimalaitosten työntekijät. Lain mukaan säteilytyöntekijöiden efektiivinen vuosiannos ei saa ylittää 50 millisievertin rajaa, tai viiden vuoden keskiarvona 20 mSv vuodessa. Säteilytyöntekijöiden annoskertymää seurataan henkilökohtaisilla dosimetreillä. Seurannan piirissä on Suomessa yli kymmenentuhatta työntekijää. Vuosiannosrajojen ylityksiä tapahtuu harvoin, ja keskimäärin säteilytyöntekijöiden vuosittainen annoskertymä jää alle kymmenen millisievertin.

Varsinaisten säteilytyöntekijöiden lisäksi myös lentohenkilöstö altistuu merkittävästi ylimääräiselle säteilylle. Kosmisen säteilyn annosnopeus matkalentokorkeudessa voi olla yli satakertainen (3-8 µSv/h) maanpinnan tasoon verrattuna. Lentäjien ja matkustamohenkilökunnan säteilyaltistusta arvioidaan laskennallisesti lentotuntien perusteella. Keskimäärin vuosittaiset säteilyannokset ovat olleet 2-3 mSv luokkaa, ja suurimmillaan hieman yli 5 mSv. Satunnaisten kerta-annosten sijaan lentokoneessa työskentely aiheuttaa tasaisen ja pitkäaikaisen säteilyaltistuksen, minkä vuoksi kollektiivista säteilyannosta tarkasteltaessa lentohenkilöstö nousee kaikkein merkittävimmäksi yksittäiseksi ryhmäksi. Jopa kolme neljäsosaa seurannan piirissä olevien työntekijöiden kollektiivisesta annoksesta kertyy lentokoneiden ohjaamo- ja matkustamohenkilökunnalle.

Säteilyn pitkällä aikavälillä aiheuttamia stokastisia terveysvaikutuksia arvioidaan lineaariseen ekstrapolaation perustuvalla nk. LNT-mallilla (engl. ”linear no-treshold model”). Malli perustuu tilastolliseen analyysiin ja aineistoon, jota on kerätty seuraamalla säteilylle altistuneiden ihmisten terveydentilaa kymmeniä vuosia altistuksen jälkeen. Merkittävimmän seurantaryhmän muodostavat Japanin atomipommituksista vuonna 1945 selvinneet Hiroshiman ja Nagasakin kaupunkien asukkaat. Lyhyen aikavälin sisällä saatuna jo alle sadan millisievertin säteilyaltistus on näiden tilastojen perusteella yhdistetty kasvaneeseen todennäköisyyteen sairastua myöhemmin elämässä tiettyihin syöpiin.ix

LNT-mallin tiedetään siis ennustavan varsin luotettavasti säteilyn stokastisia vaikutuksia silloin, kun altistus poikkeaa selvästi luonnon säteilytaustasta. Mallia on kuitenkin kritisoitu paljon siitä, että sitä sovelletaan sellaisenaan myös pieniin ja pitkällä aikavälillä saatuihin annoksiin, jolloin sen epäillään yliarvioivan merkittävästi säteilyn väestötasolla aiheuttamaa syöpävaikutusta. LNT-mallin luotettavuuden arvostelu leimautuu helposti yritykseksi vähätellä ydinvoimalaonnettomuuksien seurauksia, minkä vuoksi aihe on ydinvoimaviestinnän kannalta erityisen vaikea. Väitteille on kuitenkin olemassa vankka tieteellinen pohja, ja mallin käyttöön liittyviä ongelmia on nostettu esille myös ydinenergia-alan ulkopuolella.

Syy siihen miksi suurilla säteilyaltistuksilla havaittu korrelaatio ylipäänsä ekstrapoloidaan koskemaan myös pieniä annoksia on yksinkertaisesti se, ettei parempaakaan tilastollista mallia ole olemassa. Syöpää esiintyy kaikissa väestöryhmissä, ja kaikki ihmiset myös altistuvat jatkuvasti luonnon taustasäteilylle. Vuosittain kirjattavien syöpätapausten lukumäärissä on paljon tilastollista vaihtelua. Taustasäteilyn voimakkuus puolestaan riippuu esimerkiksi asuinpaikasta, eikä tarkan säteilyannoksen määrittäminen ole käytännössä edes mahdollista. Kun lisäys säteilyaltistuksessa on samaa suuruusluokkaa luonnollisen säteilytaustan kanssa, tuntemattomista ja satunnaisista tekijöistä aiheutuva tilastollinen epävarmuus ylittää moninkertaisesti LNT-mallin ennustaman syöpäriskin kasvun. Ongelma palautuu lopulta siihen, että tilastollista korrelaatiota ei ole edes teoriassa mahdollista määrittää silloin, kun se hukkuu täysin aineiston satunnaiskohinaan.

LNT-mallia voidaan tavallaan pitää valistuneena arvauksena, joka antaa konservatiivisia tuloksia. Vaikka mallin soveltuvuudesta pieniin säteilyannoksiin ei ole olemassa tilastollista näyttöä, ei ole myöskään syytä olettaa, että malli ainakaan aliarvioisi syöpäriskiä. Ennusteiden konservatiivisuus ei ole erityisen suuri ongelma sovellettaessa mallia ennaltaehkäiseviin toimenpiteisiin, esimerkiksi määritettäessä rajoituksia ydinvoimalaitosten radioaktiivisille päästöille tai säteilytyöntekijöiden vuosiannoksille. Varovaisuusperiaatteen noudattaminen on tällöin varsin perusteltua. Mallin tuloksia voidaan tällöin tulkita esimerkiksi siten, että niin kauan kuin säteilyn parissa työskentelevien ihmisten vuosiannokset pysyvät sallituissa rajoissa, ylimääräisiltä syöpätapauksilta vältytään hyvin suurella todennäköisyydellä kokonaan.

Tilastollisen näytön puuttuminen ei kuitenkaan ole ainoa syy siihen, miksi LNT-mallin luotettavuutta pidetään kyseenalaisena arvioitaessa pienten säteilyannosten vaikutuksia. Virhettä ylöspäin voidaan nimittäin perustella myös fysiologisilla tekijöillä. Syövän syntymekanismeihin liittyy paljon tuntemattomia tekijöitä, mutta pohjimmiltaan kyse on leviämään päässeestä mutaatiosta solun perimäaineksessa, joka saa terveen kudoksen kehittymään kasvaimeksi. Näitä mutaatioita tapahtuu jatkuvasti, ja soluilla on käytössään erilaisia korjausmekanismeja niiden leviämisen estämiseksi. Säteilyaltistus on yksi mutaatioita aiheuttavista tekijöistä, ja kun altistus kasvaa, myös mutaatioita tapahtuu nopeammin. Solun sisäisille korjausmekanismeille on fysiologisesti ominaista se, että ne pystyvät toimimaan tehokkaasti niin kauan kuin vaurioita tapahtuu hitaammin kuin niitä pystytään korjaamaan. Tällaisessa tilanteessa säteilyannoksen kasvattaminen ei välttämättä kasvata syöpäriskiä, tai annoksen pienentäminen vähennä sitä.

Arkielämän kannalta tutumpi esimerkki samankaltaisten korjausmekanismien toiminnasta on ihon altistuminen ultraviolettisäteilylle voimakkaassa auringonpaisteessa. Lyhytaikainen oleskelu auringossa ei yleensä aiheuta ongelmia vaikka se olisi toistuvaa ja päivittäistä, sillä ihosolut pystyvät altistusten välissä palautumaan ja korjaamaan syntyneet vauriot. Kerta-annoksena tuntien yhtämittainen altistuminen UV-säteilylle voi sen sijaan saada ihon palamaan, minkä on jo merkki vakavista vaurioista solutasolla. Analogia säteilyn pitkäaikaisvaikutuksiin ei ole täydellinen, mutta esimerkki osoittaa sen, että UV-säteilyn vaikutuksia ei voida kuvata tarkastelemalla ainoastaan kumulatiivista altistusta, vaan myös aika, jonka kuluessa vauriot ovat syntyneet, vaikuttaa merkittävästi lopputulokseen.

Ionisoivan säteilyn terveysvaikutuksia kuvaavan LNT-mallin mukaan suuri annosnopeus ja lyhyt altistusaika tuottavat kuitenkin saman lopputuloksen kuin pieni annosnopeus ja pitkä altistus, jos vain kokonaisannos on molemmissa tapauksissa sama. Oletus vaikutusten täydellisestä kumuloitumisesta sopii huonosti yhteen ihmisen fysiologian kanssa, sillä nopeasti saatu suuri annos kuormittaa elimistöä huomattavasti enemmän. Saman suuntaisia tuloksia on saatu myös eläinkokeista sekä molekyyli- ja solutason tutkimuksista, joissa syöpäriskin on havaittu liittyvän vahvemmin annosnopeuteen kuin pitkällä aikavälillä saatuun kokonaisannokseen.

Tunnetuista puutteistaan huolimatta LNT-mallia käytetään yleisesti arvioimaan radioaktiivisten päästöjen suurelle väestölle aiheuttamaa terveyshaittaa, esimerkiksi ydinvoimalaonnettomuuksien jälkeen. Kertomalla mallin antama riskitekijä väestön koolla, saadaan tulokseksi ennuste odotettavissa olevien syöpätapausten kokonaismäärälle. Tätä menetelmää voidaan soveltaa, oli säteilyaltistus miten pieni tahansa, ja jos tarkasteltavan väestön koko on riittävän suuri ja aikaväli riittävän pitkä, lopputulos on aina nollasta poikkeava luku. Kun mallia käytetään tällä tavoin ilman reunaehtoja, sillä on käytännössä mahdoton saada yksiselitteisiä tuloksia. Ongelmaa kuvaa hyvin se, että eri asiantuntija-arviot saattavat poiketa toisistaan jopa useita kertaluokkia jo pelkästään siitä syystä, että säteilylle altistuneen väestön koko on määritelty eri tavalla.

Säteilyturvallisuuden ja -fysiologian ammattilaisten muodostama yhdysvaltalainen Health Physics Society antoi vuonna 2016 uuden suosituksen, jonka mukaan LNT-mallin käyttöä tulisi välttää arvioitaessa säteilyn pitkäaikaisvaikutuksia tilanteissa, joissa annosnopeus on samaa suuruusluokkaa luonnon taustasäteilyn kanssa. Ihmisen keskimääräinen luonnollisesta taustasäteilystä aiheutuva annoskertymä 80 ikävuoteen mennessä on 200-300 millisievertin luokkaa. Suositus asettaa siten kyseenalaiseksi LNT-mallin käytön esimerkiksi tilanteessa, jossa 100 mSv:n ylimääräinen säteilyannos kertyy usean vuosikymmenen aikana. Tšernobylin ja Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuksista suurelle väestölle aiheutuneet säteilyaltistukset jäävät vielä paljon pienemmiksi, mikä puolestaan herättää kysymyksen sitä, pitäisikö laskennallisia arviota syöpätapausten lukumääristä tulkita lainkaan oikeaa suuruusluokkaa edustaviksi tuloksiksi, vai onko kyse pikemminkin hyvin konservatiivisista yläraja-arvioista? Siihen, miksi konservatiivisuutta pidetään huonona perusteluna mallin käytölle väestön terveydentilan ennustamisessa, palataan tarkemmin vielä kirjoituksen jälkimmäisessä osassa.


i) Koska ytimen stabiilisuus määräytyy sen nukleonikonfiguraation perusteella, myöskään radioaktiivisuus ei atomitason mittakaavassa ole ominaisuus joka voi siirtyä ytimeltä toiselle. Radioaktiivisen lähteen säteilykenttään tuotu ei-radioaktiivinen kappale ei tästä syystä (vastoin yleistä mielikuvaa) muutu säteilyn vaikutuksesta radioaktiiviseksi. Aktivoituminen edellyttää aina muutosta nukleonitasolla, sillä jotta aineen stabiilit atomiytimet voisivat muuttua radioaktiivisiksi isotoopeiksi, niiden on joko saatava jostain lisää protoneita tai neutroneita, tai hankkiuduttava niistä eroon. Radioaktiivisen hajoamisen tuottama säteily ei pääsääntöisesti kykene tällaisia ydinmuutoksia aiheuttamaan.

ii) Yleisesti ottaen sähkömagneettista säteilyä syntyy sellaisissa energiamuutoksissa, joihin liittyy sähköisiä voimia (varauksen liiketilan muutos synnyttää sähkö- ja magneettikenttiin häiriöitä, jotka ilmenevät sähkömagneettisena säteilynä). Sähköisessä piirissä kulkevan virran värähtely tuottaa radio- ja mikroaaltoja. Infrapunasäteily liittyy molekyylitason lämpöliikkeeseen, ja näkyvää valoa ja ultraviolettisäteilyä puolestaan syntyy atomien elektronien energiatilamuutoksissa. Gammasäteily on peräisin ilmiöistä, jotka tapahtuvat atomin ytimessä. Sähkömagneettista säteilyä tuottavien ilmiöiden energiatiheys heijastuu suoraan niissä syntyvän säteilyn energiaan. Atomi- ja molekyylitason ilmiöihin verrattuna radioaktiivisessa hajoamisessa ja ydinreaktioissa tapahtuvat energiamuutokset ovat monta kertaluokkaa suurempia, joten myös niissä syntyvillä fotoneilla on huomattavasti enemmän energiaa.

iii) Gammasäteilyn vaimeneminen noudattaa likimain eksponentiaalista lakia, joka tarkoittaa sitä, että intensiteetin suhteellinen muutos kuljettua matkaa kohden on vakio. Eri aineille voidaan tällä oletuksella määrittää sille ominainen puoliintumispaksuus, joka tarkoittaa nimensä mukaisesti materiaalipaksuutta, jonka matkalla säteilyn intensiteetti putoaa puoleen. Esimerkiksi 5 MeV gammafotoneille ilman, veden, betonin ja lyijyn puoliintumispaksuudet ovat n. 200 m, 25 cm, 10 cm ja 1.5 cm. Eksponentiaalinen vaimenemislaki on todellisuudessa kuitenkin vain approksimaatio, joka ei huomioi esimerkiksi fotonien sirontaa ja vuorovaikutuksissa syntyvää sekundääristä säteilyä.

iv) Eksponentiaalinen hajoamislaki tarkoittaa sitä, että radioaktiivisessa näytteessä tietyllä aikavälillä hajoavien ytimien suhteellinen osuus on vakio. Puoliintumisaika kertoo sen aikavälin pituuden, jonka kuluessa radioaktiivisella ytimellä on 50% todennäköisyys hajota. Koska kyse on riippumattomasta satunnaisprosessista, todennäköisyyteen ei vaikuta se, miten kauan ydin on ollut ennen tarkasteluhetkeä olemassa. Yhden puoliintumisajan kuluessa radioaktiivisen näytteen ytimistä hajoaa keskimäärin puolet. Jokaisella jäljelle jääneellä ytimellä on taas 50% todennäköisyys hajota seuraavan puoliintumisajan kuluessa, minkä jälkeen jäljellä on enää keskimäärin neljäsosa alkuperäisistä ytimistä, jne…

v) Alfa-, beta-, röntgen- ja gamma- ja neutronisäteilyä kutsutaan myös ionisoivaksi säteilyksi. Ionisoivaan säteilyyn luetaan toisinaan myös näkyvän valon ja röntgensäteilyn aallonpituusalueiden välimaastoon sijoittuva ultraviolettisäteily, jonka muodostavilla fotoneilla on energiaa kymmeniä tai satoja elektronivoltteja. Säteilysuojelumielessä merkityksellisiä säteilylajeja ovat lähinnä alfa-, beta- ja gammasäteily. Radioaktiiviset lähteet eivät tavallisesti emittoi neutroneita, mikä pätee myös reaktorionnettomuudesta peräisin olevaan ydinlaskeumaan. Vaarallisen voimakkaalle neutronisäteilylle altistuminen edellyttääkin käytännössä kriittisyysonnettomuutta, jossa ketjureaktio käynnistyy odottamattomasti esimerkiksi fissiilin materiaalin käsittelyn aikana.

vi) Esimerkiksi syövän sädehoidossa käytettävät kobolttilähteet pystyvät tuottamaan minuutissa kahden grayn paikallisen annoksen kapean säteilykeilan kohdistuessa suoraan kasvaimeen. Tällaisen säteilylähteen turvallinen käsittely edellyttää tehokasta suojausta, sillä ilman suojaa säteilytaso lähteen läheisyydessä nousee tappavan korkeaksi. Viimeisin vakava kriittisyysonnettomuus tapahtui Japanin Tokai-Murassa sijaitsevassa polttoainelaitoksessa vuonna 1999. Korkeasti väkevöidyn uraaniliuoksen huolimaton ja turvallisuusohjeiden vastainen käsittely johti ketjureaktio käynnistymiseen sekoitusastiassa. Kaksi laitoksen työntekijää kuoli saatuaan korkean säteilyannoksen (6-20 Gy). Osa annoksesta aiheutui gammasäteilyn lisäksi myös fissioreaktioissa vapautuneista neutroneista.

vii) Tarkemmin sanottuna biologista haittaa kuvaava annossuure on nimeltään ekvivalenttiannos, joka määritetään erikseen kehon osille ja sisäelimille. Ekvivalenttiannos on absorboituneesta annoksesta laskettu stokastista säteilyvaikutusta kuvaava suure, joka voidaan liittää esimerkiksi syövän kehittymisen todennäköisyyteen. Laskennassa käytetyt painotuskertoimet ottavat huomioon säteilyn laadun, eli sen, miten todennäköisesti säteilylaji aiheuttaa pitkäkestoisia vaikutuksia kudoksessa. Esimerkiksi voimakkaasti ionisoivan alfasäteilyn arvioidaan olevan 20 kertaa karsinogeenisempaa kuin beta- tai gammasäteilyn, vaikka absorboitunut annos olisi molemmissa tapauksissa sama. Koko elimistön kollektiivista säteilyhaittaa mittaava efektiivinen annos saadaan painotettuna keskiarvona ekvivalenttiannoksista, painottamalla säteilylle altistuneita kudoksia niille ominaisilla kertoimilla. Nämä kertoimet ottavat huomioon esimerkiksi sen, että eri kudostyypit kestävät säteilyä eri tavoin, ja myös niiden rooli elimistön toiminnan kannalta on erilainen. Uusia verisoluja muodostavan luuytimen saama säteilyannos on vahingollisempi kuin vastaavan suuruinen ekvivalenttiannos iholle. Sisäelinkohtaisten ekvivalenttiannosten tarkka määrittäminen edellyttää varsin yksityiskohtaista tietoa säteilyaltistuksesta, mutta efektiivisen annoksen suuruusluokka voidaan arvioida myös käyttämällä erilaisia approksimaatioita. Tästä syystä efektiivinen annos on käyttökelpoinen suure määritettäessä esimerkiksi säteilyaltistusta väestötasolla, tai säteilytyöntekijöiden vuosiannoskertymää.

viii) Säteilyn lääketieteellisessä käytössä suurimmat annokset aiheutuvat syövän sädehoidosta, jolloin kasvaimeen kohdistuva absorboitunut annos voi olla kokonaisuudessaan jopa 50-70 Gy. Säteilytys annetaan useampana hoitokertana, välttäen mahdollisuuksien mukaan altistusta terveeseen kudokseen. Potilaan efektiivinen kokokehoannos voi siitä huolimatta kasvaa huomattavasti suuremmaksi kuin röntgen- ja isotooppitutkimuksissa. Rankat hoitojaksot voivat aiheuttaa potilaalle palovammoja, ja jopa säteilysairauden oireita.

ix) Säteilyn terveysvaikutuksia on käsitelty varsin yksityiskohtaisesti STUK:in Säteily- ja ydinturvallisuus -kirjasarjan neljännessä osassa. Syövän syntymekanismeja ja esim. pienten annosten vaikutuksia arvioivia tilastollisia malleja selitetään tarkemmin kirjan viidennessä luvussa.

Missä viipyy nopea hyötöreaktori?

Jaakko Leppänen – 8.7.2018

Törmäsin toissa viikolla ydinvoima-aiheiseen uutiseen, jossa kerrottiin, että maailman ensimmäinen julkiseen sähköverkkoon kytketty ydinreaktori Neuvostoliiton Obninskissa täytti 64 vuotta. Oikeastaan ensimmäisen sähköä tuottaneen ydinlaitoksen tittelistä kilpailee eri perustein kaikkiaan viisi ehdokasta. Ensimmäiset ampeerit ydinsähköä saatiin USA:ssa jo vuonna 1948, kun Oak Ridgen tutkimuslaboratoriossa toimineeseen X-10 prototyyppireaktoriin asennettiin kokeilumielessä höyrylinja, joka kytkettiin pöytämalliseen höyrykoneen pienoismalliin pyörittämään pientä dynamoa. Kolme vuotta myöhemmin Idahoon perustetulle uudelle koealueelle rakennettu EBR-I oli puolestaan ensimmäinen jatkuvatoimisesti sähkötehoa tuottanut reaktori. Yhdysvalloissa ensimmäinen julkiseen sähköverkkoon kytketty reaktori oli Arcon pikkukaupungin väliaikaisesti sähköistänyt BORAX-III vuonna 1955, ja Iso-Britanniassa vuotta myöhemmin toimintansa aloittanut Calder Hall puolestaan tuotti ensimmäisenä ydinsähköä kaupallisille markkinoille. Edellä mainittu Obninskin reaktori aloitti siis toimintansa jo kesäkuussa 1954, mutta kapitalistisessa lännessä sitä ei haluttu tunnustaa ydinenergian kaupalliseksi sovellukseksi.

Ydinteknologian kehitys eteni 1940-1950 -lukujen vaihteessa hämmästyttävän nopeasti. Ensimmäiset ydinreaktorit oli kehitetty vasta toisen maailmansodan jälkipuoliskolla, ja yksinomaan ydinaseissa käytettävän plutoniumin valmistusta silmällä pitäen. Sodan jälkeen teknologialle alettiin kuitenkin pian etsimään myös rauhanomaista käyttöä. Ydinenergian valjastaminen sähköntuotantoon olikin uudelle teknologialle varsin luonteva sovelluskohde jo alusta pitäen. Yksi ensimmäisistä siviilipuolen hankkeista oli edellä mainittu vuonna 1951 valmistunut EBR-I (Experimental Breeder Reactor), joka tuli suurelle yleisölle tunnetuksi ennen kaikkea siitä, että sen tuottama fissioenergia riitti sytyttämään neljä reaktorirakennuksen valaistukseen käytettyä sähkölamppua. Tämän symbolisen saavutuksen lisäksi reaktori poikkesi kuitenkin merkittävästi kaikista muista varhaisista prototyypeistä. EBR-I oli nimittäin ensimmäinen nopea hyötöreaktori, joka kykeni valmistamaan itse oman polttoaineensa.

Hyötöreaktori on termi, johon törmää edelleen varsin usein ydinenergiaa käsittelevissä kirjoituksissa ja keskusteluissa, erityisesti silloin kun aiheet sivuavat alan tulevaisuutta. Yritän tässä kirjoituksessa hieman avata tätä futuristista teknologiaa, joka on siis itse asiassa ollut käytössä kauemmin kuin kaupallinen ydinvoima. Aihe liittyy läheisesti aikaisempaan toriumreaktoreita käsittelevään kirjoitukseen, sillä toriumin käyttö ydinpolttoaineena edellyttää myös eräänlaista hyötöreaktorikiertoa.

Yksi ydinenergiantuotannon perimmäisistä haasteista on se, että luonnossa esiintyvä uraani koostuu kahdesta isotoopista: U238 ja U235, joista ainoastaan jälkimmäinen kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Isotooppien atomiosuudet ovat 99.3% ja 0.7%, ja vaikka reaktori on mahdollista saada toimimaan jopa luonnonuraanilla, sen tuottama energia on pääosin peräisin isotoopista, jonka osuus maaperästä louhittavasta raaka-aineesta on häviävän pieni. Kun ydinenergian käyttökohteet ja potentiaali alkoivat sodan jälkeen hahmottua, myös huoli polttoaineen saatavuudesta nousi nopeasti esille. Uraanille ei vielä vuosikymmentä aikaisemmin ollut merkittävää teollista käyttöä, ja matalan kysynnän vuoksi maailmassa oli vain muutama uraanimalmia tuottava kaivos. Kysyntä ylitti kuitenkin nopeasti tarjonnan suurvaltojen välisen asevarustelukierteen päästessä vauhtiin, ja huoli maailman uraanivarojen riittävyydestä oli varsin konkreettinen.

Niukkana pidetty luonnonvara oli siis saatava tehokkaampaan käyttöön. Ratkaisuksi alettiin jo varhaisessa vaiheessa suunnittelemaan plutoniumia, jota syntyi luonnostaan reaktorin polttoaineeseen uraanin runsaslukuisen U238-isotoopin neutronikaappausreaktiossa:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Kahden radioaktiivisen betahajoamisen kautta syntynyt Pu239 kykenee U235:n tapaan ylläpitämään ketjureaktion kulkua. 1950-luvulle tultaessa teknologia plutoniumpolttoaineen valmistamiseen oli myös olemassa, sillä ensimmäiset tuotantolaitokset oli rakennettu Manhattan-projektin tarpeisiin jo vuonna 1944. Ydinaseplutoniumia tuottavissa reaktoreissa oli kuitenkin yksi ylitsepääsemätön ongelma: fissiiliä Pu239-isotooppia syntyi vähemmän kuin kallisarvoista U235:ä kului. Ydinaseiden valmistuksen kannalta tämä ei ollut erityisen suuri ongelma,i mutta laajamittaiseen energiantuotantokäyttöön teknologia ei tarjonnut kestävää ratkaisua.

Periaatteellisella tasolla ratkaisu ongelmaan oli varsin yksinkertainen. Jotta itseään ylläpitävä ketjureaktio voi käynnistyä reaktorin sydämessä, uraani- tai plutoniumytimien fissioissa on synnyttävä jokaista polttoaineeseen absorboitunutta neutronia kohden keskimäärin vähintään yksi uusi neutroni. Tämä on välttämätön, joskaan ei vielä riittävä ehto reaktorin toiminnalle. Jos tämän lisäksi myös muut häviöt saadaan riittävän pieniksi, ytimien halkaisemiseen käytetyt neutronit voivat korvautua jatkuvasti uusilla, jolloin reaktioketju pääsee etenemään fissiosta toiseen.ii

Jos fissioissa kuitenkin syntyy absorptiota kohden yhden neutronin sijaan keskimäärin vähintään kaksi uutta neutronia, niin ketjureaktion ylläpitämisen kannalta ylimääräinen hiukkanen voidaan käyttää edellä esitetyn reaktioyhtälön mukaan konvertoimaan U238-ydin plutoniumin Pu239-ytimeksi. Fissiossa menetetyn neutronin lisäksi myös menetetty ydin korvautuu tällöin uudella. Kyse on siis lopulta neutronitaloudesta – jos reaktori kykenee tuottamaan riittävästi ylimääräisiä neutroneita, se kykenee myös jatkuvasti uudistamaan oman polttoaineinventaarinsa. Tarkemmin sanottuna kyse on siitä, että luonnonuraanin molemmat isotoopit saadaan tällöin tehokkaasti energiantuotantokäyttöön. Tällaista reaktoria alettiin kutsumaan hyötöreaktoriksi (engl. ”breeder reactor”).

Ensimmäiset ydinreaktorit suunniteltiin toimimaan matalaenergisillä eli nk. termisillä neutroneilla, joilla on suuri todennäköisyys törmätä polttoaineessa helposti fissioituvaan U235-ytimeen. Koska teknologia isotooppien erottamiseen oli vasta kehitteillä, polttoaineena jouduttiin käyttämään luonnonuraania. Matalan U235-pitoisuuden vuoksi terminen neutronispektri oli välttämätön edellytys sille, että ketjureaktio ylipäänsä saatiin itseään ylläpitävään tilaan. Häviöiden minimoimiseksi neutronien hidastamiseen käytettiin puhtaasta hiilestä koostuvaa grafiittia, tai vaihtoehtoisesti vedyn raskaasta deuterium-isotoopista muodostuvaa raskasta vettä. Myös kaikki nykyisin käytössä olevat paine- ja kiehutusvesityyppiset kevytvesireaktorit hyödyntävät samaa periaatetta. Neutronien hidastumista ja termisten reaktoreiden fysiikkaa on käsitelty tarkemmin reaktorin stabiilisuuteen vaikuttavien takaisinkytkentöjen yhteydessä.

Termisen neutronispektrin reaktoreissa uraanin U235-isotoopin neutronituotto riittää teoriassa rimaa hipoen täyttämään polttoaineen hyötämisen edellytykset. Käytännössä reaktorissa tapahtuu kuitenkin niin paljon neutronihäviöitä, että konversiosuhde, eli fissiilin materiaalin tuotannon suhde kulutukseen, jää väistämättä alle ykkösen. Fissioreaktion neutronituotto riippuu kuitenkin voimakkaasti reaktion aiheuttaneen neutronin energiasta. Jos reaktori saadaan termisen spektrin sijaan toimimaan korkeaenergisillä eli nopeilla neutroneilla, fissioissa syntyy myös keskimäärin enemmän uusia neutroneita. Konversiosuhde voi tällöin nousta yli ykkösen, jolloin reaktori alkaa hyötämään.iii

Ketjureaktion käynnistyminen nopealla neutronispektrillä toimivan reaktorin polttoaineessa edellyttää sitä, että helposti fissioituvan uraanin tai plutoniumin osuus nostetaan vähintään kymmenen prosentin tienoille. Nopea reaktori ei siis voi toimia luonnonuraanilla, tai edes matalasti väkevöidyllä kevytvesireaktoripolttoaineella (väkevöinti 3-5%). Toinen haaste on neutronien luontainen taipumus hidastua törmätessään kevyisiin atomiytimiin. Neutronit syntyvät fissiossa energiaspektrin megaelektronivolttialueelle, ja jokainen törmäys esimerkiksi kevyeen vety-ytimeen pudottaa liike-energian keskimäärin puoleen. Reaktorin suunnittelijoille tämä tarkoitti ennen kaikkea sitä, että vetyä sisältävän veden käyttäminen polttoaineen jäähdyttämiseen oli täysin poissuljettu ajatus. Termisten ja nopeiden reaktorien toimintaperiaatteita sekä neutronituoton riippuvuutta reaktorin energiaspektristä on havainnollistettu kuvassa 1.

Keskimääräinen fissioneutronituotto absorptiota kohden

Kuva 1. Keskimääräinen fissioneutronituotto polttoaineen absorptiota kohden painevesireaktorissa (PWR) ja natriumjäähdytteisessä nopeassa reaktorissa (SFR). Luku kertoo kuinka monta uutta fissioneutronia keskimäärin vapautuu kun neutroni absorboituu polttoaineeseen. Neutronit syntyvät energia-asteikon yläpäähän, ja niiden elinkaari kulkee oikealta vasemmalle. Jokainen piste kuvaa yhtä törmäystä. Termiset reaktorit toimivat energiaspektrin keskivaiheilla olevan voimakkaasti neutroneita kaappaavan resonanssialueen alapuolella. Matalaenergisillä neutroneilla on suuri todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen, mikä nostaa keskimääräisen neutronituoton niin korkeaksi, että itseään ylläpitävä ketjureaktio voi käynnistyä matalasti väkevöidyssä polttoaineessa. Nopeat reaktorit toimivat vastaavasti resonanssialueen yläpuolella. Fission todennäköisyys saadaan korkeaksi nostamalla helposti fissioituvan isotoopin atomiosuutta, sekä minimoimalla neutronien hidastuminen resonanssialueelle. Välttämätön ehto ketjureaktion käynnistymiselle on että riittävän suuri osuus neutroneista absorboituu polttoaineeseen sellaisella energia-alueella, missä fissioneutronituotto ylittää ykkösen. Polttoaineen hyötäminen edellyttää puolestaan sitä, että jokaista absorptiota kohden syntyy vähintään kaksi uutta fissioneutronia. Jälkimmäinen ehto täyttyy ainoastaan energiaspektrin yläpäässä.

EBR-I:ssä jäähdytteeksi valikoitui natriumin ja kaliumin eutektinen seos, joka on huoneenlämmössä nestemäisessä olomuodossa. Vaikka kyse ei ole erityisen raskaista alkuaineista, jäähdytteen vaikutus reaktorin neutronispektriin oli selvästi vettä vähäisempi. Neutronin energiamuutos elastisessa törmäyksessä jää keskimäärin alle kahdeksaan prosenttiin, mikä riitti pitämään spektrin huipun korkealla energia-alueella. Ketjureaktio käynnistyi ensimmäisen kerran elokuussa 1951. Reaktorin sydän oli vain hieman maitotölkkiä suurempi, ja se tuotti parhaimmillaan 1.2 megawattia fissiotehoa. Ensimmäinen polttoainelataus koostui väkevöidystä uraanista, mutta polttoaine vaihdettiin myöhemmin plutoniumiin. EBR-I demonstroi hyötämisen periaatteen vuonna 1953, ja parhaimmillaan plutoniumin nettotuotto nousi 27%:iin. Hyötöreaktori saatiin siis todella toimimaan ennen kuin ensimmäistäkään ydinvoimalaitosta oli kytketty julkiseen sähköverkkoon.

EBR-I jatkoi toimintaansa vuoteen 1964 saakka. Samana vuonna Idahossa aloitti toimintansa kooltaan suurempi EBR-II, jota voidaan pitää yhtenä onnistuneimmista nopean hyötöreaktorin prototyypeistä. Reaktorin jäähdytteenä käytettiin puhdasta natriumia, ja 62.5 megawatin fissiotehon lisäksi se tuotti 20 MW jatkuvaa sähkötehoa. EBR-II:n erityispiirre oli metallinen polttoaine (tavallisimmin polttoaine on reaktorissa oksidina), sekä reaktorin yhteyteen rakennettu pyrometallurgiseen prosessiin perustuva jälleenkäsittelylaitos, missä reaktorista poistetut polttoaineniput purettiin, sulatettiin, ja fissiotuotteista puhdistetusta plutoniumista valmistettiin uutta polttoainetta. Reaktori toimi demonstraatio- ja koelaitoksena menestyksekkäästi 30 vuoden ajan, mitä voidaan pitää käytännön osoituksena hyötöreaktoriteknologian toimivuudesta. EBR-II:n menestys loi 1980-luvulla pohjan teknologian kaupallistamiseen tähdänneelle Integral Fast Reactor (IFR) -tutkimusohjelmalle, joka kuitenkin keskeytettiin jo vuonna 1994 ydinenergiatutkimuksen jäädessä politiikan hampaisiin. IFR:n ydinajatus elää edelleen paperilla GE Hitatchin PRISM (Power Reactor Innovative Small Module) -reaktorikonseptin muodossa.

Nopeiden reaktoreiden teknologiaa on kehitetty myös Ranskassa, Iso-Britanniassa, Saksassa Neuvostoliitossa ja Japanissa, sekä viime vuosikymmeninä myös Kiinassa ja Intiassa. Neuvostoliitossa kehitetyt BN-sarjan reaktorit ovat toimineet menestyksekkäästi vuosikymmeniä. Sarjan ensimmäinen reaktori, BN-350, valmistui Kazakstaniin vuonna 1972. Reaktorin erikoisuus oli että se tuotti 135 megawatin sähkötehon lisäksi päivittäin 120,000 kuutiota puhdasta juomavettä suolaisen Kaspianmeren rannalla sijaitsevalle Aktaun kaupungille. BN-350 oli käytössä vielä pitkään Neuvostoliiton hajoamisen jälkeen, ja se ajettiin alas rahoitusongelmien vuoksi vuonna 1999. Sarjan toinen reaktori, 600 MW sähkötehoa tuottanut BN-600 valmistui Venäjän Belojarskiin vuonna 1980. Reaktori on edelleen toiminnassa, ja se on maailman pisimpään yhtämittaisessa käytössä ollut nopea reaktori. Sarjan uusin BN-800 -reaktori kytkettiin sähköverkkoon helmikuussa 2016.

Ranskan ensimmäinen koereaktori Rapsodie valmistui vuonna 1966. Sitä seurasi 250 MW sähkötehoa tuottanut demonstraatiolaitos Phénix vuonna 1973, sekä huomattavasti suurempi Superphénix vuonna 1985. Superphénixiä voidaan pitää ensimmäisenä pääasiassa kaupalliseen käyttöön rakennettuna nopeana hyötöreaktorina. Se tuotti sähkötehoa 1240 MW, eli modernin suuren kevytvesireaktorin verran. Laitos kohtasi kuitenkin jo rakennusvaiheessa voimakasta poliittista vastustusta,iv minkä lisäksi sen kumulatiivinen käyttökerroin jäi toistuvien teknisten ongelmien vuoksi lopulta alle kahdeksaan prosenttiin (Suomen ydinvoimalaitoksilla vastaava kerroin on n. 90%). Superphénix poistettiin käytöstä jo vuonna 1998, mutta kooltaan pienempi Phénix-reaktori toimi tutkimuskäytössä aina vuoteen 2009 saakka.

Ydinenergian 75-vuotisen historian aikana natriumjäähdytteisiä nopean neutronispektrin reaktoreita on rakennettu noin 20, ja teknologiasta on käyttökokemusta yhteensä yli 400 reaktorivuoden ajalta. Mukaan mahtuu sekä menestyksekkäitä että täysin epäonnistuneita hankkeita. Hyötöreaktoreista puhuttaessa on myös syytä huomata, että niiden polttoainekierto edellyttää kemiallista jälleenkäsittelyprosessia, jossa uuden polttoaineen valmistukseen käytettävä plutonium erotetaan korkea-aktiiviseksi ydinjätteeksi päätyvästä massavirrasta. Jälleenkäsittely tuo mukanaan omat tekniset, taloudelliset ja poliittiset haasteensa. Teknologian yleistymisen voidaan katsoa esimerkiksi vaikeuttavan ydinasemateriaalivalvontaa.

Kevytvesireaktoreihin verrattuna myös nopeiden reaktoreiden käyttö ja ylläpito on osoittautunut kalliiksi ja haastavaksi, ja pienetkin käyttöhäiriötilanteet ovat usein johtaneet kuukausien tai jopa vuosien mittaisiin huoltoseisokkeihin. Tämä lienee yksi syy siihen, miksi teknologia ei ole edennyt prototyyppiasteelta kaupalliseen käyttöön. Kokonaiskuvan muodostamista vaikeuttaa kuitenkin se, että kaikki reaktorit ovat olleet ainutlaatuisia prototyyppejä, eikä kahta täysin samanlaista laitosta ole toistaiseksi rakennettu.

Nopeisiin reaktoreihin liitetään usein myös tiettyjä turvallisuusongelmia, jotka kumpuavat erityisesti fissiotehon hallinnasta sekä natriumjäähdytteen kemiallisesta reaktiivisuudesta. Vaikka reaktorit ovat käyttökokemusten perusteella osoittautuneet mainettaan paremmiksi, on totta että niiden turvallisuussuunnitteluun liittyy varsin monimutkaisia haasteita. Aihe avautuu parhaiten vertailemalla nopeiden reaktoreiden erityispiirteitä tavanomaisiin paine- ja kiehutusvesilaitoksiin, joiden turvallisuutta on käsitelty yksityiskohtaisemmin aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

Kevytvesireaktorit voidaan suunnitella luontaisesti stabiileiksi, mikä tarkoittaa sitä, että reaktori pyrkii säilyttämään toimintatilansa muuttumattomana ilman jatkuvaa aktiivista fissiotehon säätöä. Tämä ominaisuus on seurausta fysikaalisista negatiivisista takaisinkytkennöistä. Reaktori toimii matalaenergisillä termisillä neutroneilla, ja koska neutronien hidastamiseen käytetään samaa vettä joka virtaa jäähdytteenä polttoainesauvojen välissä, pienikin muutos esimerkiksi polttoaineen lämpötilassa tai jäähdytteen virtauksessa heijastuu nopeasti ketjureaktion kulkuun. Lämpötilan noustessa veden tiheys pienenee, jolloin vastaavasti pienempi osuus korkeaenergisinä syntyvistä neutroneista pääsee hidastumaan fissioreaktion kannalta edulliselle termiselle energia-alueelle saakka. Seurauksena on toimintatilan muutosta vastustava negatiivinen takaisinkytkentä, jonka vaikutuksen voi nähdä myös kuvan 1 neutronituottokäyrästä. Yli 80% fissioreaktioista tapahtuu neutroneita voimakkaasti kaappaavan resonanssialueen alapuolella. Veden kiehuminen siirtää spektrin painopistettä vasemmalta oikealle, jolloin keskimääräinen fissioneutronituotto pienenee.

Nopeat reaktorit puolestaan toimivat resonanssialueen yläpuolella, mikä tarkoittaa sitä, että neutronien hidastuminen on fission todennäköisyyttä pienentävä tekijä. Kuten edellä todettiin, reaktorin jäähdytteenä käytettävä natrium ei ole hidastumisen kannalta kuitenkaan täysin merkityksetön väliaine, joten lämpötilan nousu johtaa natriumin tiheyden pienenemisen kautta luonnostaan fissionopeuden kasvuun spektrin huipun siirtyessä energia-asteikolla hieman ylöspäin. Seurauksena on positiivinen takaisinkytkentä, joka voi saada reaktorin fissiotehon käyttäytymään arvaamattomasti.

Jäähdytteen tiheyden muutoksesta seuraava takaisinkytkentä ei kuitenkaan ole ainoa reaktiivisuuteen vaikuttava tekijä. Kevytvesireaktorit toimivat lähellä veden kiehumispistettä, mikä tarkoittaa sitä, että myös jäähdytteen ja rakenteiden lämpötilamuutokset rajoittuvat muutamaan kymmeneen asteeseen. Nopeissa reaktoreissa polttoaineen läpi virtaavan natriumin lämpötila voi sen sijaan nousta satoja asteita ennen kuin jäähdyte alkaa kiehua. Polttoaine, sydämen tukirakenteet ja reaktoriastia elävät lämpötilamuutosten mukana. Lämpölaajenemisen aiheuttamat muodonmuutokset heijastuvat myös ketjureaktion kulkuun, ja oikealla suunnittelulla niiden vaikutukset saadaan tehokkaasti kompensoimaan reaktorin luontaista positiivista takaisinkytkentää.v

Toinen nopeiden reaktoreiden stabiilisuuteen vaikuttava tekijä on neutronivuoto. Natriumin kiehuminen pienentää jäähdytteessä tapahtuvien törmäysten määrää ja kasvattaa neutronin todennäköisyyttä karata sydämen ulkopuolelle. Seurauksena on negatiivinen takaisinkytkentä, jonka voimakkuus riippuu sydämen koosta ja muodosta. Suurissa natriumjäähdytteisissä reaktoreissa sydän rakennetaan muodoltaan leveäksi ja matalaksi, mikä kasvattaa neutronivuotoa ylöspäin. Useimmissa painevesireaktoreissa sydämen korkeus ja halkaisija vastaavat suunnilleen toisiaan, mutta natriumjäähdytteisissä nopeissa reaktoreissa suhde voi olla 1:5.

Kevytvesireaktoreiden tapaan myös nopean neutronispektrin reaktori on mahdollista suunnitella stabiiliksi, jolloin ketjureaktion hallinta ei ole säätöautomatiikan tai reaktorin ohjaajien varassa.vi Nopeiden reaktoreiden fysiikkaan liittyy kuitenkin varsin monimutkaisia ilmiöitä, joista osa opittiin tuntemaan vasta kantapään kautta. EBR-I -reaktorilla tehtiin vuonna 1955 koe, jossa tutkittiin jäähdytteen lämpenemisestä aiheutuvan positiivisen takaisinkytkennän voimakkuutta. Reaktorin tehoa lähdettiin nostamaan hitaasti matalalta 50 watin tasolta, minkä jälkeen sydämen jäähdytevirtausta ylläpitävät pumput pysäytettiin. Lämpötilan noususta aiheutuva reaktiivisuuslisäys vaikuttaa fissiotehon kasvunopeuteen, joka on helposti mitattavissa. Fissionopeuden odotettiin kaksinkertaistuvan minuuttien aikaskaalassa. Teho kasvoi kuitenkin paljon odotettua nopeammin, saavuttaen yhden megawatin tason jo muutamassa sekunnissa. Reaktorin ohjaaja ei aluksi ymmärtänyt tilanteen vakavuutta, ja viivästyneen hätäpysäytyksen vuoksi fissioteho pääsi nousemaan niin korkeaksi, että osa polttoaineesta ehti sulaa.

Odottamattoman reaktiivisuuslisäyksen syyksi paljastui polttoaineen lämpölaajeneminen. Polttoainesauvojen pituussuuntainen jännitys sai sauvat taipumaan sisäänpäin, ja ilman moderaattoria toimivissa nopeissa reaktoreissa fissiilin materiaalin pakkaantuminen tiiviimpään geometriaan johtaa aina reaktiivisuuden kasvuun. Onnettomuudesta ei aiheutunut henkilövahinkoja tai merkittävää radioaktiivista päästöä ympäristöön, ja reaktori jatkoi toimintaansa kaksi vuotta myöhemmin. Polttoainesauvojen taipumiseen liittyvät ongelmat ratkaistiin kiinnittämällä sauvojen ympärille metallivaijeri, joka esti niitä liikkumasta lähemmäs toisiaan. Ratkaisu osoittautui varsin toimivaksi, ja se on edelleen käytössä.vii

Sulametallijäähdytteisten reaktoreiden toimintaan liittyy myös turvallisuuden kannalta edullisia ominaisuuksia, joita ei kevytvesireaktoreilla vastaavasti ole. Paine- ja kiehutusvesilaitosten vakavimmat onnettomuustilanteet liittyvät jäähdytevirtauksen menetykseen, jolloin sydän alkaa kiehua kuivaksi. Reaktori ei ilman neutronimoderaattoria kykene tuottamaan fissiotehoa, mutta lyhytikäisten radionuklidien hajoamisessa syntyvä jälkilämpö riittää sulattamaan polttoaineen jos jäähdytyskierto sydämeen katkeaa pitkäksi aikaa. Ulkoisen sähköverkon ja kaikkien varajärjestelmien menettäminen johti juuri tällaiseen tilanteeseen Fukushiman ydinvoimalaitoksella vuonna 2011.

Natriumjäähdytteisissä nopeissa reaktoreissa käytetään tavallisesti allastyyppistä rakennetta (Kuva 2), eli reaktorin sydän, pääkiertopumput ja lämmönvaihtimet on sijoitettu primäärijäähdytteen täyttämään altaaseen. Natriumin suuren tilavuuden ja edullisten lämmönsiirto-ominaisuuksien ansiosta polttoaineen jälkilämmönpoisto voidaan hoitaa luonnonkierrolla, eli reaktorin jäähdytys ei riipu laitoksen sähköjärjestelmien toimivuudesta. Reaktori voi myös toimia matalassa paineessa, jolloin jäähdytteen faasimuutokseen ei myöskään ole sitoutunut ylimääräistä energiaa, jonka vapautuminen johtaisi kevytvesireaktorionnettomuuksien tapaan suojarakennuksen paineistumiseen.

Natriumjäähdytteinen nopea reaktori

Kuva 2: Allastyyppisen natriumjäähdytteisen nopean reaktorin kaaviokuva. Reaktorin sydän, lämmönvaihtimet ja pääkiertopumput on upotettu suureen altaaseen, joka pitää sisällään koko primäärijäähdytteen tilavuuden. Lämpö siirtyy primäärijäähdytteestä sekundääriseen natriumpiiriin, ja sieltä edelleen höyryturbiinikiertoon.

Kuten edellä todettiin, yksi natriumjäähdytteen ongelmista on sen kemiallinen reaktiivisuus. Natrium reagoi voimakkaasti ilman ja veden kanssa, minkä lisäksi natrium-vesi -reaktio tuottaa räjähdysherkkää vetyä. Reaktorin primäärikierto on tämän vuoksi eristettävä laitoksen höyryturbiinikierrosta ylimääräisellä välipiirillä. Tällä tavoin estetään se, että lämmönvaihtimessa tapahtuva putkivuoto päästäisi vettä suoraan kosketuksiin reaktorin primäärijäähdytteen kanssa, tai neutronien vaikutuksesta aktivoitunutta natriumia turbiinikiertoon.

Käytännön kokemus on osoittanut että vuotoja on mahdoton estää, mutta vakavat ongelmat voidaan välttää varautumalla etukäteen komponenttien rikkoutumiseen. Nopeissa reaktoreissa on tapahtunut yhteensä satoja natriumvuotoja, ja niiden aiheuttamista ongelmista ovat kärsineet käyttöikänsä varrella lähes kaikki pitkään toiminnassa olleet koe- ja prototyyppilaitokset. Pelkästään venäläisellä BN-600 -reaktorilla on tapahtunut 27 natriumvuotoa, joiden yhteydessä on sattunut natrium-vesi- ja -ilma-reaktioita, tulipaloja ja jopa räjähdyksiä. Seuraukset on kuitenkin saatu rakenteellisella suunnittelulla rajoitettua sellaisiksi, ettei varsinaiselle reaktoriturvallisuudelle ole koitunut merkittävää uhkaa.viii

Hyötöreaktori kehitettiin yli 60 vuotta sitten tuottamaan rajattomasti halpaa energiaa ihmiskunnan tarpeisiin. Käsitys maailman uraanivaroista on kuitenkin muuttunut olennaisesti kuluneiden vuosikymmenien aikana, eikä uraanin riittävyyttä pidetä enää ydinenergian laajamittaista käyttöä rajoittavana tekijänä. Uraania riittää nykykäsityksen mukaan kevytvesireaktoreidenkin polttoaineeksi vähintään sadoiksi vuosiksi eteenpäin. Nykyisten malmioiden lisäksi uraania on vielä moninkertainen määrä esimerkiksi fosfaattiesiintymissä, joiden hyödyntäminen tulee ennen pitkää taloudellisesti kannattavaksi jos raaka-aineen kysyntä lähtee nousuun. Tässä mielessä hyötöreaktori tarjoaa siis ratkaisua ongelmaan, jota ei todellisuudessa ole edes näköpiirissä vielä nykyisen, seuraavan, tai edes sitä seuraavan reaktorisukupolven käyttöiän aikana (esim. TVO:n käyttöönottovaiheessa oleva EPR-laitos tulee suunnitelmien mukaan tuottamaan sähköä vielä 2080-luvulla). Samalla perusteella voidaan kyseenalaistaa myös toriumpolttoaineella toimivien hyötöreaktoreiden kehitystavoitteet.

Nopean neutronispektrin edut eivät kuitenkaan rajoitu polttoaineen hyötämiseen. Kevytvesireaktoreissa syntyvään plutoniumiin kertyy helposti fissioituvan Pu239:n lisäksi isotooppia Pu240, joka fissioitumisen sijaan ainoastaan kaappaa termisiä neutroneita. Tämä tarkoittaa sitä, että käytetyn polttoaineen fissiokelpoista materiaalia ei pystytä hyödyntämään tehokkaasti uuden polttoaineen valmistuksessa. Käytetystä kevytvesireaktoripolttoaineesta erotusta uraanista ja plutoniumista voidaan kyllä valmistaa nk. sekaoksidipolttoainetta eli MOX:ia (mixed oxide), mutta jo toisen käyttökerran jälkeen Pu240-isotoopin osuus on tavallisesti noussut niin korkeaksi, ettei kierrätetty plutonium enää sovellu uuden MOX-polttoaineen valmistukseen.

Ongelman taustalla on kvanttifysikaalinen pariteettiefekti, joka vaikuttaa fissioreaktion todennäköisyyteen kaikilla aktinideilla. Ytimen halkeaminen edellyttää että siihen absorboitunut neutroni tuo mukanaan riittävän määrän energiaa, jonka voidaan ymmärtää koostuvan neutronin nopeuden määrittämästä liike-energiasta, sekä uuden väliytimen muodostumisen yhteydessä vapautuvasta sidosenergiasta. Jos ytimeen osunut neutroni löytää nukleonien joukosta parikseen toisen yksinäisen neutronin, reaktiossa vapautuu enemmän sidosenergiaa kuin törmäyksen tapahtuessa ytimeen jonka neutroniluku on valmiiksi parillinen. Sidosenergiakomponentti voi tällöin yksin riittää ytimen halkaisemiseen.

Pariteettiefektin vuoksi termisessä neutronispektrissä helposti fissioituvia ytimiä ovat tyypillisesti sellaiset isotoopit, joiden neutroniluku on pariton: U233, U235, Pu239, Pu241, jne… Parillisen neutroniluvun ytimet, kuten U238, Np237, Pu240 ja Am241 sen sijaan vaativat fissioituakseen tietyn määrän ylimääräistä liike-energiaa. Joidenkin isotooppien kohdalla ero on huomattava. Esimerkiksi Pu240:n fission todennäköisyys termisillä neutroneilla on käytännössä nolla, mutta nopeissa reaktoreissa yli 40% absorptioista voi johtaa ytimen halkeamiseen.

Nykyisin nopean neutronispektrin reaktoreiden kehitystä perustellaankin polttoaineen hyötämisen lisäksi niiden kyvyllä fissioida tehokkaasti myös parillisen neutroniluvun aktinideja. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että reaktorit voivat käyttää polttoaineenaan kevytvesireaktorikierrosta poistuvaa jätettä. Ne voivat myös kierrättää oman polttoaineensa useita kertoja, jolloin korkea-aktiiviseen ydinjätteeseen päätyy vastaavasti vähemmän plutoniumia ja pitkäikäisiä sivuaktinideja (Np, Am, Cm). Tämän suljetun polttoainekierron taustalla on ajatus siitä, että jos käytetyn ydinpolttoaineen pitkäikäisimmät komponentit pystytään transmutoimaan eli hävittämään reaktoreissa, loppusijoitettavan ydinjätteen aktiivisuus saavuttaa turvallisena pidetyn tason huomattavasti nopeammin (kuva 3). Tällaiseksi tasoksi voidaan valita esimerkiksi polttoaineen valmistukseen käytettyä uraanimalmimäärää vastaava kokonaisaktiivisuus.

Käytetyn ydinpolttoaineen radioaktiivisuus

Kuva 3: Tyypillisen kevytvesireaktoripolttoaineen aktiivisuus reaktorista poistamisen jälkeen. Eri aikaskaaloissa aktiivisuutta hallitsevat fissiotuotteet, sivuaktinidit (amerikium ja neptunium), sekä plutoniumin eri isotoopit. Satojen tuhansien vuosien aikaskaalassa hallitsevaksi komponentiksi tulevat lopulta luonnon hajoamissarjoissa muodostuvat radioaktiiviset aineet, kuten radium ja radon. Kuvaan on piirretty katkoviivalla vertailutaso, joka vastaa polttoaineen valmistukseen käytetyn uraanimalmimäärän aktiivisuutta. Suljetun polttoainekierron ydinajatus on, että plutoniumin ja sivuaktinidien hävittäminen reaktoreissa saisi loppusijoitettavan jätteen aktiivisuuden putoamaan nopeammin turvallisena pidetyn vertailutason alapuolelle. Kokonaisaktiivisuus seuraisi tällöin käytännössä fissiotuotteita kuvaava vihreää käyrää.

Vaikka aktinidien transmutaatio saattaa ensialkuun kuulostaa ideaaliselta ratkaisulta ydinjäteongelmaan, asia ei todellisuudessa ole aivan yksinkertainen. Uraanimalmin radioaktiivisuuteen kiinnitetty vertailutaso on valintana siinä mielessä täysin mielivaltainen, että se ei vielä yksin kerro oikeastaan mitään siitä, onko jäte ympäristön kannalta haitallista vai ei. Loppusijoitusanalyyseissä pitkäaikaisturvallisuutta ei mitatakaan tarkastelemalla syvälle kallioperään haudatun jätteen aktiivisuutta, vaan säteilyaltistusta, jonka loppusijoitustilasta kulkeutuvat radioaktiiviset aineet aiheuttavat tuhansien vuosien aikaskaalassa lähialueen väestölle ja ympäristölle. Aktiivisuuden kokonaismäärää tärkeämmäksi tekijäksi nousee tällöin tiettyjen helposti kulkeutuvien radionuklidien pidättyminen. Todellisilla mittareilla arvioituna heikosti veteen liukeneva plutonium ja sivuaktinidit eivät pitkäikäisyydestään huolimatta muodosta erityistä ongelmaa, eikä niiden hävittäminen jätteestä välttämättä edes vaikuttaisi ratkaisevasti loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen.ix

Nopeiden reaktoreiden tutkimuksessa ja kehityksessä katse on suunnattu pitkälle tulevaisuuteen. Ihmiskunnan suurimpiin näköpiirissä oleviin ongelmiin teknologia tulee tuskin kuitenkaan tarjoamaan käyttökelpoista ratkaisua. Energiasektorin suurimmat haasteet liittyvät ilmastonmuutoksen torjuntaan, ja merkittävien tulosten saavuttamiseksi maailman kasvihuonekaasupäästöt on saatava kääntymään jyrkkään laskuun jo tulevien vuosikymmenien aikana. Vaikka ensimmäiset nopeat hyötöreaktorit kehitettiin yli puoli vuosisataa sitten, teknologian todellisen läpimurron tiellä on edelleen vaikeita taloudellisia ja poliittisia esteitä.

Vielä olennaisempi kysymys on kuitenkin se, tarjoaako maailman uraanivarojen tehokkaampi hyödyntäminen tai suljettu polttoainekierto lopulta edes mitään konkreettista apua ilmastonmuutosongelmaan? Ydinenergia on jo nykymuodossaan vähäpäästöinen energialähde, jolla on hyvin suuri potentiaali leikata hiilidioksidipäästöjä korvaamalla fossiilisia polttoaineita sähköntuotannossa, mutta ennen kaikkea lämmityksessä ja teollisuusprosesseissa. Omasta mielestäni ydinenergia-alan suurin haaste on saada tuo suurelta osin vielä hyödyntämätön potentiaali tehokkaasti käyttöön mahdollisimman nopeasti. Sellainen tulevaisuus, jossa hyötöreaktoreille, toriumille tai vaikkapa fuusioenergialle on todellista tarvetta, on mahdollinen ainoastaan siinä tapauksessa, että ihmiskunnan kehitystä ja hyvinvointia sekä luonnon monimuotoisuutta uhkaavat ongelmat saadaan ratkaistua vielä nykyisten sukupolvien elinaikana.


i) Ydinpommin rakentaminen uraanista edellyttää U235:n atomiosuuden nostamista 0.7%:sta yli 80%:iin. Isotooppien erotus oli 1940-luvun teknologialla kallis ja hidas prosessi, ja uraanin käyttäminen plutoniumintuotantoreaktoreiden polttoaineena tarjosi väkevöinnille nopean ja kustannustehokkaan vaihtoehdon.

ii) Todellisuudessa ketjureaktion eteneminen on hieman monivaiheisempi prosessi, jota on käsitelty tarkemmin aikaisemmassa blogikirjoituksessa.

iii) Aikaisemmassa blogikirjoituksessa käsitellyn toriumreaktorin toiminta perustuu Th232-isotoopin konversioon uraanin fissiiliksi U233-isotoopiksi. U233:n fissiossa vapautuu niin paljon neutroneita, että hyötäminen on mahdollista myös termisessä energiaspektrissä.

iv) Superphénix joutui rakennusvaiheessa terrori-iskun kohteeksi, kun keskeneräistä reaktorirakennusta kohti ammuttiin viidesti kevytsingolla. Vauriot jäivät kuitenkin vähäisiksi. Teon tunnusti kaksi vuosikymmentä myöhemmin tunnettu ympäristöaktivisti, joka oli toiminut myös parlamentaarikkona Sveitsin ympäristöpuolueessa. Iskulla oli yhteyksiä äärivasemmistolaiseen Punainen armeijakunta -terroristiryhmään.

v) Natriumin sulamislämpötila on 98°C ja höyrystymislämpötila 883°C. Natriumjäähdytteiset nopeat reaktorit toimivat tavallisesti 500-550°C lämpötilassa. Sydämen tukikehikon lämpölaajeneminen kasvattaa polttoainenippujen välistä etäisyyttä ja natriumin määrää sydämessä. Tämä kasvattaa hieman moderointia, mikä puolestaan pienentää reaktiivisuutta. Sydämen pystysuuntainen lämpölaajeneminen nostaa polttoainesauvojen sisällä olevaa pellettipatsasta ylöspäin. Koska neutroneita absorboivat säätösauvat ovat kiinni reaktoriastiassa, vaikutus on sama kuin että sauvoja työnnettäisiin hieman sisäänpäin. Vaikutus kääntyy kuitenkin päinvastaiseksi kun reaktoriastia alkaa lämpölaajenemaan, nostaen myös säätösauvoja ylöspäin. Lämpölaajenemisen kokonaisvaikutus on monen tekijän summa, joka riippuu esimerkiksi reaktorin geometriasta.

vi) EBR-II -reaktorilla tehtiin 1980-luvulla joukko turvallisuuteen liittyviä kokeita, jotka osoittivat reaktorin selviävän mm. jäähdytysvirtauksen pysähtymisen aiheuttamasta tehotransientista ilman polttoainevaurioita, vaikka reaktorin säätöautomatiikka oli kytketty pois päältä (sama tilanne, joka aiheutti EBR-I:llä polttoaineen sulamisen). Kokeet osoittivat käytännössä sen, että myös nopea natriumjäähdytteinen reaktori voidaan suunnitella fissiotehon hallinnan osalta passiivisesti turvalliseksi, huolimatta natriumin lämpölaajenemiseen liittyvästä luontaisesta positiivisesta takaisinkytkennästä.

vii) Monimutkaisten takaisinkytkentöjen lisäksi nopeiden reaktoreiden toimintaan vaikuttaa joukko muitakin reaktorifysikaalisia tekijöitä, jotka poikkeavat kevytvesireaktoreista. Ilman moderaattoria toimivissa nopeissa reaktoreissa ketjureaktio voi käynnistyä uudelleen sydämensulamisonnettomuuden jälkeen, jos sulanut polttoaine pakkaantuu riittävän tiiviiseen geometriaan. Kevytvesireaktoreilla vastaavan tilanteen syntyminen on äärimmäisen epätodennäköistä, sillä polttoaineen geometrian rikkoontuminen johtaa aina ketjureaktion ylläpitämisen kannalta epäedullisempaan tilanteeseen. Termisissä reaktoreissa fissiotehon kasvunopeutta kerkeästi kriittisissä tehotransienteissa rajoittaa merkittävästi se, että ketjureaktion eteneminen edellyttää neutronin nopeuden pudottamista alle tuhannesosaan alkuperäisestä. Kevytvesireaktorit selviävätkin esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumisesta seuraavasta tehotransientista suhteellisen pienillä polttoainevaurioilla. Nopeissa reaktoreissa vastaava tehotransientti voi käynnistyä esimerkiksi sydämeen kulkeutuneen kaasukuplan aiheuttamasta reaktiivisuuslisäyksestä, ja koska peräkkäisten fissioiden välinen aika jää huomattavasti lyhyemmäksi, myös tehon kasvu etenee nopeammin. Kerkeästi kriittisissä tehotransienteissa tärkein reaktoria suojaava takaisinkytkentä liittyy uraanin U238-isotoopin kaappausresonanssien Doppler-levenemiseen, mikä kasvattaa parasiittista neutroniabsorptiota resonanssialueella. Takaisinkytkentä on voimakkain termisen neutronispektrin reaktoreissa, joissa neutronit joutuvat kulkemaan koko resonanssialueen läpi. Vaikutus on silti merkittävä myös nopeissa reaktoreissa, joissa neutroniabsorptiota tapahtuu resonanssialueen yläpäässä.

viii) Tunnetuin natriumvuoto sattui japanilaisella Monju-prototyyppireaktorilla vuonna 1995, kun reaktorin sekundääripiiristä pääsi valumaan 700 kg jäähdytettä reaktorirakennuksen sisätiloihin. Vuoto oli pieni suhteessa jäähdytteen kokonaismäärään (760 tonnia), eikä se vaarantanut polttoaineen jäähdytystä. Koska kyse oli reaktorin sekundääripiiristä, vuodon yhteydessä ei myöskään vapautunut radioaktiivisuutta ympäristöön. Tapauksesta kehittyi kuitenkin vakava ja paljon mediahuomiota saanut ongelma, kun selvisi että reaktorin käyttöorganisaatio oli yrittänyt salata vuodon turvallisuutta valvovalta viranomaiselta. Monju oli vuodon sattuessa ollut käytössä alle kaksi vuotta, ja se sai uuden käynnistysluvan vasta 15 vuotta myöhemmin, toukokuussa 2010. Käyttö keskeytyi kuitenkin uudelleen vain kolme kuukautta myöhemmin latauskoneen pudottua reaktoriin polttoaineenvaihdon yhteydessä. Maaliskuussa 2011 tapahtunut Fukushiman onnettomuus asetti Japanin kaikki ydinvoimalaitokset väliaikaiseen käyttökieltoon, ja joulukuussa 2016 maan hallitus ilmoitti ettei Monjua käynnistetä enää uudelleen.

ix) Suomessa sovellettavan loppusijoitusratkaisun pitkäaikaisturvallisuus perustuu siihen, että syvälle kallioperään haudatun ydinjätteen ympäristölle ja ihmisille aiheuttaman säteilyaltistuksen on jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisesta taustasäteilystä aiheutuvaan annokseen. Loppusijoituksen turvallisuusvaatimuksia, konseptia ja perusteluja on kuvattu esimerkiksi ydinjäteyhtiö Posivan www-sivulla.