Hallittu Ydinräjähdys?

Jaakko Leppänen – 9.4.2018

Ydinreaktorin toimintaperiaatetta kuvataan usein pääpiirteittäin seuraavasti:

Ydinreaktorin toiminta perustuu itseään ylläpitävään ketjureaktioon. Neutronin osuminen uraaniytimeen saa ytimen halkeamaan, eli fissioitumaan. Reaktiossa vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita, jotka uusiin uraaniytimiin törmätessään aiheuttavat lisää fissioita. Ketjureaktio käynnistyy kun jokaista edellisen sukupolven neutronia kohden syntyy keskimäärin vähintään yksi uusi neutroni jatkamaan ketjua eteenpäin. Ydinräjähdyksessä ketjureaktio etenee hallitsemattomasti, ja ydinreaktorissa hallitusti.

Periaate on havainnollistettu alla olevassa kuvassa, johon on piirretty mukaan myös uraaniytimen halkeamisessa syntyviä tytärytimiä.

Vastaavia selityksiä löytyy Wikipediasta, ydinvoimayhtiöiden esittelymateriaaleista sekä peruskoulun ja lukion fysiikan kirjoista. Ydinajatus on se, että peräkkäiset fissiot kytkeytyvät toisiinsa muodostaen pitkiä ja haarautuvia ketjuja, joita neutronit kuljettavat eteenpäin sukupolvesta toiseen. Prosessi jatkuu katkeamattomana niin kauan kuin reaktori on käynnissä.

Edellä esitetty kuvaus kertoo ydinreaktorin toiminnasta kaikkein olennaisimman: reaktorin tuottama energia on peräisin itseään ylläpitävästä ketjureaktiosta. Kuvaus pitää kuitenkin sisällään tiettyjä yksinkertaistuksia, minkä vuoksi se ei kaikilta osin vastaa todellisuutta. Suurin ongelma liittyy mielikuvaan, joka ketjureaktion etenemisestä muodostuu. Pyrin tässä kirjoituksessa tuomaan esille omaa näkemystäni siitä, miten reaktorin toiminta on parhaiten ymmärrettävissä, ja miksi reaktorin polttoaineessa käynnissä olevaa ketjureaktiota ei voi yksinkertaistaa hallituksi ydinräjähdykseksi.

Mitä tuo edellä esitetty kuvaus sitten oikeastaan yrittää kertoa ketjureaktion käyttäytymisestä? Fissioketjun etenemisnopeutta kuvataan reaktorifysiikassa aikavakiolla, jota kutsutaan kerkeän neutronin eliniäksi. Tämä aikavakio mittaa keskimääräistä aikaa kahden peräkkäisen fission välillä, eli periaatteessa yksittäisen neutronisukupolven kestoa. Mitä lyhyemmän aikaa neutronit vaeltavat reaktorin sydämessä ennen absorboitumistaan takaisin polttoaineeseen, sitä nopeammin reaktioketju etenee fissiosta toiseen. Termi ”kerkeä” puolestaan viittaa siihen, että kyse on neutroneista jotka irtoavat uraaniytimestä välittömästi halkeamisen hetkellä. Kevytvesireaktoreissa kerkeän neutronin elinikä mitataan kymmenissä mikrosekunneissa, eli sekunnin miljoonasosissa. Yksittäisen neutronin kulkeutuminen reaktorin sydämessä on siis hyvin nopea prosessi.

Toinen ketjureaktion etenemiseen vaikuttava tekijä liittyy fissioketjujen haarautumiseen. Fissioreaktiossa syntyy tyypillisesti 2-4 uutta neutronia, joista vain osa päätyy takaisin uraanipolttoaineeseen aiheuttamaan uusia fissioita. Mitä suurempi todennäköisyys neutronilla on välttää fission kanssa kilpailevat reaktiomuodot, sitä enemmän ketjuihin muodostuu uusia haaroja. Edellä esitetty kuvaus antaa ymmärtää että ketjureaktion jatkumisen ehto on se, että jokainen edellisen sukupolven neutroni korvautuu seuraavassa sukupolvessa keskimäärin vähintään yhdellä uudella neutronilla. Tämä puolestaan tarkoittaisi sitä, että reaktori toimisi vakioteholla vain ja ainoastaan silloin, kun fissiossa syntyneistä neutroneista keskimäärin tasan yksi selviytyisi jatkamaan ketjua eteenpäin. Nopeampi haarautuminen johtaisi neutronipopulaation, fissionopeuden ja -tehon kasvuun, ja päinvastaisessa tapauksessa reaktioketju hiipuisi nopeasti olemattomiin.

Jos ydinreaktorin toiminta todella noudattaisi tätä periaatetta, fissioteho vastaisi äärimmäisen herkästi pieniinkin muutoksiin ketjureaktion toimintatilassa. Fissioketjun haarautumistekijänⁱ poikkeaminen ykkösestä prosentin sadasosalla saisi ketjureaktion kiihtymään niin nopeasti, että reaktorin teho kymmenkertaistuisi puolen sekunnin välein. Tällaisen reaktorin säätäminen olisi käytännössä mahdotonta, ja todellisuudessa tehomuutokset etenevätkin monta kertaluokkaa hitaammin.

Mikä edellisessä kuvauksessa sitten menee pieleen? Vastausta on syytä etsiä ennen kaikkea fissioketjujen pituudesta. Ketjujen eteneminen fissiosta toiseen tapahtuu kyllä edellä kuvatusti kymmenien mikrosekuntien aikaskaalassa. Reaktorin normaalissa toimintatilassa ketjut eivät kuitenkaan jatku loputtomiin, vaan jäävät aina äärellisen mittaisiksi. Yksittäinen ketju voi edetä kymmeniä tai jopa satoja sukupolvia, mutta ennen pitkää kaikki sen haarat kuihtuvat pois. Aikaa tähän kuluu kokonaisuudessaan joitakin millisekunteja, mikä vertautuu esimerkiksi kameran salamavalon välähdykseen.

Jos ketjureaktio muodostuu todellisuudessa yksittäisistä sekunnin murto-osan kestävistä neutronipurskahduksista, niin mikä sitten selittää sen, että reaktori kykenee toimimaan yhtäjaksoisesti kuukausia kerrallaan? Entä mistä nämä äärellisen mittaiset fissioketjut saavat alkunsa?

Varsinaisen fissioreaktion lisäksi reaktorin toimintaan liittyy myös toinen fissionopeuteen kytkeytynyt neutronituottomekanismi, joka tavallisesti jätetään yksinkertaisuuden vuoksi selittämättä. Raskaan uraaniytimen halkeaminen jättää jälkeensä paljon ylimääräisiä neutroneita, joista tytärytimet pyrkivät eroon radioaktiivisella hajoamisella. Tyypillisin hajoamismuoto on β^–-hajoaminen, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi. Osa fissiotuotteista on kuitenkin niin neutroniylijäämäisiä, että ne voivat hajoamisreaktion yhteydessä sylkäistä ulos vielä ylimääräisen neutronin. Koska radioaktiiviseen hajoamiseen liittyy tietty viive, myöskään neutroniemissio ei tapahdu välittömästi fission hetkellä. Tällaisia neutroneita kutsutaan reaktorifysiikassa viivästyneiksi neutroneiksi, ja niitä emittoivia ytimiä viivästyneiden neutronien prekursoreiksi. Neutroniemissioon liittyvä viive vaihtelee sekunnin sadasosista muutamaan minuuttiin.ⁱⁱ

Viivästyneitä neutroneita syntyy keskimäärin noin yksi jokaista 60 uraaniytimen fissiota kohden, eli niiden osuus reaktorin kokonaisneutronituotosta ei ole erityisen suuri. Reaktorin toimintaan niillä on kuitenkin olennainen vaikutus, sillä jokainen prekursoriytimen hajoaminen voi käynnistää uuden fissioketjun. Tämä selittää myös reaktorin jatkuvan toimintatilan. Viivästyneiden neutronien emissio kytkee uudet fissioketjut polttoaineessa aikaisemmin tapahtuneisiin neutronipurskahduksiin, jotka ovat jättäneet jälkeensä hajoamista odottavia prekursoriytimiä. Suuressa mittakaavassa ajalliset epäjatkuvuudet keskiarvoistuvat pois. Matalallakin teholla toimivan reaktorin polttoaineessa käynnistyy joka hetki biljoonia uusia fissioketjuja, jotka saavat reaktorin toiminnan näyttämään jatkuvalta prosessilta.

Ketjureaktion jatkumisen ehto voidaan puolestaan ymmärtää siten, että jokaisessa fissioketjussa täytyy syntyä vähintään yksi uuden ketjun käynnistävä viivästynyt neutroni. Reaktori toimii vakioteholla kun vanhat ketjut korvautuvat jatkuvasti uusilla, mutta niiden kokonaismäärä ei kasva eikä pienene. Reaktorifysiikassa tällaiseen tasapainotilaan viitataan termillä ”kriittisyys”. Reaktorin sanotaan siis olevan kriittisessä tilassa kun sen fissioteho ei muutu. Alikriittisessä reaktorissa teho vastaavasti laskee, ja ylikriittisessä kasvaa. Toimintatilan muutosta mittaa suure nimeltä reaktiivisuus. Vakioteholla toimiva reaktori saadaan ylikriittiseen tilaan tuomalla polttoaineeseen lisää reaktiivisuutta, esimerkiksi vetämällä säätösauvoja ulos sydämestä. Säätösauvojen työntäminen syvemmälle vastaavasti pienentää reaktiivisuutta, jolloin ketjureaktio siirtyy alikriittiseen toimintatilaan, ja teho kääntyy laskuun.

Viivästyneet neutronit tuovat ketjureaktioon hitautta, joka tekee fissiotehon säätämisen käytännössä mahdolliseksi. Kun reaktori käynnistetään tai sen tehoa nostetaan kasvattamalla reaktiivisuutta, ensimmäinen muutos on se, että nopeasti etenevät fissioketjut kasvavat hieman pituutta. Koska fissioita tapahtuu aikaisempaa enemmän, myös viivästyneitä neutroneita alkaa syntyä polttoaineeseen enemmän. Uusien ketjujen käynnistyminen ei kuitenkaan tapahdu välittömästi vaan vähitellen, sillä prekursoriytimet voivat pitää kiinni ylimääräisistä neutroneistaan jopa minuuttien ajan. Käynnissä olevien fissioketjujen lukumäärä alkaa kuitenkin lopulta kasvaa, ja reaktorin teho nousee. Viivästyneiden neutronien ansiosta reaktorin tehomuutokset voidaan toteuttaa käytännössä mielivaltaisen hitaasti.

Alussa esitetty katkeamattomiin fissioketjuihin perustuva kuvaus on periaatteessa aivan oikea, mutta se pitää sisällään ajatuksen siitä, että myös viivästyneet neutronit syntyvät fissiossa (mikä tavallaan pitääkin paikkansa). Mielikuvatasolla tällainen yksinkertaistus antaa kuitenkin liian helposti vääristyneen kuvan ketjureaktion etenemisnopeudesta, ainakin jos viivästyneen neutronin käsitettä ei samassa yhteydessä selitetä perinpohjaisesti. Asioiden hahmottaminen helpottuukin huomattavasti, jos viivästyneen neutronin emissio ja kerkeät fissioketjut mielletään erillisiksi, joskin toisiinsa kytkeytyneiksi prosesseiksi. Monen kertaluokan ero tapahtumien aikaskaaloissa antaa tälle hyvät perusteet. Jos aikavälit skaalattaisiin havainnollisempaan mittakaavaan siten, että fissioketjut kulkisivat alusta loppuun kymmenessä sekunnissa, niin ketjujen synnyttämät viivästyneet neutronit aloittaisivat kulkunsa reaktorissa vasta minuutteja, tunteja tai jopa päiviä myöhemmin.

Mielikuva katkeamattomista fissioketjuista sekoittuu myös turhan helposti reaktorin neljänteen toimintatilaan, jota kutsutaan kerkeäksi kriittisyydeksi. Tämä tila saavutetaan kun reaktorin neutronituotto kasvaa niin suureksi, että kerkeiden neutronien eteenpäin kuljettamat fissioketjut todella pyrkivät kasvamaan äärettömän pitkiksi. Kun ketjureaktion ylläpitäminen ei ole enää viivästyneiden neutronien varassa, fissiotehon kasvunopeuden määrittäväksi aikavakioksi tulee äärettömään kasvuun karanneen ketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä. Jos reaktorin negatiiviset takaisinkytkennät eivät kykene katkaisemaan tehon kasvua, seurauksena voi olla koko reaktorisydämen tuhoutuminen polttoaineen lämpötilan ylittäessä nopeasti uraanidioksidin sulamispisteen. Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa tapahtunut räjähdys aiheutui juuri reaktorin ketjureaktion karkaamisesta kerkeästi kriittiselle alueelle.

Myös ydinräjähdyksessä on kyse kerkeästi kriittisessä toimintatilassa etenevästä ketjureaktiosta, jossa teho nousee ilman viivästyneiden neutronien mukanaan tuomaa hitautta. Kerkeästi kriittisen tehotransientin ja todellisen ydinräjähdyksen välille ei kuitenkaan ole syytä laittaa yhtäläisyysmerkkiä.

Kerroin reaktorin stabiilisuutta käsittelevässä kirjoituksessa että ketjureaktion ylläpitäminen kevytvesi- ja muissa termisissä reaktoreissa edellyttää neutronien hidastamista fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Tämä on reaktorin toiminnan kannalta välttämätön prosessi, joka mahdollistaa matalasti väkevöidyn uraanin käyttämisen reaktorin polttoaineena. Neutronilla voi olla syntyessään nopeutta kymmenesosa valonnopeudesta (300,000 km/s), ja ennen seuraavaa fissiota sen kulku on hidastunut muutamaan kilometriin sekunnissa. Tämä vaatii keskimäärin hieman yli 20 kimmoisaa törmäystä moderaattorin vety-ytimiin. Neutronien vaellus moderaattorissa vie aikaa, mikä asettaa myös absoluuttisen ylärajan sille, miten nopeasti ketjureaktio voi kerkeästi kriittisessä tilassa edetä. Kuten edellä todettiin, fissioketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä on kevytvesireaktoreissa tyypillisesti muutaman kymmenen mikrosekunnin suuruusluokkaa.

Ydinpommissa fissioketjujen eteneminen pyritään tarkoituksellisesti kiihdyttämään suureen nopeuteen, jotta fissioissa ehtii vapautua mahdollisimman paljon energiaa ennen kuin polttoaineen räjähdysmäinen lämpölaajeneminen rikkoo ketjureaktion ylläpitämiseen tarvittavan geometrian. Käytännössä tämä saavutetaan maksimoimalla neutronituotto eli fissioketjujen haarautuminen, ja minimoimalla neutronisukupolven kesto. Ydinräjähde muodostuu lähes puhtaasta fissiilistä uraanista tai plutoniumista, jossa neutronilla on jokaisessa törmäyksessä suuri todennäköisyys aiheuttaa uusi fissio. Hiukkanen ehtiikin elinkaarensa varrella törmätä vain muutaman kerran, jolloin kerkeän kriittisyyden aikavakio jää yhteen tai kahteen nanosekuntiin, eli sekunnin miljardisosaan.

Käytännössä ero on huomattava, sillä fissioteho kasvaa ydinräjähdyksessä yli miljoona kertaa reaktorin kerkeästi kriittistä tehotransienttia nopeammin. Jos ydinräjähdystä pystyttäisiin seuraamaan hidastetusti videolta siten, että tehon kaksinkertaistuminen kestäisi kymmenen sekuntia, niin samalla hidastuksella vastaava suhteellinen tehomuutos veisi reaktorin transientissa vähintään vuosia.ⁱⁱⁱ

Kerkeä kriittisyys on ydinreaktorille ei-toivottu toimintatila, joka asettaa rajoituksia esimerkiksi polttoaineen käytön suunnittelulle. Fissiotehon nopeaa nousua voidaan kuitenkin käyttää reaktoritekniikassa myös hyödyksi. Pulssitoimisissa tutkimusreaktoreissa teho saadaan nostettua hetkellisesti monta kertaluokkaa vakiotehotilaa korkeammalle tasolle. Pulssi voidaan laukaista esimerkiksi ampumalla sisään työnnetty säätösauva paineilmalla ulos sydämestä, jolloin reaktiivisuus nousee nopeasti kerkeästi kriittiselle alueelle. Seurauksena on lyhytkestoinen voimakas neutronipulssi, joka katkeaa reaktorin takaisinkytkentöihin. Pulssitoiminnon ansiosta pienellä tutkimusreaktorilla on mahdollista tuottaa hetkellisesti yhtä suuria neutronitiheyksiä kuin monta kertaluokkaa suuremmilla reaktoreilla. Toimintoa on käytetty aikanaan myös Espoon Otaniemessä sijaitsevalla FiR 1 -tutkimusreaktorilla, joka oli käytössä vuoteen 2015 saakka.^iv

---

ⁱ⁾ Käytän tässä tekstissä kerkeiden neutronien muodostamien fissioketjujen haarautumista kuvaavasta vakiosta termiä ”haarautumistekijä”. Tätä ei pidä sekoittaa reaktorifysiikassa käytettävään kasvutekijään, joka ottaa huomioon myös viivästyneet neutronit. Edellinen kuvaa neutronimonistusta yksittäisissä fissioketjuissa, ja jälkimmäinen koko reaktorissa, jonka ketjureaktio muodostuu useista toisiinsa kytkeytyneistä ketjuista. Erot ilmenevät esimerkiksi siinä, mihin muotoon kriittisyysehto ja ylikriittisen ja kerkeästi kriittisen toimintatilan välinen reaktiivisuusraja kirjoitetaan.

ⁱⁱ⁾ Pohjimmiltaan viivästyneiden neutronien emissiossa on kyse siitä, että hajoamisreaktiossa syntynyt tytärydin jää joissain tapauksissa niin korkeaan viritystilaan, että sen ylimääräinen energia riittää irrottamaan ytimestä neutronin. Tämä neutroniemissio tapahtuu viiveellä, jota kuvaa sitä edeltäneen radioaktiivisen hajoamisen puoliintumisaika. Pitkäikäisin prekursoriydin on bromin isotooppi Br87, jonka hajoamisketju voidaan kirjoittaa:

Br87 ⟶ Kr87^* ⟶ Kr86 + n.

Hajoamisreaktiossa syntyneen kryptonytimen viritystilaa on kuvattu reaktioyhtälössä tähdellä. Betahajoamisreaktion puoliintumisaika on 56 sekuntia. Muiden merkittävien prekursoriytimien puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin kymmenesosista kymmeniin sekunteihin.

ⁱⁱⁱ⁾ Fissiotehon kasvu on eksponentiaalinen prosessi, joka tarkoittaa sitä, että suhteellinen tehomuutos aikayksikössä on vakio. Esimerkiksi tehon kasvu yhdestä kahteen megawattiin kestää tällöin yhtä kauan kuin muutos kahdesta neljään tai neljästä kahdeksaan megawattiin. Nopean neutronispektrin reaktoreissa ketjureaktion ylläpitäminen ei edellytä neutronien hidastamista termiselle energia-alueelle. Fissioketjun etenemisnopeutta kuvaava kerkeän neutronin elinikä jää vastaavasti lyhyemmäksi, noin puoleen mikrosekuntiin. Tämä tarkoittaa sitä, että myös kerkeästi kriittiselle alueelle karanneen reaktorin tehotransientit etenevät nopeammin. Fissiotehon kasvunopeus jää silti kauas ydinräjähdyksestä. Ero ei liity ainoastaan kerkeän kriittisyyden aikavakioon, vaan myös siihen, että ydinräjähdyksessä fissioketjuissa syntyy korkean neutronimonistuksen vuoksi enemmän uusia haaroja. Haarautumistekijä saadaan korkeaksi nostamalla reaktiivisuus paljon kerkeän kriittisyyden rajan yläpuolelle jo ennen ketjureaktion käynnistämistä.

^iv) VTT:n ydinreaktori Otaniemessä oli amerikkalaisen General Atomicsin rakentama TRIGA MK-II -tyypin tutkimus- ja koulutusreaktori, jonka jatkuvatoiminen maksimiteho oli 250 kilowattia. Kerkeästi kriittisessä tehopulssissa teho nousee hetkellisesti noin tuhatkertaiseksi. TRIGA-sarjan reaktoreita on käytössä yliopistoissa ja tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa, ja tehopulsseista on paljon videomateriaalia esimerkiksi YouTubessa (otsikossa esiintyvää dollaria käytetään reaktorifysiikassa reaktiivisuuden yksikkönä: 2.5$ tarkoittaa sitä, että reaktiivisuuslisäys ylittää kerkeän kriittisyyden rajan 2.5-kertaisesti). Kerkeästi kriittinen tila kestää vain sekunnin murto-osia (aika on paljon lyhyempi kuin esim. yksittäisen videoframen kesto). Välähdyksen jälkeinen sininen hehku on peräisin nk. Tšerenkovin säteilystä, jota syntyy kun lyhytikäisten radionuklidien hajoamisen tuottama voimakas säteily vuorovaikuttaa vedessä.

 

Missä viipyy toriumreaktori?

Jaakko Leppänen – 23.3.2018

Ville kirjoitti omassa avausviestissään meneillään olevasta ydinvoimahypestä, joka liittyy pieniin modulaarisiin SMR-reaktoreihin. Useimmissa SMR-konsepteissa on pohjimmiltaan kyse jo olemassa olevan ja koetellun teknologian skaalaamisesta pienempään mittakaavaan, mutta vastaavaa pöhinää on havaittavissa myös paljon eksoottisempien reaktorityyppien ympärillä. Ydinenergia-alaa pidempään seuranneet eivät ole voineet välttyä huomaamasta, että samat ideat toistuvat lähes säännöllisin väliajoin tiede- ja teknologialehtien ydinvoima-aiheisissa kirjoituksissa, tarjoten ratkaisua milloin ydinjäteongelmaan, ja milloin taas reaktoreiden turvallisuuskysymyksiin. Lupauksista huolimatta uudet innovaatiot eivät kuitenkaan näytä lyövän läpi, vaan ydinteollisuus luottaa vuosikymmenestä toiseen yli puoli vuosisataa vanhaan kevytvesireaktoriteknologiaan. Miksi ydintekniikka ei sitten kehity, jos kerran parempiakin ratkaisuja on tarjolla?

Useimmat hypetetyistä reaktorityypeistä ovat teknisesti täysin toteuttamiskelpoisia, ja monet niistä todella tarjoavat huomattavia parannuksia erityisesti sellaisiin sovelluksiin, joissa perinteisten paine- ja kiehutusvesilaitosten rajoitukset tulevat vastaan. Uskon itse että SMR-kokoluokan kevytvesireaktoreiden lisäksi esimerkiksi korkean lämpötilan kaasujäähdytteisillä reaktoreilla on suuri potentiaali vähentää ratkaisevasti raskaan teollisuuden kasvihuonekaasupäästöjä, joita on muilla teknologioilla vaikea saada alas. Sama pätee myös kaukolämmöntuotantoon räätälöityihin reaktoreihin, jotka voisivat erityisesti Suomen olosuhteissa olla hyvinkin varteenotettava vähäpäästöinen vaihtoehto suurten asumiskeskittymien lämmittämiseen. Nämä reaktorityypit ovat teknisesti toteutettavissa, ja niihin liittyvät haasteet ovatkin lähinnä taloudellisia ja poliittisia. Ydinvoiman lisärakentaminen on monessa maassa pitkän ja raskaan poliittisen prosessin takana, erityisesti silloin kun puhutaan uudesta teknologiasta. Taloudellisten riskien minimoimiseksi voimayhtiöt sijoittavat rahansa mieluummin sellaisiin ratkaisuihin, joiden toteutumisesta ja todellisista kustannuksista on edes jotain aikaisempaa näyttöä.

Eksoottisempia tulevaisuuden reaktoriteknologioita käsitteleviä uutisia lukiessa kannattaa pitää mielessä se, että kyse on monesti konseptitason suunnitelmista, jotka ovat olemassa korkeintaan tietokonesimulaatioina. Uusia reaktorityyppejä kehittävät erityisesti USA:ssa pienet ja keskisuuret insinööritoimistot, joilla ei ulkopuolisen tutkimusrahoituksen lisäksi välttämättä ole kovin paljon muuta kassavirtaa. Yhteistyötahoina voi toimia yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, joille työn varsinainen päämäärä ei välttämättä edes ole toimivan reaktoriratkaisun tuottaminen, vaan esimerkiksi koulutus tai uusien laskentamenetelmien kehitys. Uudet teknologiat soveltuvat näihin tarkoituksiin erittäin hyvin, ja akateemisessa tutkimuksessa matka onkin usein päämäärää tärkeämpi.

Tiede- ja teknologialehtien uutiset on monesti poimittu firmojen omasta mainosmateriaalista, joka pitää sisällään samoja toiveikkaita lupauksia joilla myös potentiaaliset rahoittajat houkutellaan avaamaan lompakkonsa. Kilpailu rahoituksesta on kovaa, eivätkä kaikki pelaa täysin avoimilla korteilla. Uuden teknologian erinomaisuutta saatetaan korostaa väittämällä sen ratkaisevan myös sellaisia ongelmia, joita ei myöskään perinteisellä kevytvesireaktoriteknologialla todellisuudessa edes ole. Klassisin esimerkki liittyy reaktorin fissiotehon hallintaan. Uuden teknologian eduksi voidaan listata, että reaktori sammuttaa ongelmatilanteessa itse itsensä. Samassa yhteydessä jätetään kuitenkin kertomatta, että kyse on todellisuudessa ominaisuudesta joka löytyy lähes kaikista muistakin reaktorityypeistä. Maallikon voi olla hyvin vaikea arvioida esitettyjen väitteiden todenperäisyyttä, varsinkin jos niiden esittäjä hyväksikäyttää tarkoituksellisesti ihmisten ydinenergia-alaa kohtaan tuntemaa huolta ja epäluuloa.

Yksi hypetetyimmistä edistyneistä ydinteknologioista on toriumreaktori. Toriumia on tosin käytetty ydinpolttoaineena onnistuneesti jo 1960-luvulla, joten kyse ei varsinaisesti ole uudesta teknologiasta. Mielenkiinto toriumia kohtaan heräsi alkujaan siitä, että koska kyse on maankuoressa kolme kertaa uraania yleisemmästä alkuaineesta, teknologian käyttöönotto hälventäisi myös ydinpolttoaineen riittävyyteen liittyviä huolia. Toriumteknologiaan liitetään tosin usein joukko muitakin sen ylivoimaisuutta korostavia ominaisuuksia. Esimerkiksi Wikipediassa toriumreaktorin eduiksi luetaan mm. se, että polttoainetta ei tarvitse väkevöidä, että reaktoriteknologia soveltuu huonosti ydinasemateriaalin valmistamiseen, ja että reaktori käyttää luonnonvaroja tehokkaasti, tuottaen samalla vähemmän ydinjätettä. Viimeisin väite viedään toisinaan jopa niinkin pitkälle, että toriumreaktorin tuottamaa jätettä ei tarvitsisi edes loppusijoittaa, sillä siihen ei synny lainkaan pitkäikäistä plutoniumia.

Mitä toriumin käyttö ydinpolttoaineena sitten käytännössä tarkoittaa? Torium kuuluu uraanin, neptuniumin, plutoniumin ja amerikiumin kanssa alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä aktinidien ryhmään. Näiden alkuaineiden isotoopeille on yhteistä se, että ne ovat rakenteeltaan epästabiileja, ja pyrkivät kohti matalampaa energiatilaa radioaktiivisella hajoamisella. Kaikki aktinidit kykenevät myös (ainakin teoriassa) fissioitumaan neutroniabsorption vaikutuksesta. Reaktoriteknologian näkökulmasta erityisasemassa ovat sellaiset isotoopit, joilla fission todennäköisyys on riittävän korkea ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Uraanipolttoainetta käyttävissä reaktoreissa pääasiallinen fissioituva isotooppi on U235, joskin polttoainenipun käyttöiän lopulla merkittävä osa energiasta on peräisin myös plutoniumin Pu239-isotoopin fissiosta. Muita helposti fissioituvia isotooppeja ovat sellaiset ytimet joiden neutroniluku on pariton, esimerkiksi uraanin isotooppi U233 ja plutoniumin isotooppi Pu241.ⁱ

Helposti fissioituvan U235-isotoopin atomiosuus on luonnonuraanissa noin 0.7%. Näin matala pitoisuus riittää hädin tuskin ketjureaktion ylläpitämiseen, sillä edellytyksellä että reaktorin moderaattorina käytetään neutroneita heikosti absorboivaa raskasta vettä, tai vaihtoehtoisesti erittäin puhtaasta hiilestä koostuvaa grafiittia. Kevytvesireaktoreissa moderaattoriytimenä toimiva vety sen sijaan absorboi niin paljon neutroneita, että häviöiden kompensoimiseksi polttoaineen väkevöinti eli U235-isotoopin pitoisuus nostetaan tyypillisesti 3-5 %:iin.

Luonnossa esiintyvä torium koostuu yksinomaan parillisen neutroniluvun isotoopista Th232, jonka fission todennäköisyys on erittäin pieni. Puhtaasta toriumista rakennettu reaktori ei tästä syystä kykene ylläpitämään ketjureaktion kulkua missään olosuhteissa. Todellisuudessa toriumreaktorin polttoaineen fissio perustuukin uraanin isotooppiin U233, jota syntyy toriumista peräkkäisten neutronikaappaus- ja betahajoamisreaktioiden kautta:ⁱⁱ

Th232 + n ⟶ Th233 ⟶ Pa233 ⟶ U233

Torium ei siis varsinaisesti ole uraaniin verrattavissa oleva ydinpolttoaine, vaan pikemminkin lähtöaine josta fissiiliä polttoainetta valmistetaan. Puhdasta toriumia säteilytetään reaktorissa niin kauan, että fissiilin isotoopin pitoisuus riittää ketjureaktion ylläpitämiseen. Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että U233:n atomiosuuden on oltava vähintään prosentin tai kahden luokkaa.

Uraanin isotoopeista U233:lla on kuitenkin puolellaan sellainen lisäetu, että sen neutronien keskimääräinen nettotuotto on U235:a korkeampi. Jos reaktori saadaan käyntiin toriumpolttoaineella, niin ylimääräiset neutronit voidaan käyttää muuttamaan lisää Th232-ytimiä U233:ksi. Suotuisissa olosuhteissa reaktori voi tuottaa uutta polttoainetta nopeammin kuin vanhaa kuluu. Tällaista reaktoria kutsutaan hyötöreaktoriksi. Neutronien näkökulmasta toriumpolttoaineella toimivan hyötöreaktorin toimintaperiaatteen voi ymmärtää vaikka siten, että yksi fissiossa syntyneistä neutroneista tarvitaan ylläpitämään ketjureaktion kulkua, eli jatkamaan fissioketjua eteenpäin, ja ylimääräisillä neutroneilla muutetaan Th232-ytimiä U233:ksi siten, että myös fissiossa menetetty ydin korvautuu uudella.

Toriumreaktorin kyky käyttää luonnonvaroja perinteistä kevytvesireaktoria tehokkaammin liittyy juuri siihen, että kyse on itse asiassa hyötöreaktorista. Koska hyötöreaktori tuottaa jatkuvasti lisää fissiiliä isotooppia, se voi ainakin teoriassa hyödyntää maankuoresta löytyvän raaka-aineen koko energiasisällön. Uraanipolttoaineella toimiva kevytvesireaktori pystyy vastaavasti käyttämään lähinnä U235-isotoopin osuuden, eli 0.7% uraanin kokonaismäärästä. Tarkoittaako tämä sitten sitä, että toriumreaktori on luonnonvarojen riittävyyden kannalta ratkaisevasti parempi vaihtoehto?

Maailman uraanivarojen riittävyys mainitaan usein ydinenergian pitkäaikaista käyttöä rajoittavana tekijänä. Syy tähän on jossain määrin historiallinen. Uraania pidettiin vielä 1950-luvulla suhteellisen harvinaisena alkuaineena, tosin lähinnä siitä syystä, että maailman uraanivarojen kartoitus alkoi toden teolla vasta kun ydinteollisuus loi sen laajamittaiselle käytölle konkreettisen tarpeen. Varhaisissa ennusteissa ydinenergian käytön uskottiin myös yleistyvän huomattavan nopeasti, ja lopulta jopa syrjäyttävän kaikki muut energiantuotantomuodot. Luonnonvarojen rajallisuus yhdistettynä nopeaan kasvuun oli kestämätön yhtälö.

1950-luvun kasvuennusteet eivät kuitenkaan toteutuneet, ja nykytiedon mukaan tunnettujen ja kartoittamattomien uraanimalmioiden on arveltu riittävän vähintään sadoiksi vuosiksi eteenpäin. Kysymys uraanin riittävyydestä palautuu kuitenkin lopulta raaka-aineen hintaan, sillä kysynnän kasvaessa yhä köyhempien malmioiden louhinta muuttuu taloudellisesti kannattavaksi. Esimerkiksi fosfaattimalmien käyttöönotto moninkertaistaisi maailman uraanivarat kertaheitolla. Vielä suurempi potentiaali löytyy valtameristä, sillä uraania on myös merivedessä. Kilpailukykyinen erotusteknologia tosin odottaa vielä kehittämistään.ⁱⁱⁱ

Toinen huomionarvoinen seikka on se, että hyötöreaktori voi toimia myös uraanipolttoaineella, jolloin suurimmaksi osaksi U238-isotoopista muodostuvan raaka-aineen koko energiasisältö voidaan hyödyntää tehokkaasti. Neutronikaappaukseen ja kahteen peräkkäiseen betahajoamiseen perustuva konversioprosessi on tällöin:

U238 + n ⟶ U239 ⟶ Np239 ⟶ Pu239

Tämä U238-Pu239 -kierto on täysin analoginen toriumreaktoreiden Th232-U233 -kierron kanssa, sillä erotuksella että uraanipolttoaineella hyötäminen edellyttää nopean neutronispektrin reaktoreita, joita on käsitelty toisessa blogikirjoituksessa.^iv

Sen sijaan että toriumreaktoreita verrataan kevytvesireaktoreihin, vertailu pitäisikin oikeastaan tehdä nopeisiin hyötöreaktoreihin, jolloin ero luonnonvarojen käyttötehokkuudessa kaventuu käytännössä olemattomiin. Toriumiin perustuvan hyötöreaktorikierron etu onkin lähinnä se, että se voidaan toteuttaa myös termisen neutronispektrin reaktoreissa, mikä tuo keinovalikoimaan laajemman skaalan erilaisia teknologioita.

Wikipediassa toriumreaktorin yhdeksi eduksi mainittiin se, että polttoaineen valmistusprosessiin ei kuulu kallista väkevöintiä. Tämä on tavallaan täysin triviaali asia. Toriumilla ei ole lainkaan fissiiliä isotooppia, joten ei ole myöskään mitään mitä väkevöidä. Kaikkiin hyötöreaktorikiertoihin kuuluu kuitenkin välttämättömänä osana reaktorissa säteilytetyn polttoaineen jälleenkäsittely, jossa uuden polttoaineen valmistukseen käytettävä fissiili aines erotetaan jätteeksi menevästä massavirrasta. Jälleenkäsittely edellyttää hankalaa kemiallista prosessia, jossa käsitellään erittäin korkea-aktiivisia aineita nestemäisessä olomuodossa. Vaikka uraanin väkevöinti nostaa polttoaineen hintaa, kallis jälleenkäsittelyprosessi jää vastaavasti kokonaan pois.

Kuten edellä todettiin, toriumreaktoreiden eduksi luetaan monesti myös se, että polttoaineeseen ei synny pitkäikäistä plutoniumia,^v minkä vuoksi reaktorin jäte ei rohkeimpien väitteiden mukaan tarvitsisi lainkaan geologista loppusijoitusta. Nämä väitteet liittyvät siihen, että kevytvesireaktoripolttoaineeseen kertyvät aktinidi-isotoopit, erityisesti 24,000 vuoden puoliintumisajalla hajoava Pu239, pitävät aktiivisuuden korkealla kymmenien tuhansien vuosien ajan. Vaikka toriumreaktori ei tuota mainittavasti plutoniumia, polttoaineeseen syntyy muita pitkäikäisiä aktinideja. Esimerkiksi uraanin U233-isotoopin puoliintumisaika on noin 162,000 vuotta. Lähempi tarkastelu paljastaakin, että myös käytetyn toriumpolttoaineen radioaktiivisuus jää hyvin pitkäksi aikaa esimerkiksi luonnossa esiintyvää uraanimalmia korkeammalle tasolle.^vi

Todellisuudessa loppusijoituksen turvallisuusanalyysejä ei kuitenkaan edes tehdä vertaamalla ydinjätteen radioaktiivisuutta uraanimalmiin tai muuhun enemmän tai vähemmän mielivaltaisesti valittuun referenssitasoon. Aktiivisuus on pelkkä lähdetermi, ja analyysien varsinaisen lopputuloksen määrää se, miten suuren säteilyannoksen kallioperään haudattu jäte aiheuttaa ympäristölle ja loppusijoitustilan yläpuolella asuvalle väestölle. Turvallisuussuunnittelu lähtee siitä, että loppusijoituksesta aiheutuvan säteilyaltistuksen on kaikkina aikoina ja kaikki epävarmuudet huomioiden jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisesta taustasäteilystä aiheutuvaan annokseen. Käytännössä turvallisuuden osoittaminen edellyttää lähdetermin arvioinnin lisäksi analyysejä esimerkiksi loppusijoituskapselin kestävyydestä, radionuklidien liukenemisesta ja kulkeutumisesta, sekä pohjaveden liikkeistä kallioperässä ja loppusijoitustilan läheisyydessä.

Kaikki tekijät huomioiden edellä mainittu Pu239 ei pitkäikäisyydestään huolimatta ole loppusijoituksen kannalta erityisen ongelmallinen radionuklidi, sillä plutoniumin yhdisteet liukenevat erittäin huonosti veteen. Sama pätee moniin muihinkin pitkäikäisiin aktinideihin. Turvallisuuden kannalta merkittävämpiä isotooppeja ovat sen sijaan monet helposti kulkeutuvat fissiotuotteet, aktinidien hajoamistuotteet, sekä tietyt aktivoitumistuotteet, joita syntyy jopa polttoainenipun rakenteissa olevista epäpuhtauksista.

Koska toriumreaktorin energiantuotanto perustuu kevytvesireaktoreiden tapaan fissioreaktioon, myöskään loppusijoitettavan jätteen fissiotuoteinventaareissa ei ole merkittäviä eroja. Pitkäikäisten tytärytimien kokonaismäärä vertautuu tuotettuun energiamäärään riippumatta siitä, minkälaisella polttoaineella tai polttoainekierrolla reaktori toimii. Se, että toriumpolttoaineeseen ei synny plutoniumia, ei siis tarkoita sitä, etteikö kierrosta poistuvaa jätettä tarvitsisi eristää tuhansiksi vuosiksi ympäristöstä. Ainoa tapa päästä geologisesta loppusijoituksesta kokonaan eroon, on soveltaa toriumreaktoreille nykyistä löyhempiä turvallisuusstandardeja.

Viimeinen yllä esitetyistä väitteistä liittyi ydinasemateriaalin tuottamiseen toriumreaktorissa. Uraanin fissiili U233-isotooppi soveltuu todistetusti ydinpommin rakentamiseen,^vii joten toriumreaktorin käyttö tällaiseen tarkoitukseen ei ole ainakaan fysikaalinen mahdottomuus. Se, että polttoainekiertoon kuuluu olennaisena osana kemiallinen jälleenkäsittely, joka on varta vasten suunniteltu käyttökelpoisen aineksen erottamiseen, voidaan nähdä jopa erityisenä riskitekijänä.

Toriumreaktoreiden hyvää “proliferaatioresistenssiä” perustellaankin usein sillä, että U233:n lisäksi polttoaineeseen syntyy myös pieniä määriä uraanin isotooppia U232, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Uraanin isotoopit kulkevat käsi kädessä kemiallisen jälleenkäsittelyprosessin läpi, ja lopputuotteen prosessointi ydinaseeksi soveltuvaan muotoon edellyttää niin tehokasta säteilysuojausta, että teknologia ei ole aivan helposti toteutettavissa. Tätä argumenttia on kuitenkin kritisoitu siitä, että se olettaa ydinasetta havittelevien terroristien huolehtivan asianmukaisesti työsuojelusta, ja noudattavan ydinteollisuuden käyttämiä annosrajoja. Lähtökohta muuttuu olennaisesti, jos oletetaan että pommin käyttäjät ovat joka tapauksessa valmiit uhraamaan henkensä hankkeen toteuttamiseksi. Käytännössä U233-isotooppiin liittyvät ydinasemateriaalikysymykset vertautuvat isotooppeihin U235 ja Pu239, mutta yhteistä kansainvälisesti hyväksyttyä linjaa ei toistaiseksi ole.

Tästä kirjoituksesta saattoi helposti saada sellaisen kuvan, että pitäisin toriumreaktoreita jo lähtökohtaisesti huonona ajatuksena.^viii Mielestäni hypetyksen ongelma ei kuitenkaan ole itse teknologiassa, vaan pikemminkin sen ympärillä käytävässä keskustelussa. Torium ja muut edistyneet teknologiat tarjoavat paljon mahdollisuuksia kehittää ydinenergiantuotantoa uusille sovellusalueille, mutta muutos ei tapahdu vuodessa tai kahdessa. Monissa aihetta käsittelevissä kirjoituksissa odotukset asetetaan liian korkealle, ja uusien reaktorityyppien kuvitellaan kuin taikaiskusta ratkaisevan kaikki ongelmat. Jos näkökulma on tämä, lukijalle voi helposti syntyä sellainen mielikuva, että perinteiseen kevytvesireaktoriteknologiaan jämähtänyt ydinenergia-ala ei edes yritä kehittyä etsimällä uusia ratkaisuja.

Kuten jo aikaisemmin todettiin, suurimmat esteet ydinteknologian kehityksen tiellä eivät edes ole luonteeltaan teknisiä. Lähes kaikkien edistyneiksi luokiteltavien reaktorityyppien toimintaperiaatteet on demonstroitu käytännössä jo vuosikymmeniä sitten. Ydinenergiantuotannon alkuaikoina vaihtoehtoiset ratkaisut jäivät kuitenkin prototyyppiasteelle teollisuuden keskittäessä resurssinsa kevytvesireaktoriteknologian kehittämiseen. 1970-luvun lopulta alkaen kuvioihin tuli vahvasti mukaan myös politiikka, joka leikkasi rahoituksen monelta lupaavalta kehityshankkeelta. Viime vuosikymmeninä uusien reaktorien rakentaminen on törmännyt myös rahoitusongelmiin, sillä paljon pääomaa vuosikymmeniksi sitovat projektit eivät kaikkien mielestä sovi enää ajan henkeen.

Mikä siis on lopulta vastaus otsikossa esitettyyn kysymykseen? Lähes kaikki toriumreaktorin edut liittyvät siihen, että kyse on hyötöreaktorista, ja nykyisillä uraanin maailmanmarkkinahinnoilla hyötöreaktorikiertoa pidetään yksinkertaisesti liian kalliina ja poliittisesti vaikeana vaihtoehtona olemassa olevalle teknologialle. Tilanne voi muuttua tulevaisuudessa, jos ydinenergian käyttö lähtee vielä 1950-luvun ennusteita mukailevalle kasvu-uralle, ja laajan jälleenkäsittelyinfran rakentaminen tulee taloudellisesti mielekkääksi. Tällaisen skenaarion toteutuminen riippuu puolestaan esimerkiksi siitä, nähdäänkö ydinvoima tulevaisuudessa hyväksyttävänä keinona taistella ilmastonmuutosta vastaan. Teknisesti toriumreaktori tarjoaa varteenotettavan vaihtoehdon uraanipolttoainetta käyttäville nopeille hyötöreaktoreille, ja molemmat teknologiat tarjoavat ihmiskunnalle vähäpäästöisen energialähteen, jonka hyödynnettävyys ei käytännössä riipu luonnonvarojen riittävyydestä.

---

ⁱ⁾ Tarkemmin sanottuna parittoman neutroniluvun isotoopeilla on kyky fissioitua ytimeen osuneen neutronin liike-energiasta riippumatta. Taustalla on nk. pariteettiefekti, joka juontaa juureensa ytimen kvanttifysikaaliseen rakenteeseen. Jos ytimeen osunut neutroni löytää nukleonien joukosta parikseen toisen yksinäisen neutronin, reaktiossa vapautuu ylimääräistä sidosenergiaa, joka saa ytimen halkeamaan. Parillisen neutroniluvun ytimien fissioon liittyy sen sijaan tyypillisesti tietty kynnysenergia, eli neutronin on tuotava mukanaan myös riittävästi liike-energiaa jotta halkeaminen tulee mahdolliseksi.

ⁱⁱ⁾ Betahajoaminen (tarkemmin sanottuna β^–-hajoaminen) on radioaktiivisen hajoamisen muoto, jossa ytimeen sitoutunut neutroni muuttuu protoniksi. Tämä tarkoittaa sitä, että ytimen massaluku säilyy, mutta järjestysluku kasvaa yhdellä. Neutronikappauksen seurauksena syntynyt Th233-ydin hajoaa ensin alkuaineiden jaksollisessa jaksollisessa järjestelmässä yhtä järjestyslukua korkeammalla olevaksi protaktiniumiksi, ja toisen vastaavan reaktion myötä uraaniksi.

ⁱⁱⁱ⁾ Toriumreaktorin eduksi lasketaan toisinaan myös se, että toriumia sisältävät malmiot ovat jakautuneet maankuoressa uraania tasaisemmin. Kolme suurinta uraanintuottajamaata ovat Kazakstan, Kanada ja Australia, joiden yhteenlaskettu osuus muodostaa yli 70% maailmanmarkkinoista. Toriumia löytyy paljon esimerkiksi Australiasta, USA:sta, Turkista, Intiasta, Venezuelasta, Brasiliasta ja Norjasta.

^iv) Uraanin konversiota plutoniumiksi tapahtuu myös tavallisissa kevytvesireaktoreissa. Kuten edellä todettiin, reaktorin polttoaine voi käyttöikänsä lopulla tuottaa merkittävän osan fissioenergiastaan plutoniumilla. Tästä syystä myös luonnonuraanin energiasisällöstä pystytään todellisuudessa hyödyntämään enemmän kuin pelkkä U235-isotoopin osuus. Kevytvesireaktoreissa konversioprosessi ei kuitenkaan toimi yhtä tehokkaasti kuin toriumreaktoreissa, ja fissiilä materiaalia kuluu väistämättä nopeammin kuin uutta syntyy. Tilanne on olennaisesti erilainen jos reaktori toimii nopealla neutronispektrillä, jolloin fissioreaktion neutronituotto riittää hyötämiseen myös U238-Pu239 -kierrossa.

^v) Torium, uraani ja plutonium ovat jaksollisessa järjestelmässä alkuaineet 90, 92 ja 94. Kevyen ytimen muuttuminen raskaammaksi edellyttää neutronikaappausreaktiota, ja järjestysluvun kasvu radioaktiivista betahajoamista. Uraanin U238-isotooppi on yhden neutronikaappauksen ja kahden betahajoamisen päässä plutoniumi isotoopista Pu239. Toriumin Th232-ytimen tapauksessa neutronikaappausreaktioita pitäisi tapahtua yhteensä kuusi, jotta ketjussa voisi muodostua betahajoamisten kautta ensimmäinen plutoniumin isotooppi, Pu238. Näin pitkät transmutaatioketjut ovat reaktorissa äärimmäisen epätodennäköisiä, minkä vuoksi toriumpolttoaineeseen ei synny merkittävästi plutoniumia.

^vi) Vertailu hyötöreaktorikierrossa toimivan toriumreaktorin ja suoraan loppusijoitukseen perustuvan kevytvesireaktorin välillä ei myöskään ydinjätteen osalta ole täysin ongelmaton. Koko hyötöreaktorin idea on se, että polttoaineeseen syntynyttä fissiiliä isotooppia kierrätetään takaisin reaktoriin. Jos vertailu tehdään ainoastaan uraanipolttoaineeseen syntyvän Pu239:n ja toriumpolttoaineeseen syntyvän U233:n välillä, niin toriumreaktori on jo lähtökohtaisesti parempi vaihtoehto, sillä fissiili uraani ei edes päädy loppusijoitukseen. Ero uraani- ja toriumpolttoaineiden välillä kuitenkin kaventuu jos vertailu tehdään kevytvesireaktorin sijaan nopeaan hyötöreaktoriin, jonka polttoainekierto perustuu vastaavasti Pu239:n kierrätykseen. Olennaisin ero ei siis tule polttoainetyypistä, vaan siitä miten polttoainekierto on toteutettu. Hyötöreaktorikierrostakin poistuu jatkuvasti fissiotuotteita, joiden eristäminen ympäristöstä edellyttää käytännössä jätteen loppusijoitusta.

^vii) Yhdysvallat on tehnyt ydinkokeita U233:lla ainakin Teapot-koesarjassa vuonna 1957. Myös Intialla uskotaan olevan hallussaan U233:een perustuvaa ydinaseteknologiaa.

^viii) Kirjoitus keskittyi lähinnä osoittamaan, että toriumreaktoreista yleisesti esitetyt väitteet eivät kerro koko totuutta teknologian mahdollisuuksista. Toriumpolttoaineella on kuitenkin myös monia sellaisia ominaisuuksia, joita ei tekstissä mainittu lainkaan. Esimerkiksi toriumoksidin lämmönjohtavuus on jonkin verran uraanioksidia parempi, sen sulamispiste on korkeampi, ja materiaali on kemiallisesti stabiilimmassa tilassa. Toriumpolttoaine myös lämpölaajenee ja turpoaa fissiokaasujen vaikutuksesta perinteistä uraanipolttoainetta vähemmän. Tämä tarkoittaa sitä, että polttoaine voi kestää paremmin onnettomuustilanteita, ja sitä voidaan säteilyttää reaktorissa pidempään, jolloin myös käyttöastetta mittaava palama saadaan vastaavasti korkeammaksi.

 

Seitsemän vuotta Fukushimasta

Jaakko Leppänen – 11.3.2018

Japanin itärannikolla tapahtui perjantai-iltapäivänä 11. maaliskuuta 2011 yksi mittaushistorian voimakkaimmista maanjäristyksistä, joka aiheutti suurta vahinkoa rakennuksille ja infrastruktuurille. Vaikutukset tuntuivat myös 200 kilometriä Tokiosta pohjoiseen sijaitsevalla Fukushima Daiichin ydinvoimalaitoksella, jonka reaktorit pysähtyivät automaattisesti kun järistys vavisutti rakennuksia ja yhteys ulkoiseen sähköverkkoon katkesi. Alasajo eteni aluksi ongelmitta, ja sähköjärjestelmät siirtyivät käyttämään varavoimantuotantoon tarkoitettuja diesel-generaattoreita. Laitoshenkilökunta ryhtyi tarkastamaan vaurioita ja toteuttamaan maanjäristysten varalta laadittua pelastussuunnitelmaa. Tuntia myöhemmin laitosalueelle iski kuitenkin lähes 15 metriä korkea tsunamiaalto, joka pysäytti myös varavoimadieselit, jättäen reaktorien jäähdytys-, instrumentointi- ja ohjausjärjestelmät kokonaan ilman sähköä. Laitoksella julistettiin hätätila, ja rutiininomaisena käyttöhäiriönä alkanut tilanne eskaloitui pian suunnitteluperusteet ylittäväksi vakavaksi ydinvoimalaonnettomuudeksi.

Fukushimasta on kirjoitettu paljon onnettomuudesta kuluneen seitsemän vuoden aikana, ja aiheesta kiinnostuneen on helppo löytää tietoa mitä erilaisimmista lähteistä. Ongelmaksi muodostuukin lähinnä tiedon alkuperän ja luotettavuuden arviointi. Tämä ongelma juontaa osittain juurensa siitä, että Fukushima-uutisoinnin ollessa kuumimmillaan tapahtumien kulku ei ollut kaikilta osin selvä edes alan asiantuntijoille. Tilanne eteni samanaikaisesti kolmella laitosyksiköllä, ja esimerkiksi ensi käden mittaustietoa reaktoreiden tilasta oli varsin hajanaisesti saatavilla. Moni onnettomuuden aikoihin laadittu asiantuntijaraporttikin perustuu pitkälti puutteellisiin lähtötietoihin. Näitä taustoja vasten ei ole lainkaan yllättävää, että Fukushima-aiheisissa uutisissa ja keskusteluissa törmätään edelleen moniin seitsemän vuoden takaa peräisin oleviin käsityksiin, jotka ovat sittemmin osoittautuneet virheellisiksi.

Yritän tässä kirjoituksessa luoda johdonmukaisen kokonaiskuvan siitä, mitä Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudessa oman käsitykseni mukaan tapahtui. Aivan kaikkia yksityiskohtia ei käydä läpi, mutta olen edellisten kirjoitusten tapaan lisännyt tekstin sekaan joitakin tarkentavia alaviitteitä. Kirjoitus keskittyy onnettomuuden ensimmäiseen viikkoon, eli tapahtumien etenemiseen sähkökatkon aiheuttaneesta tsunamista siihen, että tilanne saatiin uudelleen hallintaan. Onnettomuuden seurausten ja ympäristövaikutusten käsittely jää sen sijaan toiseen kertaan. Kuvaus ei etene täysin kronologisesti, mutta olennaisimmat tapahtumat on koottu aikajärjestyksessä erilliseen taulukkoon. Lähteenä olen käyttänyt pääasiassa IAEA:n monikansallisen asiantuntijaryhmän vuonna 2015 laatimaa yhteenvetoraporttia, mutta jonkin verran myös muita lähteitä, mukaan lukien omia muistiinpanojani onnettomuuden ajalta.

Fukushima Daiichin ydinvoimalaitos koostui kuudesta reaktoriyksiköstä, joista ensimmäinen otettiin käyttöön vuonna 1971 ja yksiköt 2-6 vuosina 1973-1979. Reaktorit olivat tyypiltään amerikkalaisen General Electricin valmistamia kiehutusvesireaktoreita, sähköteholtaan 439-1067 megawattia. Maanjäristyksen iskiessä yksiköt 1-3 olivat toiminnassa, ja yksiköt 4-6 ajettu alas vuosihuoltoa varten. Nelosyksikön reaktori oli tyhjennetty kokonaan polttoaineesta.ⁱ

Kuva 1: Ilmakuva Fukushima Daiichin ydinvoimalaitosalueesta ennen onnettomuutta. Laitosyksiköiden 4, 3, 2 ja 1 reaktorirakennukset näkyvät kuvassa etualalla, ja yksiköt 5 ja 6 kauempana oikealla. Turbiinilaitokset on sijoitettu reaktorirakennusten eteen. Suurin osa varavoimantuotantoon tarkoitetuista dieselgeneraattoreista ja tasavirtajärjestelmien akkuvarmistuksista sijaitsi rakennusten kellaritiloissa. Mereltä vyörynyt lähes 15 metriä korkea tsunamiaalto tulvitti turbiini- ja reaktorirakennusten alimmat kerrokset, ja aiheutti suurta vahinkoa laitosalueella.

Kiehutusvesireaktoreissa fissiolämmityksen tuottama höyry johdetaan suoraan turbiineille, jotka pyörittävät sähköä tuottavaa generaattoria. Turbiinien läpi kuljettuaan höyry tiivistyy lauhduttimessa vedeksi, minkä jälkeen se palautetaan syöttövesipumpuilla takaisin reaktoriin. Termodynaamisen hyötysuhteen maksimoimiseksi reaktori toimii korkeassa, noin 300 asteen lämpötilassa. Tämä edellyttää käyttöpaineen nostamista 7 megapascalin tienoille.ⁱⁱ Reaktori ja jäähdytysjärjestelmän pääkomponentit on suljettu kaasutiiviin suojarakennuksen sisälle. Suojarakennustoiminnon tarkoitus on viimeisenä vapautumisesteenä pysäyttää vaurioituneesta ydinpolttoaineesta vapautuneen radioaktiivisen päästön kulkeutuminen ympäristöön.

Kaikille kevytvesireaktoreille on yhteistä se, että korkeassa paineessa ja lämpötilassa virtaavan jäähdytteen faasimuutokseen on sitoutunut paljon energiaa. Tämä vaikuttaa paitsi reaktorin toimintaan, myös sen alasajoon ja suojarakennuksen mitoitukseen. Reaktorin käyttöpaineen laskeminen normaalin ilmanpaineen tasolle edellyttää sitä, että suuri määrä lämpöä saadaan siirrettyä jäähdytyskierrosta ulos. Suunnitellussa alasajotilanteessa jäähdytykseen käytetään turbiinin lauhdutinta, joka siirtää energian reaktorin ja suojarakennuksen sisältä lämmönvaihtimien kautta lopullisena lämpönieluna toimivaan mereen.

Fukushimassa maanjäristyksen laukaisema automaattipysäytys aiheutti kuitenkin varotoimenpiteenä myös suojarakennuksen eristyksen, joka tarkoittaa sitä, että reaktorilta turbiinille johtavien höyrylinjojen venttiilit sulkeutuvat. Tällaisessa tilanteessa paineistettu jäähdytyskierto jää eristyksiin suojarakennuksen sisälle, ja lämmönpoistoon käytetään muita järjestelmiä. Reaktorin ylipaineistumisen estämiseksi jäähdytyspiiristä voidaan laskea höyryä suojarakennuksessa olevaan lauhdutusaltaaseen, jonka läpi kulkiessaan se tiivistyy takaisin vedeksi. Fukushiman laitostyypissä lauhdutusallas on toruksen muotoinen kammio, joka kiertää varsinaista betonikuorta (kuva 2). Reaktorin vedenpinnankorkeutta ylläpidetään syöttämällä kiertoon lisää vettä. Koska lämpöä siirtyy reaktorista lauhdutusaltaaseen, myös suojarakennuksen jäähdytyksestä on pystyttävä huolehtimaan jotta paine ja lämpötila saadaan pidettyä rakenteiden kestävyyden sallimissa rajoissa.

Kuva 2: Kaaviokuva Fukushimassa käytetyn kiehutusvesireaktorityypin suojarakennuksesta. Reaktori on sijoitettu teräsvuorauksella vahvistetun kaasutiiviin betonikuoren sisälle. Reaktorin ylipaineistuessa höyryä voidaan laskea suojarakennusta kiertävään toruksen muotoiseen lauhdutusaltaaseen, jossa se tiivistyy takaisin vedeksi. Reaktorihalli sijaitsee suojarakennuksen yläpuolella, pitäen sisällään esimerkiksi käytetyn polttoaineen varastoaltaan. Kuvaan ei ole piirretty turbiinin höyrylinjojen läpivientejä, reaktorin ja suojarakennuksen jäähdytysjärjestelmiä, ulkopuolisia palovesilinjoja, eikä suojarakennuksen paineenalennukseen tarkoitettuja ulospuhalluslinjoja.

Kerroin aikaisemmin reaktoriturvallisuuden perusteita käsittelevässä kirjoituksessa että merkittävin ydinpolttoaineen eheyttä uhkaava tekijä on sen ylikuumeneminen, joka voi pahimmassa tapauksessa johtaa koko reaktorisydämen sulamiseen. Jäähdytyksen tekniset haasteet puolestaan liittyvät polttoaineen tuottamaan jälkilämpöön, joka on peräisin lyhytikäisten isotooppien radioaktiivisesta hajoamisesta. Reaktorin fissioteho saadaan tarvittaessa nopeasti alas, mutta jälkilämpö jää tasolle joka riittää sulattamaan polttoaineen jos sydän pääsee kiehumaan kuivaksi. Edellä kuvatussa alasajotilanteessa ei siis ole kyse ainoastaan jäähdytteen faasimuutokseen sitoutuneen lämpöenergian poistamisesta, vaan myös siitä, että reaktori tuottaa energiaa vielä fissiotehon sammuttamisen jälkeen. Polttoainevaurioiden välttämiseksi sydämen vesikiertoa on pystyttävä ylläpitämään myös silloin, kun reaktori on eristetty suojarakennuksen sisälle.

Fukushimassa toiminnassa olleet reaktorit sammutettiin onnistuneesti maanjäristyksen iskiessä laitosalueelle, eivätkä ne tämän jälkeen tuottaneet enää lainkaan fissiotehoa. Jälkilämpöä vapautui kuitenkin runsaasti vielä siinä vaiheessa kun tsunamiaalto tuhosi varavoimadieselit, ja turvallisuuden kannalta kriittiset jäähdytysjärjestelmät jäivät kokonaan ilman sähköä. Radioaktiivinen hajoaminen lämmitti ykkösreaktorin polttoainetta noin 22 megawatin teholla, ja kooltaan suuremmissa kakkos- ja kolmosreaktoreissa jälkilämpöä vapautui puolet enemmän. Aikaisemmin alasajetuilla laitosyksiköillä lähtötilanne oli jäähdytyksen kannalta olennaisesti helpompi, sillä polttoaineen lämmöntuotto oli ehtinyt laskea matalammalle tasolle.ⁱⁱⁱ

Fukushiman laitostyypin jäähdytysjärjestelmät muodostavat suhteellisen monimutkaisen kokonaisuuden, johon kuuluu paitsi sähkötoimisia pumppuja, myös järjestelmiä jotka eivät vaadi toimiakseen ulkoista käyttövoimaa. Ykkösyksiköllä korkeassa paineessa olevan reaktorin jäähdytykseen käytettiin passiivisia eristyslauhduttimia, jotka siirsivät luonnonkierrolla lämpöä reaktorista suojarakennuksen ulkopuolelle. Kakkos- ja kolmosyksiköillä samaa tarkoitusta palveli höyryturbiinikäyttöinen eristysjäähdytysjärjestelmä, jonka vesipumppu sai käyttövoimansa reaktorista lauhdutusaltaaseen purkautuvalta höyryltä. Näihinkin järjestelmiin kuului kuitenkin sähkötoimisia venttiileitä, joiden ohjaamiseen tarvittiin instrumentoinnin ja laitosautomaation käyttämää tasavirtaverkkoa.^iv

Varavoimadieseleiden pysähtymisen jälkeen kaikki sähkötoimiset jälkilämmönpoistojärjestelmät lopettivat välittömästi toimintansa. Ykkös- ja kakkosyksiköllä tsunamiaalto tuhosi myös kellaritiloihin sijoitetut akut, joilla varmistettiin tasavirtaverkon toiminta. Tämä tarkoitti sitä, että laitoksen valvomohuoneeseen ei välittynyt enää lainkaan tilannekuvaa suojarakennuksen sisältä. Reaktorien ohjaajilla ei ollut minkäänlaisia keinoja vaikuttaa muuten toimintakuntoisten passiivisten jäähdytysjärjestelmien toimintaan, tai edes saada tietoa siitä, minkälaiseen asentoon niitä ohjaavat venttiilit olivat jääneet sähkövirran katkeamisen jälkeen. Pahin uhkakuva oli se, että reaktorit olisivat jääneet kokonaan ilman vesikiertoa. Vedenpinnankorkeus olisi tällöin laskenut muutamassa tunnissa polttoaineen yläreunan tasolle, minkä jälkeen paljastunut sydän olisi päässyt ylikuumenemaan ja lopulta sulamaan.

Kolmosyksikön osalta tilanne oli ensi alkuun parempi, sillä akkuvarmistukset oli sijoitettu turbiinirakennuksen ensimmäiseen kerrokseen, ja instrumentointiin käytetty tasavirtaverkko säilyi toimintakuntoisena. Tämä mahdollisti reaktorin tilan seuraamisen ja vedenpinnankorkeuden ylläpitämisen eristysjäähdytysjärjestelmän höyrytoimisella pumpulla. Polttoaineen ylikuumeneminen ei siis muodostanut ainakaan välitöntä uhkaa, vaikka lämpöä ei kyettykään siirtämään suojarakennuksesta ulos. Akkuvarmistuksen kapasiteetti riitti noin 30 tunnin ajaksi.

Kun tilanteen vakavuus alkoi selvitä, maan hallitus julisti hätätilan Fukushiman prefektuuriin. Väestö määrättiin evakuoitavaksi laitosalueen välittömästä läheisyydestä. Evakuointivyöhykettä laajennettiin myöhemmin kymmenen, ja sitten kahdenkymmenen kilometrin etäisyydelle onnettomuuslaitoksesta. Onnettomuuden sattuessa laitosalueella oli 6400 työntekijää ja aliurakoitsijaa. Näiden lisäksi pelastustoimeen lähetettiin useita palokunnan ja puolustusvoimien yksiköitä, jotka jouduttiin irrottamaan muista luonnonkatastrofin aiheuttamista tehtävistä.

Pahin mahdollinen skenaario toteutuikin ykkösyksiköllä. Fissiotehon sammuttamisen jälkeen reaktorin jäähtymistä säädettiin eristyslauhduttimilla. Liian nopean jäähtymisen välttämiseksi lauhduttimien venttiileitä avattiin ja suljettiin tarpeen mukaan. Kyse oli rutiinitoimenpiteestä, jolla pyrittin vähentämään rakenteiden lämpörasitusta. Tsunamiaallon iskiessä venttiilit olivat pahaksi onneksi kiinni, eikä niitä sähköjen menetyksen jälkeen saatu enää avattua. Reaktori jäi siis jo tässä vaiheessa ilman toimivaa vesikiertoa. Kakkosyksiköllä tilanne oli sen sijaan hieman ensivaikutelmaa parempi, sillä jäähdytykseen käytetyn eristysjäähdytysjärjestelmän pumppu oli sähkökatkon aikaan toiminnassa. Vaikka järjestelmää ei kyetty enää ohjaamaan, se jatkoi höyrynpaineen voimalla veden syöttämistä reaktoriin.

Laitoksen käyttöhenkilökunta joutui jo varhaisessa vaiheessa toteamaan, että ulkoisen sähköverkon tai diesel-varmennettujen varajärjestelmien palauttaminen toimintakuntoiseksi ei ollut enää mahdollista. Suunnitelma reaktorien pelastamiseksi keskittyi sen sijaan suojarakennuksesta ulos vedettyihin palovesilinjoihin. Nämä järjestelmät oli asennettu alun perin tulipaloja silmällä pitäen, mutta ne voitiin linjoittaa uudeleen syöttämään vettä suoraan reaktoriin.

Suunnitelmaan liittyi kuitenkin suuria haasteita. Palovesipumput toimivat suhteellisen matalassa paineessa, eli myös reaktorin paine oli saatava ensin alas puhaltamalla höyryä jäähdytyspiiristä suojarakennuksen lauhdutusaltaaseen. Paineenalennusventtiilien avaamiseen puolestaan tarvittiin instrumentointivirtaa, jota ei ykkös- ja kakkosyksiköllä enää akkusähkön menetyksen jälkeen ollut saatavilla. Improvisoituna hätäratkaisuna venttiilien ohjausvirtaa yritettiin saada laitosaluelle jääneiden ajoneuvojen akuista. Operaatioon liittyi myös se ongelma, että paine-eron kadotessa reaktorin vedenpinnankorkeutta ylläpitävät höyrytoimiset pumput lopettaisivat toimintansa, joten korvaavan paloveden syöttö oli syytä päästä aloittamaan heti paineenalennuksen jälkeen.

Yrityksistä huolimatta ykkösreaktorin paineenalennus ei onnistunut suunnitelmien mukaan, ja reaktori jäi kokonaan ilman vesikiertoa yli 12 tunnin ajaksi. Polttoaine suli jälkilämmön vaikutuksesta sydämen kiehuessa kuivaksi. Veden syöttäminen palovesilinjoja pitkin päästiin aloittamaan vasta kun sydänsula puhkaisi reaktoriastian pohjan, jolloin jäähdytyspiirin paine romahti.^v

Tilanne eteni kakkos- ja kolmosyksiköillä lopulta pitkälti saman kaavan mukaan. Reaktoreiden vesikiertoa ylläpitäneet eristysjäähdytysjärjestelmät oli suunniteltu toimimaan korkeintaan joitakin tunteja kerrallaan. Kolmosyksiköllä höyryturbiinikäyttöinen pumppu pysähtyi 20 tunnin, ja kakkosyksiköllä noin 70 tunnin käytön jälkeen. Kun vesikierto sydämeen lakkasi, polttoaine alkoi nopeasti ylikuumenemaan. Paineenalennus viivästyi molemmilla laitosyksiköillä, ja reaktorit jäivät monen tunnin ajaksi ilman jäähdytystä. Kun palovesilinjat saatiin lopulta käyttöön, polttoaine oli ehtinyt jo sulaa.^vi

Polttoaineen sulaminen vapauttaa paljon radioaktiivisuutta reaktorin jäähdytyskiertoon. Vaikka suojarakennukset oli suunniteltu viimeiseksi vapautumisesteeksi onnettomuustilanteita varten, niiden paineensietokyky oli varsin rajallinen. Reaktorin tuottama lämpö siirtyi suojarakennuksen puolelle, nostaen sen sisäistä painetta. Jäähdytysjärjestelmien lakattua toimimasta lämpöenergiaa ei enää kyetty siirtämään hallitusti ulos. Kun ykkösyksikön painetta päästiin ensimmäisen kerran mittaamaan kahdeksan tuntia varavoimadieseleiden pysähtymisen jälkeen, lukema ylitti jo suunnittelurajat. Korkea paine aiheutti vuotoja, ja ensimmäinen havainto kohonneesta säteilytasosta reaktorirakennuksen ulkopuolella tehtiin lauantaina aamuyöllä.

Kaikkien kolmen laitosyksikön suojarakennukset menettivät ylipaineistumisen seurauksena lopulta tiiveytensä. Vaikka eristys ei ollut täydellinen, suojarakennustoiminnon ylläpitäminen oli tärkeä osa onnettomuuden hallintaa, sillä se rajoitti merkittävästi radioaktiivista päästöä ympäristöön. Ainoa tapa helpottaa suojarakennuksen painekuormaa oli päästää höyryä ulos. Päätös paineenalennuksesta ei ollut aivan helppo, sillä höyryn mukana ympäristöön vapautui väistämättä lisää radioaktiivisuutta. Hallittua ympäristöpäästöä pidettiin kuitenkin pienempänä pahana kuin sitä, että rakenteet antaisivat korkean paineen alla kokonaan periksi, jolloin reaktorin ja ympäristön välille muodostuisi suora päästöreitti. Suojarakennuksen paineenalennuksessa törmättiin kuitenkin samanlaisiin ongelmiin kuin reaktoreiden kanssa, sillä ulospuhalluslinjojen venttiilien avaamiseen tarvittiin paineilmaa, jota ei sähköverkon menetyksen jälkeen ollut enää helposti saatavilla.^vii

Ykkösyksikön suojarakennuksen paineenalennus päästiin aloittamaan lauantaiaamuna, kun evakuointivyöhykkeellä sijaitsevan Okuman kylän tyhjentäminen oli saatu päätökseen. Operaatio kesti yli viisi tuntia, mutta paine saatiin lopulta laskemaan. Höyryn mukana ulos vuotanut radioaktiivisuus näkyi laitosalueella odotetusti kohonneena säteilytasona. Suojarakennuksen paineenalennus onnistui myös kolmosyksiköllä. Kakkosreaktorin ulospuhalluslinjoja ei sen sijaan saatu ajoissa auki, ja kohonnut paine puhkaisi lopulta lauhdutusaltaan seinämän. Suurimmat onnettomuuden aikaiset ilmapäästöt olivatkin ilmeisesti peräisin juuri kakkosyksiköltä.

Kuva 3: Annosnopeus laitosalueen pääportilla onnettomuuden ensimmäisen viikon aikana. Laitosyksiköillä tapahtuneet päästöt näkyvät piikkeinä säteilytasossa. Kuva on laadittu pian onnettomuuden jälkeen, eivätkä kaikki selitystekstit pidä paikkansa. Esimerkiksi kakkosyksikön suojarakennuksen paineenalennus (venting) ei nykytiedon mukaan missään vaiheessa onnistunut. Myöskään vetyräjähdystä ei muista laitosyksiköistä poiketen tapahtunut, vaan räjähdykseksi alun perin luultu ääni aiheutui todennäköisesti lauhdutusaltaan seinämän puhkeamisesta korkean paineen alla. Suurimmat päästöt seurasivat kakkosyksikön lauhdutusaltaan puhkeamisesta sekä kolmosyksikön suojarakennuksen paineenalennuksesta.

Aikaisemmassa blogikirjoituksessa todettiin, että polttoaineen zirkonium-metalliset suojakuoriputket alkavat oksidoitua lämpötilan kohotessa paljon reaktorin normaalin käyttölämpötilan yläpuolelle. Kyse on metallin ja vesihöyryn välillä tapahtuvasta eksotermisestä kemiallisesta reaktiosta, jossa vapautuu lämmön lisäksi myös vetyä. Reaktio alkaa kiihtyä lämpötilan noustessa, ja sen tuottama lämpöteho voi lopulta hetkellisesti ylittää polttoaineen jälkilämmöntuoton. Tämä edesauttaa merkittävästi sydänvaurioiden syntymistä. Oksidoitunut suojakuoriputki myös pirstoutuu helposti, jolloin sisällä oleva pellettipatsas romahtaa reaktoriastian pohjalle.

Vedynmuodostus on hyvin tunnettu vakavien reaktorionnettomuuksien ilmiö, johon on kiehutusvesilaitoksilla varauduttu inertoimalla suojarakennuksen ilmatila typpikaasulla. Tämä estää tehokkaasti vedyn palamisen. Fukushimassa vetyä pääsi kuitenkin vuotamaan korkeapaineisen vesihöyryn mukana myös suojarakennuksen ulkopuolelle. Reaktorihallissa vety sekoittui ilman kanssa, muodostaen helposti syttyvän kaasuseoksen. Ykkösyksiköllä tapahtui lauantai-iltapäivänä voimakas vetyräjähdys, joka rikkoi reaktorirakennuksen ylimpien kerrosten seinä- ja kattorakenteita. Koska räjähdys tapahtui varsinaisen suojarakennuksen ulkopuolella, se ei aiheuttanut uutta päästöä. Räjähdys levitti kuitenkin ympäristöön radioaktiivisuutta jota oli aikaisemmin kerääntynyt reaktorirakennuksen sisälle, ja sen aiheuttamat tuhot vaikeuttivat reaktorin jäähdytystä ja muita pelastustoimia.

Vastaava vetyräjähdys tapahtui kaksi päivää myöhemmin myös kolmosyksiköllä. Edellisen räjähdyksen tapaan myöskään kolmosyksikön suojarakennus ei kärsinyt merkittäviä lisävaurioita. Räjähdys haittasi kuitenkin viereisellä kakkosyksiköllä meneillään olevaa operaatiota. Palovesilinjojen kautta tapahtuvan vedensyötön valmistelu keskeytyi, ja suojarakennuksen paineenalennukseen käytettävät ulospuhalluslinjat kärsivät vaurioita. Kakkosyksikön lauhdutusaltaan puhkeaminen aiheutuikin välillisesti kolmosyksikön vetyräjähdyksestä, kun painetta ei saatu alas ulospuhalluslinjojen venttiilien vaurioitumisen vuoksi.^viii

Kuva 4: Reaktorirakennukset 4, 3, 2 ja 1 vetyräjähdysten jälkeen (keskiviikkona 16.3.2011). Räjähdykset tapahtuivat reaktorin ja suojarakennuksen ulkopuolella, ja uloimpien rakenteiden kärsimistä mittavista vaurioista huolimatta niillä ei ollut merkittävää suoraa vaikutusta radioaktiiviseen päästöön. Räjähdykset kuitenkin levittivät reaktorirakennuksen sisälle kertynyttä radioaktiivisuutta ympäristöön, ja vaikeuttivat pelastustoimia laitosalueella.

Reaktoreiden lisäksi käytettyä polttoainetta säilytettiin myös laitosyksiköiden polttoainealtaissa. Altaiden jälkilämmöntuotto oli reaktoreihin verrattuna suhteellisen vähäistä, eikä polttoaineen ylikuumenemista pidetty välittömänä uhkana vaikka jäähdytyskierto oli katkennut sähköverkon menetykseen.^ix Altaat sijaitsivat kuitenkin suojarakennusten ulkopuolella, joten radioaktiiviselle päästölle ei sellaisen sattuessa olisi ollut minkäänlaista vapautumisestettä. Onnettomuuden ensimmäisten päivien aikana huoli polttoainealtaiden tilasta liittyi lähinnä siihen, että kaikkia maanjäristyksen aiheuttamia vaurioita ei oltu ehditty tarkastaa ennen kuin tsunami iski laitosalueelle, ja kaikki pelastustoimet oli keskitettävä reaktoreiden jäähdytyksen palauttamiseen. Vaikka mikään ei varsinaisesti viitannut vuotoon, voimakas maanjäristys olisi periaatteessa voinut aiheuttaa altaiden rakenteisiin murtumia. Vaurioita olisi voinut syntyä myös ykkös- ja kolmosyksiköillä tapahtuneissa vetyräjähdyksissä.

Laitosalueen säteilytaso alkoi nousta tiistaina 15.3. Yhtenä mahdollisena selityksenä pidettiin ilmeisesti sitä, että vedenpinta kolmos- tai nelosyksikön polttoainealtaassa olisi kaikesta huolimatta  päässyt laskemaan nippujen yläreunan tasolle. Vesi toimi jäähdytteen lisäksi myös säteilysuojana, joten suojauksen heikentyminen olisi voinut nostaa annosnopeutta altaan lähellä. Tilannekuvaa muutti myös nelosyksiköllä tapahtunut vetyräjähdys. Koska reaktorissa ei ollut lainkaan polttoainetta, ainoa selitys vaikutti aluksi olevan se, että vety oli peräisin altaasta. Jos polttoaine olisi päässyt paljastumaan veden alta, suojakuoriputken zirkoniumin oksidoitumisreaktio olisi voinut käynnistyä lämpötilan noustua riittävän korkeaksi.

Nelosyksiköllä räjähtäneen vedyn alkuperäksi paljastui kuitenkin kolmosyksikön reaktori. Pareittain rakennetut laitokset jakoivat yhteisiä ilmanvaihtojärjestelmiä, joita pitkin vetyä oli kulkeutunut kolmosyksikön reaktorirakennuksesta sisarlaitoksen puolelle. Säteilytason nousuun puolestaan vaikutti olennaisesti kakkosyksiköllä tapahtunut päästö, kun lauhdutusaltaan seinämä antoi paineen alla periksi. Nelosyksikön polttoainealtaan kunto pystyttiin vahvistamaan myös ilmakuvista.

Laitosalueella käynnistettiin kuitenkin varotoimenpiteenä uusi operaatio, jossa vettä ruiskutettiin kolmos- ja nelosyksiköiden polttoainealtaisiin paloautojen vesitykeillä ja betoniautoilla. Operaatio jatkui monta päivää, ja se sai näyttävyytensä vuoksi paljon mediahuomiota. Tilanteen vakavuutta tosin tulkittiin myös väärin.^x Myöhempien selvitysten perusteella vaikuttaa siltä, että allasveden pinta ei kummallakaan laitosyksiköllä laskenut lähellekään polttoainenippujen yläreunaa, eikä myöskään ylikuumenemisen aiheuttamia vaurioita tai päästöjä päässyt syntymään.

Kun huoli polttoainealtaiden jäähdytyksestä väistyi ja veden syöttö reaktoreihin saatiin toimimaan, tilanne Fukushimassa alkoi vihdoin rauhoittua. Ilmapäästöt loppuivat kun sulaneet reaktorisydämet saatiin peitettyä vedellä, ja sydänsula jähmettyi lämpötilan laskiessa. Pääosa radionuklideista vapautui tiistain ja perjantain välisenä aikana ensimmäisellä onnettomuusviikolla. Suurimman yksittäisen päästön uskotaan tapahtuneen kakkosyksiköltä tiistaina 15.3. Vaikka ilmapäästöt saatiin pian loppumaan, radioaktiivisuutta päätyi kuitenkin vahingoittuneista reaktorirakennuksista vuotavan veden mukana edelleen mereen, ja kaikkien päästöreittien paikallistaminen kesti lopulta huhtikuun puolelle.

Vaikka Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden aiheuttanut tsunami oli alkutapahtumana poikkeuksellinen, onnettomuudessa oli kyse paljon muustakin kuin epäonnekkaasta sattumasta. Ilmeisin syy sähköjärjestelmien menettämiselle oli se, että laitoksella oli varauduttu poikkeuksellisen huonosti ulkoisiin uhkiin. Varavoimadieselit oli sijoitettu turbiinirakennusten kellaritiloihin siten, että yksittäinen hyökyaalto teki kaikki järjestelmät kerralla käyttökelvottomiksi. Sama päti tasavirtajärjestelmän akkuvarmistuksiin. Ydinenergia-alalla yleisesti sovellettavien redundanssi- ja diversiteettiperiaatteiden mukaan turvallisuuden kannalta kriittiset järjestelmät on pystyttävä varmistamaan siten, että mikään yksittäinen alkutapahtuma ei voi johtaa kaikkien rinnakkaisten osajärjestelmien samanaikaiseen menettämiseen.^xi Fukushimassa turvallisuussuunnittelu petti näiden periaatteiden osalta täysin.

Ykkösyksikön passiiviset eristyslauhduttimet olisivat periaatteessa voineet pelastaa reaktorin vielä sähköverkon menetyksen jälkeen siirtämällä lämpöä reaktorista suojarakennuksen ulkopuolelle, jos vain lauhduttimien venttiileitä olisi saatu ohjattua, tai jos niiden toimintalogiikka olisi alunperinkin suunniteltu siten, että sähkövirran menetys jättää jäähdytyskierron auki. Polttoaineen jälkilämmönpoistoon olisi tällöin riittänyt se, että lauhduttimien toisiopuolen vesitäydennyksistä olisi pystytty huolehtimaan kahdeksan tunnin välein. Vastaavia järjestelmiä toimivalla fail-safe -logiikalla on suunniteltu passiivisesti turvallisiin kolmannen sukupolven ydinlaitoksiin.

Kakkos- ja kolmosyksiköillä höyrytoimiset pumput eivät kyenneet siirtämään lämpöä suojarakennuksesta ulos, mutta niiden toiminnalla saatiin lisää aikaa ulkopuolisen vedensyötön valmisteluun. Operaation epäonnistuminen oli viime kädessä kiinni siitä, että reaktorien sisäistä painetta ei saatu riittävän ajoissa alas. Tähänkin oli syynä tasavirtaverkon toimimattomuus. Samankaltaiset ongelmat johtivat myös suojarakennusten tiiveyden menetykseen, kun paineenalennus viivästyi tai epäonnistui kokonaan.

Mikä Fukuhiman turvallisuussuunnittelussa sitten meni pieleen? Pohjimmiltaan kyse oli siitä, että laitostyyppi oli saanut viranomaisen hyväksynnän 1960-luvun puolella, eikä kaikkia turvallisuusvaatimuksia oltu missään vaiheessa päivitetty vastaamaan nykyisiä standardeja. Japanin ydinenergialainsäädäntö ei edellyttänyt voimayhtiöitä varautumaan lainkaan suunnitteluperusteet ylittäviin onnettomuuksiin, tai ylläpitämään turvallisuustason arvioinnissa käytettyjä menetelmiä siten, että ne olisivat vastanneet parasta olemassa olevaa tietoa riskeistä.

Esimerkiksi tieto maanjäristyksistä ja tsunameista oli lisääntynyt huimasti kuluneiden vuosikymmenien aikana, mutta Fukushiman tulvasuojauksessa varauduttiin vielä vuonna 2011 ainoastaan 5.7-metriseen hyökyaaltoon. Korkea tsunami iski myös Onagawan ydinvoimalaitokselle, joka sijaitsi vielä lähempänä maanjäristyksen keskusta, ja romahti mannerlaattojen liikahtaessa metrin verran alaspäin. Laitoksen suunnittelussa oli kuitenkin ilmeisesti sovellettu uudempaa tietoa tsunameihin liittyvistä riskeistä, ja paremman tulvasuojauksen vuoksi Onagawan varavoimajärjestelmät säilyivät toimintakuntoisina.

1960-luvulla ydinvoimaloiden turvallisuussuunnittelu keskittyi erityisesti jäähdytteenmenetysonnettomuuksiin. Taustalla oleva ajatus oli se, että jos suunnittelussa varaudutaan suurimman jäähdytysvesiputken katkeamiseen, niin reaktorin pitäisi kestää myös kaikki vähäisemmistä alkutapahtumista seuraavat ongelmatilanteet. Vuosikymmenien ydinturvallisuustutkimus ja käytännön kokemus ovat kuitenkin osoittaneet, että ydinenergian turvallinen käyttö edellyttää myös varautumista paljon monimutkaisempiin tapahtumaketjuihin, jotka voivat saada alkunsa esimerkiksi juuri sähköjärjestelmien häiriötilanteista.

Fukushimassa sähkötoimisten jälkilämmönpoistojärjestelmien menetyksen varalta laaditun B-suunnitelman onnistuminen edellytti käytännössä sitä, että reaktorin instrumentointiin ja paineenalennusventtiilien ohjaukseen käytetty tasavirtaverkko säilyi toimintakuntoisena. Yksittäisen alkutapahtuman ei siis oletettu vaikuttavan useampaan järjestelmään samanaikaisesti. Laitoksen käyttöhenkilökunnan turvallisuuskoulutuksessa ei oltu huomioitu tilannetta jossa kaikki sähköjärjestelmät menetetään lopullisesti, tai sitä että ongelmat koskettavat useampaa laitosyksikköä. Myöskään reaktoreiden suojarakennustoimintoa ei oltu mitoitettu kestämään pitkään jatkunutta paine- ja lämpökuormaa.

Fukushiman onnettomuus oli Japanin ydinenergiayhteisölle karu herätys todellisuuteen. Maan jokainen reaktoriyksikkö ajettiin alas turvallisuuden uudelleenarviointia varten, eikä kaikkia laitoksia ole vieläkään päästy palauttamaan käyttöön. Myös viranomaistoimintaa ja lainsäädäntöä uudistettiin perusteellisesti. Onnettomuuden seurauksista kärsivät luonnollisesti myös lähialueen asukkaat, jotka joutuivat radioaktiivisen laskeuman vuoksi jättämään kotinsa. Erityisen murheelliseksi tapauksen tekee se, että tilanteen kehittyminen käyttöhäiriöstä vakavaksi reaktorionnettomuudeksi olisi ollut helposti vältettävissä. Tämä ei olisi edellyttänyt edes uusia innovaatioita reaktoriturvallisuuden alalla, vaan yksinkertaisesti sitä, että Fukushimassa olisi noudatettu ydinenergiteollisuuden muuten yleisesti soveltamia turvallisuusperiaatteita.

---

ⁱ⁾ Monissa Fukushiman onnettomuutta käsittelevissä uutisissa ja keskusteluissa nostettiin erityisenä ongelmana esille se, että reaktorit olisivat toimineet plutoniumia sisältävällä sekaoksidipolttoaineella, eli MOX:illa. Todellisuudessa MOX-polttoainetta ei kuitenkaan käytetty kaikissa reaktoreissa, vaan ainoastaan kolmosyksiköllä, ja sielläkin vain 32:ssa reaktorin 548 polttoainenipusta. Polttoainetyypillä ei muutenkaan ollut suurta merkitystä onnettomuuden vakavuuden kannalta. Reaktorissa säteilytetyn MOX-polttoaineen jälkilämmöntuotto vastaa uraanipolttoainetta, eikä myöskään radioaktiivisuusinventaareissa ole suuria eroja. Pääosa inventaarista muodostuu joka tapauksessa fissiotuotteista, joiden aktiivisuus riippuu reaktorin fissiotehosta, sekä polttoaineen tuottamasta kokonaisenergiamäärästä. Eroa uraani- ja MOX-polttoaineen välillä kaventaa myös se, että plutoniumia syntyy käytön aikana myös tavalliseen uraanipolttoaineeseen. Käyttöikänsä lopulla polttoainenippu voi tuottaa suurimman osan energiastaan plutoniumin Pu239-isotoopin fissiolla.

ⁱⁱ⁾ Veden kiehumispiste 7 megapascalin (MPa) paineessa on 285°C. Normaali ilmanpaine on n. 0.1 MPa. Fukushimassa suojarakennuksen mitoituspaine oli n. 0.4 MPa.

ⁱⁱⁱ⁾ Laitosyksiköt oli kytketty toimimaan pareittain. Yksi kuutosyksikön dieselgeneraattoreista selvisi tsunamista toimintakuntoisena, ja sen tuottamalla sähköllä pystyttiin käyttämään myös sisarlaitoksen jäähdytysjärjestelmiä. Viitos- ja kuutosyksiköiden reaktorit eivät kärsineet onnettomuudessa polttoainevaurioita. Tilannetta helpotti se, että molemmat reaktorit oli sammutettu aikaisemmin vuosihuoltoa varten, joten myös polttoaineen jälkilämmöntuotto oli ehtinyt laskea.

^iv) Eristyslauhduttimesta käytetään englanninkielisessä kirjallisuudessa lyhennettä IC (isolation condenser), ja höyrykäyttöisestä eristysjäähdytysjärjestelmästä lyhennettä RCIC (reactor core isolation cooling system). Nämä järjestelmät oli suunniteltu reaktorin jälkilämmönpoistoon korkeassa paineessa suojarakennuksen eristyksen jälkeen. Reaktoripiirin paineen laskettua jäähdytys oli tarkoitus hoitaa sähkötoimisilla järjestelmillä, jotka eivät enää varavoimadieseleiden menetyksen jälkeen saaneet käyttövoimaa. Jälkilämmönpoiston lisäksi reaktoreilla oli onnettomuustilanteita varten suunniteltuja hätäjäähdytysjärjestelmiä, joista korkeapaineinen ruiskutusjärjestelmä toimi RCIC:n tapaan höyryturbiinilla, ja muut järjestelmät sähkötoimisilla pumpuilla.

^v) Ulkoinen vedensyöttö hoidettiin pääasiassa laitospaikalle saapuneilla paloautoilla. Reaktoreihin syötettiin aluksi puhdasta vettä, mutta säiliöiden tyhjennyttyä vettä jouduttiin ottamaan myös merestä. Meriveden mukana reaktoreihin päätyi tonneittain suolaa, jonka pelättiin tukkivan jäähdytyskanavia ja aiheuttavan lisää ongelmia. Ratkaisua pidettiin kuitenkin parempana vaihtoehtona kuin reaktoreiden jättämistä kokonaan ilman jäähdytystä. Vaikka veden syöttö päästiin aloittamaan vasta polttoaineen sulamisen jälkeen, jäähdytyksellä oli tärkeä merkitys päästöjen rajoittamisen kannalta. Radionuklidien vapautumisnopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta, minkä lisäksi jäähdyte sitoo itseensä aerosoleja ja vesiliukoisia yhdisteitä.

^vi) Eristysjäähdytysjärjestelmän petettyä kolmosyksikön suojausautomatiikka käynnisti pian toisen höyrykäyttöisen hätäruiskutusjärjestelmän (high pressure coolant injection system, HPCI), joka oli suunniteltu pääasiassa ylläpitämään vedenpinnankorkeutta jäähdytteenmenetysonnettomuuksissa. Järjestelmä syötti vettä reaktoriin vielä 14 tunnin ajan. Pumppu pysäytettiin kun reaktorin paine saatiin niin alas, että veden syöttö palovesilinjoja pitkin tuli mahdolliseksi. Jäähdytyskierron pysähtymisen jälkeen reaktorin paine nousi kuitenkin nopeasti, ja ulkoinen vedensyöttö epäonnistui. Myöskään HPCI-järjestelmän uudelleen käynnistäminen ei onnistunut, ja reaktorin sydän jäi yli neljäksi tunniksi ilman jäähdytystä. Vastaava suojausautomatiikka ei toiminut ykkös- ja kakkosyksiköllä, sillä sitä ohjaavaa tasavirtaverkkoa ei ollut saatavilla.

^vii) Suojarakennuksen paineenalennusta vaikeutti myös se, että ulospuhalluslinjat oli varustettu murtolevyillä, joiden tarkoitus oli estää ennenaikainen päästö ympäristöön tilanteessa jossa painekuorma ei vielä uhannut rakenteiden eheyttä. Käytännössä operaatio edellytti sitä, että venttiilit pidettiin paineilmalla auki, ja suojarakennuksen sisäisen paineen odotettiin kohoavan niin korkeaksi että murtolevyt antoivat periksi. Venttiilit sijaitsivat reaktorirakennuksen sisällä tiloissa, joissa säteilytaso oli selvästi koholla.

^viii) Vetyräjähdyksistä löytyy videomateriaalia esimerkiksi YouTubesta. Molemmat räjähdykset tapahtuivat reaktorirakennuksen yläosassa (kts. kuva2), varsinaisen suojarakennuksen ulkopuolella. Kolmosyksikön tapauksessa (oikeanpuolimmainen videoruutu) räjähdyksen uskotaan saaneen alkunsa reaktorikuilussa, jonka seinämät suuntasivat sen voiman selvemmin ylöspäin. Dramaattisuudestaan huolimatta räjähdysten vaikutus kokonaispäästöön oli suhteellisen pieni. Reaktorirakennukseen kerääntynyttä radioaktiivisuutta levisi laitosalueelle, mutta uutta vuotoa niistä ei seurannut.

^ix) Polttoainealtaassa säilytetään edellisten käyttöjaksojen lopussa reaktorista poistettuja polttoainenippuja. Eniten polttoainetta oli nelosyksikön altaassa (1331 nippua), johon koko sydän oli tyhjennetty reaktorin sisäosien tarkistusta varten. Pidemmän jäähtymisajan vuoksi radioaktiivisen hajoamisen tuottama jälkilämpö oli selvästi juuri sammutettuja reaktoreita matalammalla tasolla. Nelosyksikön altaan jälkilämmöntuotto oli n. 2 MW, ja muilla yksiköillä 0.2-0.5 MW. Vertailun vuoksi reaktorit tuottivat jälkilämpöä 22 MW (ykkösyksikkö) ja 33 MW (yksiköt 2 ja 3). Altaan ollessa täynnä polttoaineen päällä oli noin 7 metriä vettä, joskin pinta laski jonkin verran maanjäristyksen aiheuttaman loiskumisen vuoksi. Vedenpinnan laskeminen haihtumalla polttoainenippujen yläreunan tasolle olisi silti vienyt useamman viikon.

^x) Polttoainealtaiden tilaan liittyvät uutiset perustuivat ilmeisesti suurelta osin vahvistamattomiin tietoihin. Esimerkiksi IAEA:n selvitysraportti ei mainitse lainkaan sitä, että altaiden vedenpinnan taso olisi laskenut niin paljon, että säteilysuojauksen heikentyminen olisi nostanut suoraa säteilyvaikutusta laitosalueella. Tämä ja muut altaisiin liittyvät ongelmat nostettiin kuitenkin selvästi esille mediassa. Yksi syy ristiriitaiseen tiedotukseen lienee se, että USA:n ydinturvallisuusviranomainen (Nuclear Regulatory Commission, NRC) piti pitkään kiinni omasta näkemyksestään, jonka mukaan nelosyksikön polttoaineallas oli vuotanut tyhjäksi, ja hallitsematon päästö nostaisi laitosalueen säteilytason lopulta niin korkeaksi, että kaikista pelastustoimista jouduttaisiin luopumaan. Yhdysvaltain kansalaisille annettiin suositus siirtyä 80 kilometrin päähän Fukushimasta, mikä poikkesi selvästi japanilaisten virallisista evakuointimääräyksistä. Eri asiantuntijatahojen keskenään ristiriitaiset lausunnot aiheuttivat paljon hämmennystä jo valmiiksi sekavassa tilanteessa, ja söivät kansalaisten luottamusta viranomaisia kohtaan. Japanilaisten oman tilannekuvan mukaan mikään ei viitannut altaassa olevan polttoaineen vaurioitumiseen. Amerikkalaiset eivät muuttaneet annettuja ohjeita vaikka helikopterista otetuissa valokuvissa näkyi selvästi että polttoaineen päällä oli monta metriä vettä. NRC myönsi virheensä vasta kesäkuussa 2011.

^xi) Redundanssilla tarkoitetaan turvallisuuden kannalta kriittisten toimintojen varmistamista useammalla rinnakkaisella järjestelmällä siten, että turvallisuus ei vaarannu vaikka osa järjestelmistä menettäisi toimintakykynsä. Diversiteetillä puolestaan tarkoitetaan näiden toimintojen hajauttamista eri teknologioihin, millä pyritään välttämään yhteisvikojen mahdollisuus (esim. diesel-generaattoreiden polttoaineen loppuminen). Esimerkiksi Olkiluodon kiehutusvesireaktoreiden hätäjäähdytys- ja jälkilämmönpoistojärjestelmät on varmistettu laitosyksikkökohtaisten diesel-generaattoreiden lisäksi kaasuturbiinikäyttöisellä varavoimalaitoksella. Sähkönsyöttö voidaan tarvittaessa järjestää laitosyksiköltä toiselle, minkä lisäksi sähköä voidaan saada kantaverkosta riippumattoman linjan kautta suoraan Harjavallan vesivoimalaitokselta.

 

Rikkoutuvista polttoainesauvoista

Ville Tulkki 28.2.2018

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

Ydinpolttoaine

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

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

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

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

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

Loviisan ydinreaktoreissa olleet vuotavat sauvat vuosittain. Kuvan lähde.

 

Olkiluodon ydinreaktoreissa olleet vuotavat sauvat vuosittain. Kuvan lähde.

Vuotojen syyt

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

Painevesilaitosten vuotavia sauvoja sisältävien polttoainenippujen lukumäärä ja syyt Euroopassa Ranskan ulkopuolella. Kuvan lähde.

 

Kiehuvesilaitosten vuotavia sauvoja sisältävien polttoainenippujen lukumäärä ja syyt Euroopassa. Kuvan lähde.

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

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

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

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

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

Rikkoutumisen syyn selvittäminen

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

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

Seuraukset

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

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

Reaktorin takaisinkytkennät

Jaakko Leppänen – 23.2.2018

Esitin aikaisemmin reaktoriturvallisuuden perusteita käsittelevässä kirjoituksessa väitteen, että vakavan ydinonnettomuuden riskit eivät vastoin yleistä mielikuvaa liity reaktorin räjähtämiseen fissiotehon karatessa hallitsemattomaan kasvuun vaan siihen, että radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva jälkilämpö saa polttoaineen sulamaan jos jäähdytyskierto sydämeen menetetään pitkäksi aikaa. Tarkemmin sanottuna kyse oli siitä, että useimmat reaktorityypit on mahdollista suunnitella ketjureaktion hallinnan osalta luontaisesti stabiileiksi. Tällainen reaktori pyrkii itsestään hakeutumaan sellaiseen toimintatilaan, jossa tehontuotto ja lämmönsiirto ovat keskenään tasapainossa. Reaktorin stabiilisuus puolestaan palautuu negatiivisiin takaisinkytkentöihin, joilla tarkoitetaan sisäsyntyisiä fysikaalisia mekanismeja jotka pyrkivät vastustamaan toimintatilan muutosta.

Yritän tässä kirjoituksessa avata hieman syvällisemmin näihin takaisinkytkentöihin liittyvää fysiikkaa, joka juontaa juurensa yksittäisten neutronien kulkeutumiseen reaktorin sydämessä. Stabiilisuuden ymmärtäminen tällä tasolla ei ole edellytys sille, että ymmärtää miten reaktori toimii, vaan kirjoituksen tarkoitus on tarjota yksityiskohtainen selitys ilmiöille jotka edellisellä kerralla jätettiin lähinnä uskon asiaksi.

Aihe ei ole aivan yksinkertainen, mistä kertoo esimerkiksi se, että monissa edistyneitä reaktoriteknologioita käsittelevissä kirjoituksissa vastaavat ilmiöt esitellään virheellisesti uusina turvallisuutta parantavina ominaisuuksina, jotka saavat reaktorin sammuttamaan ongelmatilanteessa itse itsensä. Todellisuudessa takaisinkytkennät vaikuttavat ketjureaktion kulkuun kaikissa reaktoreissa, ja myös edistyneiden reaktorityyppien turvallisuusparannukset liittyvät pääsääntöisesti nimenomaan jälkilämmön poistoon. Seuraavassa esitetty kuvaus keskittyy erityisesti jäähdytteen tiheysmuutoksen kautta vaikuttavaan lämpötilatakaisinkytkentään, joka on perinteisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa erityisen voimakas.

Takaisinkytkennöissä vaikuttavien ilmiöiden ymmärtämiseksi on syytä ensin selventää reaktorin toimintaperiaatetta. Ydinreaktorin kyky ylläpitää ketjureaktion kulkua riippuu siitä, kykenevätkö fissioketjua eteenpäin kuljettavat neutronit löytämään elinkaarensa varrelta riittävästi uusia ytimiä halkaistavaksi. Ydinpolttoaineena käytettävä uraani koostuu pääasiassa kahdesta isotoopista: U235 ja U238, joista ainoastaan edellinen fissioituu helposti absorboituaan ytimeen osuneen neutronin. Käytännössä ketjureaktion ylläpitämisen ehto tarkoittaakin sitä, että reaktorissa vaeltavalla neutronilla on oltava riittävän suuri todennäköisyys törmätä helposti fissioituvaan U235-ytimeen.

Suurin osa polttoaineen uraanista muodostuu kuitenkin isotoopista U238. Luonnonuraanissa isotooppiosuudet jakautuvat suhteessa 0.7% ja 99.3%, ja väkevöidyssä kevytvesireaktoripolttoaineessakin U235:n osuus jää alle viiden prosentin. Neutronit syntyvät fissiossa korkealle energia-alueelle (keskimäärin n. 2 MeV). Tällaisilla neutroneilla törmäykset uraaniytimiin jakautuvat likimain isotooppiosuuksien suhteessa, eli väkevöinnin ylärajallakin vain noin joka kahdeskymmenes törmäys osuu helposti fissiotuvaan U235-ytimeen. Fission todennäköisyys ja reaktorin neutronituotto eivät tällaisessa polttoaineessa riitä ketjureaktion ylläpitämiseen.

Neutronivuorovaikutuksille on kuitenkin ominaista se, että ne riippuvat voimakkaasti ytimeen osuneen neutronin liike-energiasta. Neutronin hidastuessa todennäköisyydet pääsääntöisesti kasvavat, mikä on ymmärrettävissä esimerkiksi siten, että hitaasti atomiytimen läpi kulkevalle neutronille jää enemmän aikaa vuorovaikuttaa ytimen rakenneosien kanssa. Muutoksen suuruus riippuu myös kohtioytimestä. Uraanin isotooppien tapauksessa ratkaiseva ero on se, että törmäystodennäköisyys kasvaa erityisen paljon juuri helposti fissioituvalla U235:llä. Neutronin hidastuessa nämä harvaan ripotellut ytimet alkavat erottua ympäristöstään ikään kuin muita uraaniytimiä suurempina kohteina. Vaikutus on merkittävä, sillä törmäyksen todennäköisyys kasvaa lopulta yli 50-kertaiseksi. Uraanin isotoopit eroavat toisistaan myös siinä, että U238:n fissioituminen vaatii törmäyksen korkealla energialla, kun taas U235:n fissio voi tapahtua millä neutronienergialla tahansa.

Juuri hitaasti liikkuvien neutronien kyky fissioida tehokkaasti U235-ytimiä on syy siihen, miksi matalasti väkevöity polttoaine kykenee ylläpitämään ketjureaktion kulkua. Jos neutronihäviöt saadaan riittävän alas, reaktori voi toimia jopa luonnonuraanilla. Ketjureaktion käynnistymisen ehto on kuitenkin se, että riittävän suuri osuus uraaniytimen halkeamisessa syntyneistä korkeaenergisistä neutroneista saadaan ensin hidastettua uuden fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle. Ainoa tapa hidastaa neutronien kulkua on antaa niiden törmäillä kimmoisasti väliaineen atomien ytimiin, jolloin ne luovuttavat liike-energiansa atomien ja molekyylien lämpöliikkeeksi. Kaikkein tehokkainta hidastuminen on silloin, kun törmäykset tapahtuvat kevyisiin ytimiin. Uraanipolttoaineen lisäksi reaktorin sydämessä onkin oltava huomattava määrä kevyestä alkuaineesta muodostuvaa neutronihidastinta, eli moderaattoria.

Kevytvesityyppisissä paine- ja kiehutusvesireaktoreissa moderaattorina toimii polttoainesauvojen välissä virtaava vesi, jonka läpi kulkiessaan neutronit törmäilevät erityisesti vesimolekyylien vety-ytimiin. Muita käyttökelpoisia moderaattoreita ovat vedyn deuterium-isotooppia (H2) sisältävä raskas vesi, sekä puhtaasta hiilestä koostuva grafiitti. Kaikki reaktorityypit, joissa ketjureaktion ylläpitäminen on hitaasti liikkuvien neutronien varassa, kuuluvat ydintekniikan tyyppiluokituksessa nk. termisiin reaktoreihin. Nimi viittaa siihen, että neutronit pyrkivät hidastuessaan hakeutumaan termiseen tasapainoon moderaattoriatomien lämpöliikkeen kanssa. Tällaista loppuun saakka hidastunutta neutronia kutsutaan vastaavasti termiseksi neutroniksi.ⁱ

Se, että ketjureaktion ylläpitäminen edellyttää neutronien hidastamista matalalle energia-alueelle, selittää myös kevytvesireaktorin luontaisen stabiilisuuden. Polttoainesauvojen välissä virtaava vesi toimii paitsi neutronimoderaattorina, myös reaktorin jäähdytteenä. Kun reaktorin fissiotehoa nostetaan, lämpövirta jäähdytteeseen kasvaa. Veden lämmetessä sen tiheys pienenee. Muutos on erityisen suuri jos lämpötila ylittää veden kiehumispisteen, jolloin virtauskanavaan alkaa muodostua höyrykuplia jotka näyttäytyvät neutroneille aukkoina moderaattorissa. Kun polttoainesauvojen välissä virtaavan veden määrän pienenee, yhä harvempi neutroni pääsee hidastumaan fission kannalta edulliselle matalalle energia-alueelle saakka. Fissionopeus pienenee, ja reaktorin teho pyrkii kääntymään takaisin kohti muutosta edeltänyttä tasoa.

Reaktorin fissiotehoon vaikuttaa siis sisäsyntyinen mekanismi, joka pyrkii vastustamaan toimintatilan muutosta. Fysiikassa ja säätötekniikassa tällaisia mekanismeja kutsutaan negatiivisiksi takaisinkytkennöiksi. Käytännössä reaktorin stabiilisuus tarkoittaa sitä, että fissioteho ei lähde itsekseen vaeltamaan tai kiihtymään hallitsemattomaan kasvuun. Tämä on reaktoriturvallisuuden kannalta ensiarvoisen tärkeää, sillä ketjureaktion hallinta ei tällöin riipu reaktorin ohjaajien tekemistä päätöksistä tai säätöjärjestelmien toimintavarmuudesta. Absorbaattorisauvoja ja muuta aktiivista säätöä käytetäänkin lähinnä reaktorin tehotason asettamiseen, sekä kompensoimaan polttoaineen kulumista käyttöjakson aikana.

Jäähdytteen tiheysmuutoksesta seuraava negatiivinen takaisinkytkentä on kevytvesireaktoreissa erittäin voimakas. Reaktori ei voi toimia ilman matalaenergisiä neutroneita, ja fissioteho sammuu viimeistään siinä vaiheessa kun jäähdyte alkaa kiehua voimakkaasti koko virtauskanavan pituudelta. Reaktori ei myöskään voi käynnistyä uudestaan jos polttoaine pääsee jälkilämmön vaikutuksesta sulamaan, sillä sydämen geometrian tuhoutuessa reaktori menettää lopullisesti kykynsä ylläpitää ketjureaktion kulkua. Esimerkiksi Fukushiman onnettomuudessa ketjureaktion ei uskota käynnistyneen enää sen jälkeen kun fissioteho sammui maanjäristyksen laukaistessa hätäpysäytyksen monta tuntia ennen ensimmäisen reaktorin sulamista.ⁱⁱ

Reaktoreissa vaikuttaa myös muita takaisinkytkentämekanismeja. Polttoaineessa olevan uraanin lämpeneminen kasvattaa U238 isotoopin neutroniabsorption todennäköisyyttä, jolloin vastaavasti pienempi osuus neutroneista päätyy aiheuttamaan fissioita U235-ytimissä. Tämä polttoaineen Doppler-takaisinkytkennäksi kutsuttu ilmiö vastustaa edellä kuvattuun tapaan reaktorin toimintatilan muutosta.ⁱⁱⁱ Jäähdytteen takaisinkytkentöihin liittyy aina pieni viive, sillä lämpö ei siirry välittömästi polttoaineesta jäähdytteeseen. Doppler-takaisinkytkentä alkaa sen sijaan vaikuttaa heti kun fissioteho kääntyy nousuun. Takaisinkytkennän vasteajalla on merkitystä erityisesti nopeissa reaktiivisuustransienteissa, jotka voivat seurata esimerkiksi sydämessä sisällä olevan säätösauvan ulossinkoutumisesta. Jos säätösauvojen voimakkuudet on mitoitettu oikein, Doppler-takaisinkytkentä kykenee katkaisemaan tehopiikin ennen kuin lämpötila ehtii nousta niin korkeaksi että polttoaine kärsii vakavia vaurioita.^iv

Muut takaisinkytkentämekanismit liittyvät mm. siihen, että moderaattorin lämpötilan nousu siirtää hidastuneiden neutronien jakaumaa energia-asteikolla ylöspäin, mikä muuttaa fissio- ja kaappausreaktioiden keskinäisiä todennäköisyyksiä. Tämä ilmiö vaikuttaa erityisesti grafiittimoderoiduissa reaktoreissa, joissa lämpötilan muutokset eivät rajoitu veden kiehumispisteeseen. Natriumjäähdytteisissä nopeissa reaktoreissa monet hallitsevista takaisinkytkennöistä liittyvät puolestaan sydämen rakenteiden lämpölaajenemiseen.^v

Pohjimmiltaan takaisinkytkennöissä on siis kyse siitä, että fissiosta toiseen etenevä ketjureaktio ei ole koskaan täysin riippumaton vallitsevista olosuhteista, vaan tehontuoton ja lämmönsiirron välillä on aina yhteys. Tässä suhteessa ydinreaktori eroaakin selvästi perinteisistä höyrykattiloista, joissa polttoaineen palamisprosessi ei samaan tapaan riipu jäähdytyksestä.

Mikä tahansa reaktorityyppi on mahdollista rakentaa luontaisesti stabiiliksi tai epästabiiliksi (palaan tähän aiheeseen vielä myöhemmin Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuutta käsittelevän kirjoituksen yhteydessä). Negatiiviset takaisinkytkennät eivät tee reaktorista automaattisesti turvallista, mutta ne asettavat suunnittelulle sellaisia reunaehtoja, joiden puitteissa fissioteho on helposti hallittavissa. Suomessa stabiilisuusvaatimus on kirjattu myös lainsäädäntöön, sillä ydinenergian käyttöä säätelevissä YVL-ohjeissa edellytetään, että reaktorin fysikaalisten takaisinkytkentöjen on hillittävä tehon kasvua. Stabiilisuuden lisäksi reaktorin on selvittävä takaisinktkentöjen avulla säätöjärjestelmän häiriötilanteista ilman vakavia polttoainevaurioita. Käytännössä tämä tarkoittaa esimerkiksi edellä kuvattua säätösauvan ulossinkoutumista.

---

ⁱ⁾ Neutronien hidastamiseen liittyy varsin ilmeinen väärinkäsityksen mahdollisuus. Moderaattorin tarkoitus on monissa ydintekniikkaa käsittelevissä kirjoituksissa tulkittu virheellisesti siten, että kyse on ketjureaktion tai fissiotehon kasvun hillitsemisemisestä. Neutronien liikkeen nopeus ja fissiotehon kasvunopeus ovat kuitenkin kaksi eri asiaa. Neutronien hidastaminen matalalle energia-alueelle on välttämätön edellytys ketjureaktion ylläpitämiselle, ja neutronihidastimen poistaminen on itse asiassa varsin tehokas tapa saada reaktori sammumaan.

ⁱⁱ⁾ Ketjureaktion uudelleenkäynnistymisen mahdollisuus liittyy lähinnä sellaiseen tilanteeseen, jossa jäähdytyskierto palautetaan vaurioituneeseen reaktoriin jonka säätösauvat ovat sulaneet, mutta osa polttoaineesta on jäänyt ehjäksi. Käytännössä reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmissä käytetään kuitenkin neutroneita absorboivaa boorihappoa sisältävää vettä, joka estää samalla tehokkaasti reaktorin uudelleenkäynnistymisen.

ⁱⁱⁱ⁾ Neutronivuorovaikutusten todennäköisyyksiä kuvaavien vaikutusalojen energiariippuvuuteen liittyy monimutkainen hienorakenne. Tietyillä nk. resonanssienergioilla vuorovaikutustodennäköisyydet harppaavat ylöspäin useita kertaluokkia. Doppler-takaisinkytkentä liittyy siihen, että ytimien lämpöliike ikäänkuin leventää näitä resonanssipiikkejä ja kasvattaa reaktiotodennäköisyyttä niiden läheisyydessä. Seurauksena on reaktionopeuden kasvu, erityisesti sellaisella energia-alueella missä neutronikaappaus U238-ytimeen on hallitseva vuorovaikutus.

^iv) Nopeissa reaktiivisuustransienteissa ensisijainen vaurioitumismekanismi on polttoainetablettien voimakkaan lämpölaajenemisen aiheuttama mekaaninen isku suojakuoriputkeen. Tämä tapahtuu jo ennen kuin lämpötila nousee niin korkeaksi että polttoaine sulaa.

^v) Nopealla reaktorilla tarkoitetaan reaktoria, joka on suunniteltu toimimaan ilman neutronimoderaattoria. Ketjureaktio saadaan itseään ylläpitävään tilaan käyttämällä polttoainetta, jossa helposti fissioituvan uraani- tai plutoniumisotoopin osuus on nostettu niin korkeaksi, että fissioon johtavia törmäyksiä tapahtuu riittävä määrä myös korkealla energia-alueella.

Mistä reaktoriturvallisuudessa on kyse?

Jaakko Leppänen – 16.2.2018

Ydinenergian käyttöön liittyy suuren säteilyonnettomuuden mahdollisuus, minkä vuoksi myös turvallisuus on asia, joka nousee aina ennemmin tai myöhemmin esille aihetta sivuavissa keskusteluissa. Se, mitä ydinturvallisuudella tarkoitetaan, ja mistä reaktorin turvallista käyttöä uhkaavat tekijät lopulta kumpuavat, ei kuitenkaan ole aivan yksinkertainen kysymys. Pyrin tässä kirjoituksessa tuomaan esille reaktoriturvallisuuden perusteita, lähinnä alustuksena blogin myöhemmille aiheille jotka käsittelevät esimerkiksi edistyneitä reaktoriteknologioita, tai muuten sivuavat ydinenergian käytön riskejä ja turvallisuutta. Se, minkälaisiin ilmiöihin reaktorin turvallisuussuunnittelussa täytyy varautua, määrittää nimittäin samalla reunaehtoja sille, minkälaiseksi reaktori voidaan käytännössä rakentaa.

Jokainen fissioreaktori tuottaa toimiessaan radionuklideja, joiden eliniät vaihtelevat sekunnin murto-osista miljooniin vuosiin. Tämä on energiaa tuottavan fissioreaktion väistämätön seuraus, sillä raskaan ytimen halkeaminen jättää jälkeensä ylimääräisiä neutroneita, joista fissiotuotteet pyrkivät eroon radioaktiivisella hajoamisella. Reaktorin polttoaineeseen syntyy radioaktiivisuutta myös neutronikaappausreaktioissa, jotka muuttavat uraanin ytimiä raskaammiksi alkuaineiksi, kuten neptuniumiksi, plutoniumiksi ja amerikiumiksi. Polttoaineen lisäksi neutronisäteilytys aktivoi myös muita sydämen rakenteita, sekä polttoainesauvojen välissä virtaavaa jäähdytettä. Ylivoimaisesti suurin osa radioaktiivisuudesta syntyy kuitenkin kiinteisiin uraanidioksiditabletteihin. Voimakkaasta neutronialtistuksesta huolimatta esimerkiksi metallisen suojakuoriputken osuus jää alle prosenttiin käytetyn polttoaineen kokonaisaktiivisuudesta.

Ydinvoimalaitoksessa kaikki radioaktiivisiin aineisiin liittyvät prosessit on eristetty ympäristöstä. Konventionaalisista hiili-, maakaasu- ja biopolttoainelaitoksista poiketen ydinreaktori ei tuota lainkaan savukaasupäästöjä. Polttoainetta jäähdyttävä vesi muodostaa oman suljetun kiertonsa laitoksen sisällä, ja energia siirtyy kierrosta toiseen lämmönvaihtimien välityksellä. Uloimman jäähdytyskierron muodostava merivesipiiri ei missään vaiheessa kulje reaktorin läpi, eikä siksi myöskään aktivoidu neutronien vaikutuksesta. Eristys ei kuitenkaan koskaan ole täydellinen, ja jokainen ydinvoimalaitos tuottaa käydessään jonkin verran radioaktiivisia päästöjä ilmaan ja vesistöihin. Näille päästöille on asetettu rajat, joita valvotaan jatkuvilla mittauksilla. Käytännössä päästörajat määräytyvät sillä perusteella, että ydinenergiantuotannon ympäristölle ja väestölle aiheuttaman säteilyaltistuksen on jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisen taustasäteilyn aiheuttamaan annokseen.

Laitoksen normaalikäytön sijaan suuren päästön riskit liittyvätkin onnettomuustilanteisiin, joissa polttoaineesta vapautuu kerralla paljon radioaktiivisuutta. Esimerkiksi vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa vapautui ympäristöön radioaktiivista jodia eräiden arvioiden mukaan noin 2 EBq (exabecquereliä, 2E18 Bq).ⁱ Lukua voi verrata Loviisan tai Olkiluodon vuosittaisiin jodipäästöihin, jotka ovat olleet suurimmillaan yhden gigabecquerelin luokkaa (1E9 Bq). Tämä miljardikertainen suuruusluokkaero selittyy sillä, että niin kauan kuin polttoaine säilyy ehjänä, radioaktiivisuus pysyy kaasutiiviin suojakuoriputken sisällä sitoutuneena kiinteisiin uraanidioksiditabletteihin. Suuren polttoainevaurion lisäksi radioaktiivinen päästö ympäristöön edellyttää tosin myös muiden sisäkkäisten vapautumisesteiden pettämistä, eli käytännössä sitä, että myös reaktorin ympärille rakennetun paineenkestävän suojarakennuksen tiiveys menetetään.

Onnettomuustilanteessa merkittävimmät ydinpolttoaineen eheyttä uhkaavat tekijä liittyvät äkillisten tehopiikkien aiheuttamiin jännityksiin sekä ylikuumenemiseen, joka on yleensä seurausta riittämättömästä jäähdytyksestä. Polttoaineen suojakuoriputket alkavat vaurioitua kun niiden lämpötila nousee yli 650 asteen, eli noin 300 astetta reaktorin normaalin käyttölämpötilan yläpuolelle. Zirkoniumseoksesta valmistettu suojakuoriputkimateriaali kokee faasitransition noin 800 asteessa, minkä jälkeen se alkaa oksidoitua nopeasti. Tämä heikentää materiaalin kestävyyttä, minkä lisäksi reaktiossa vapautuu vetyä.

Vakavissa reaktorionnettomuuksissa lämpötilat voivat nousta niin korkeiksi, että myös uraanidioksidista valmistetut polttoainetabletit sulavat. Sydänvaurioiden vakavuus vaikuttaa myös radionuklidien vapautumiseen. Esimerkiksi jodin isotoopit muodostavat yhdisteitä jotka kaasuuntuvat jo muutaman sadan asteen lämpötiloissa, kun taas strontiumin vapautuminen edellyttää käytännössä polttoaineen sulamista. Reaktoriturvallisuuden perimmäinen haaste tiivistyy siis siihen, että polttoaineen lämpötila on pystyttävä pitämään turvallisten rajojen sisällä kaikissa mahdollisissa käyttötilanteissa.

Fissioreaktorin toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon. Raskas uraaniydin halkeaa absorboidessaan neutronin, ja reaktiossa vapautuneet uudet neutronit aiheuttavat uusia fissioita. Peräkkäisten fissioiden voidaan ajatella kytkeytyvän toisiinsa, ja muodostavan sukupolvesta toiseen eteneviä pitkiä ketjua. Mielikuvatasolla on helppo ajatella, että tällaisen fissioketjun karkaaminen hallitsemattomaan kasvuun saa lämmöntuoton nousemaan niin nopeasti, että reaktori muuttuu käytännössä ydinpommiksi. Vastoin tätä varsin yleistä mielikuvaa reaktorin käytön suurimmat riskit eivät kuitenkaan liity fissiotehon hallintaan, sillä useimmissa reaktorityypeissä ketjureaktio on luonteeltaan stabiili prosessi.

Ketjureaktiota eteenpäin kuljettavien neutronien satunnaiskulku reaktorin sydämessä riippuu vallitsevista olosuhteista, erityisesti jäähdytteen tiheydestä ja polttoaineen lämpötilasta. Reaktorin tuottama fissioteho ei ole koskaan täysin riippumaton polttoaineen jäähdytyksestä, vaan tehontuoton ja lämmönsiirron välillä on aina yhteys. Ei ole lainkaan liioiteltua sanoa, että reaktori näkee kaikki muutokset jäähdytyskierrossa ja voimalaitosprosessissa aina turbiinille, generaattorille ja jopa ulkoiseen sähköverkkoon saakka.

Tämä kytkentä vaikuttaa ratkaisevasti myös reaktoriturvallisuuteen. Fissiotehon kasvu voi aiheuttaa reaktorissa sellaisia muutoksia jotka kiihdyttävät ketjureaktion kulkua, jolloin tehon kasvu on itseään ruokkiva prosessi. Toisaalta muutokset voivat myös hillitä tehon kasvua, jolloin ketjureaktio pyrkii luonnostaan säilyttämään toimintatilansa muuttumattomana. Tällaisia mekanismeja kutsutaan fysiikassa ja säätötekniikassa takaisinkytkennöiksi, ja ne liittyvät olennaisesti prosessin stabiilisuuteen.

Epästabiilissa reaktorissa takaisinkytkentöjen yhteisvaikutus on positiivinen, eli muutosta vahvistava. Reaktorin tehojakauma on jatkuvassa muutostilassa, ja toimintatilan ylläpitäminen vaatii aktiivista säätöä. Kasvuun kääntynyt fissioteho voi lähteä itsestään kiihtymään, jolloin seurauksena voi olla ketjureaktion karkaaminen, joka pahimmassa tapauksessa katkeaa vasta reaktorinsydämen tuhoutumiseen.

Stabiilissa reaktorissa muutokset toimintatilassa aiheuttavat sen sijaan negatiivisen takaisinkytkennän, joka vastustaa muutosta. Stabiilin reaktorin ketjureaktio hakeutuu itsestään sellaiseen tilaan, jossa tehontuotto ja lämmönsiirto ovat keskenään tasapainossa. Fysiikan lait pitävät huolen siitä että ketjureaktio ei lähde itsestään vaeltamaan, eikä reaktorin tehotason ylläpitämiseen tarvita lainkaan aktiivista säätöä.

Reaktorin takaisinkytkentöjen taustalla vaikuttavaa fysiikkaa ei ole helppo kuvata tyhjentävästi muutamalla lauseella. Jätän aiheen syvällisemmän pohdiskelun suosiolla toiseen kertaan, ja kuittaan asian tässä yhteydessä toteamalla että kevytvesityyppiset paine- ja kiehutusvesireaktorit voidaan suunnitella luontaisesti stabiileiksi, jolloin ketjureaktion hallinta ei ole esimerkiksi säätöautomatiikan tai reaktorin ohjaajien varassa. Sama pätee useimpiin muihinkin reaktorityyppeihin. Poikkeuksiakin tosin löytyy. Esimerkiksi Tšernobylin onnettomuudessa reaktorin räjähdykseen vaikutti olennaisesti RBMK-reaktorityypille ominainen epästabiilisuus, minkä vuoksi fissioteho pääsi karkaamaan hallitsemattomaan kasvuun. Tulen käsittelemään myös Tšernobylin onnettomuutta myöhemmissä kirjoituksissa.

Ydinvoima-aiheisissa keskusteluissa ei ole täysin tavatonta myöskään se, että negatiivisten takaisinkytkentöjen merkitys viedään toisaalta liiankin pitkälle, väittämällä esimerkiksi että niiden ansiosta reaktorin polttoainetta on mahdoton saada sulamaan. Todellisuudessa ketjureaktion stabiilisuus ei kuitenkaan tarkoita sitä, että reaktorin voisi rakentaa minkälaiseksi tahansa, tai että sen käyttöön ei liittyisi turvallisuusvaatimusten asettamia rajoitteita.

Keytvesireaktorit on suunniteltu toimimaan pitkiä aikoja kerrallaan. Käyttöjakson pituus on tavallisesti joko 12 tai 18 kuukautta, ja polttoaineen on kyettävä ylläpitämään ketjureaktion kulkua yhtäjaksoisesti alusta loppuun saakka. Reaktorin sydämessä on tämän vuoksi oltava huomattavan suuri säätöreservi kompensoimassa polttoaineen kulumista. Jakson alussa säätövara on niin suuri, että voimakasta tehotransienttia jossa fissioteho nousee nopeasti ei voida sulkea pois ainakaan fysikaalisena mahdottomuutena. Tällainen tilanne voi syntyä esimerkiksi sisällä olevan säätösauvan sinkoutuessa ulos sydämestä, tai jos boorihapolla säädettävän painevesireaktorin primäärikiertoon pääsee suuri määrä puhdasta vettä. Pahimmillaan reaktiivisuuslisäys voi olla niin suuri, ettei takaisinkytkentöjen voimakkuus riitä katkaisemaan kasvavaa fissiotehoa ennen sydämen tuhoutumista.ⁱⁱ

Tällaisiin riskeihin voidaan kuitenkin vaikuttaa olennaisesti reaktorin suunnittelulla, esimerkiksi rajoittamalla säätösauvojen voimakkuutta ja rakentamalla boorisäätöön käytetyt järjestelmät siten, että pitoisuuden laimentamiseen ei käytetä lainkaan puhdasta vettä. Käytännössä reaktorin edellytetäänkin selviävän esimerkiksi säätösauvan ulossinkoutumista seuraavasta tehopiikistä ilman vakavia polttoainevaurioita. Sydämen ylijäämäreaktiivisuutta voidaan rajoittaa myös käyttämällä nk. palavia absorbaattoreita, jotka kuluvat neutronisäteilytyksen vaikutuksesta ja vapauttavat säätöreserviä hitaasti käyttöön jakson edetessä.

Jos vakavan reaktorionnettomuuden riskit eivät varsinaisesti liity ketjureaktion hallinnan menettämiseen, niin mihin sitten? Kuten kirjoituksen alussa totesin, jokainen fissioreaktori tuottaa käydessään radioaktiivisia isotooppeja. Tällaisen ytimen hajoamisessa vapautuu energiaa, mikä ilmenee voimakkaana lämmöntuottona. Tätä kutsutaan reaktoritekniikassa polttoaineen jälkilämmöksi. Reaktorin käydessä jälkilämmön osuus on noin 5-7% fissiotehosta, eli suuressa kevytvesireaktorissa radioaktiivinen hajoaminen voi lämmittää polttoainetta satojen megawattien teholla.

Reaktoriturvallisuuden kannalta jälkilämmön ongelma on se, että sitä on mahdoton kytkeä pois. Reaktorin fissioteho saadaan hätäpysäytyksellä alas muutamassa sekunnissa. Jälkilämmön hiipuminen sen sijaan seuraa lämpöä tuottavien ytimien radioaktiivista hajoamista. Fissiotehon sammuttamisen jälkeen jälkilämpö putoaa aluksi nopeasti kaikkein lyhytikäisimpien isotooppien hajotessa pois. Kymmenessä minuutissa teho putoaa noin kolmannekseen. Suuressa reaktorisydämessä lämmöntuotto jää kuitenkin pitkäksi aikaa tasolle joka riittää sulattamaan polttoaineen, jos jäähdytyskierto reaktoriin menetetään ja sydän pääsee kiehumaan kuivaksi.

Kevytvesireaktoriturvallisuuden tekniset haasteet liittyvätkin pitkälti siihen, että polttoaineen jäähdytyksestä on pystyttävä huolehtimaan myös reaktorin sammuttamisen jälkeen. Nykyisissä ydinvoimalaitoksissa tämä tarkoittaa sitä, että sydämen vesikiertoa ylläpitävien hätäjäähdytyspumppujen on saatava käyttövoimaa vaikka laitoksen normaalikäytön aikaiset järjestelmät olisivat vaurioituneet tai kokonaan poissa pelistä. Tavallisesti hätäjäähdytyksen toimivuus on varmistettu useammalla toisistaan riippumattomalla järjestelmällä, joiden samanaikainen häiriö tai vaurioituminen on tehty käytännössä lähes mahdottomaksi. Kyse on turvallisuuden kannalta äärimmäisen tärkeistä redundanssi- ja diversiteettiperiaatteista, joiden laiminlyönti johti vuonna 2011 Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuteen, kun laitosalueelle iskenyt korkea tsunamiaalto tuhosi kerralla neljän laitosyksikön kaikki hätäjäähdytysjärjestelmille sähköä syöttäneet diesel-generaattorit. Palaan myös Fukushima-aiheeseen myöhemmin kevään aikana.

Reaktorin jälkilämmönpoisto liittyy läheisesti myös passiiviseen turvallisuuteen, josta puhutaan usein edistyneiden reaktoriteknologioiden yhteydessä. Sähkötoimisten pumppujen sijaan reaktorin jäähdytys voidaan toteuttaa passiivisilla luonnonkiertoon perustuvilla järjestelmillä, jotka eivät tarvitse toimiakseen lainkaan ulkoista käyttövoimaa. Arkisin esimerkki laitteesta, jossa vettä liikutetaan pelkällä lämpötilaerolla, on kahvinkeitin.

Tietyt reaktorityypit ovat puolestaan jälkilämmönpoiston suhteen luontaisesti turvallisia. Esimerkiksi kaasujäähdytteisissä korkean lämpötilan reaktoreissa polttoaineen tehotiheys on niin matala ja reaktorin materiaalit suunniteltu kestämään niin korkeita lämpötiloja, ettei varsinaisia hätäjäähdytysjärjestelmiä välttämättä edes tarvita. Matalan tehotiheyden mahdollistamaa luontaista turvallisuutta voitaisiin periaatteessa hyödyntää myös kaukolämmöntuotantoon suunnitelluissa kevytvesireaktoreissa, joilta ei perinteisten paine- ja kiehutusvesilaitosten tapaan vaadita korkeaa toimintalämpötilaa tai käyttöpainetta. Ville käsittelikin jo pienreaktoriaihetta edellisessä kirjoituksessaan, ja teknologiaan tullaan palaamaan myöhemmissä blogikirjoituksissa.

---

ⁱ⁾ Lähde: ”Chernobyl: Assessment of Radiological and Health Impacts – 2002 Update on Chernobyl: Ten Years On”, OECD/NEA, 2002. Aktiivisuutta eli radioaktiivisen hajoamisen nopeutta mittaava becquerel-yksikkö (Bq) tarkoittaa yhtä hajoamisreaktiota sekunnissa.

ⁱⁱ⁾ Reaktiivisuus on suure, joka liittyy reaktorin fissiotehon muutosnopeuteen. Positiivinen reaktiivisuus tarkoittaa tehon kasvua ja negatiivinen tehon pienenemistä. Vakioteholla toimiessaan reaktorin reaktiivisuus on nolla. Reaktiivisuuteen voidaan vaikuttaa säätöjärjestelmillä, esimerkiksi liikuttamalla neutroniabsorbaattoria sisältäviä säätösauvoja sydämen sisällä. Painevesireaktoreissa säätöön käytetään myös jäähdytteeseen liuotettua boorihappoa, joka toimii samaan tapaan neutroniabsorbaattorina. Myös reaktorin takaisinkytkennät vaikuttavat fissiotehoon reaktiivisuusmuutoksen kautta, samoin polttoaineen kuluminen käyttöjakson aikana. Reaktorin toimintatilan määräävä reaktiivisuus on käytännössä aina monen tekijän summa.

 

Ydinvoimaviestinnän vaikeudesta – kolikon kääntöpuoli

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

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

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

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

Pienet modulaariset ydinreaktorit

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

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

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

Hyödyt ja haasteet

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

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

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

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

Pienreaktorien hypesykli

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

Gartnerin hypesyklin vaiheet. Kuvan lähde Jeremykemp englanninkielisessa wikipediassa.

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

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

Ydinvoimaviestinnän vaikeudesta

Jaakko Leppänen – 7.2.2018

Helsingin Sanomat kirjoitti 16.1. ruotsalaistutkimuksesta, jossa käsiteltiin Ukrainassa huhtikuussa 1986 tapahtunutta Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuutta. Laitoksen nelosyksikön reaktori tuhoutui räjähdysmäisesti rutiininomaisena pidetyn turvallisuuskokeen yhteydessä, levittäen radioaktiivista laskeumaa ympäri lähialueita ja Eurooppaa. Tutkimus julkaistiin arvostetussa vertaisarvioidussa Nuclear Technology -lehdessä, ja sen kirjoittaja on oman tieteenalansa ansioitunut asiantuntija.

Tiedeartikkeli keskittyi reaktorin räjähdyksen viimeisiin vaiheisiin, ja se tarjosi uusia näkemyksiä esimerkiksi siihen, miten polttoaineesta vapautuneet radionuklidit levisivät ympäristöön. Alan yleisistä käytännöistä poiketen kirjoittaja käytti reaktorin räjähdyksestä termiä ”ydinräjähdys”, painottaen kuitenkin sitä, että käsitettä ei tulisi sekoittaa ydinaseessa tapahtuvaan räjähdykseen, jossa ketjureaktion etenemisnopeus, fissioissa vapautunut energia sekä räjähdyksen tuottama lämpötila poikkeavat olennaisesti reaktoreiden tehotransienteista.

Alkuperäinen tiedeartikkeli ei ottanut kantaa siihen, mikä onnettomuuden aiheutti, tai mistä räjähdyksessä vapautunut energia oli peräisin. Räjähdykseen johtanut tapahtumaketju onkin varsin hyvin tiedossa. Jo yli 30 vuoden ajan vallitseva käsitys on ollut se, että reaktorin tuhoutuminen aiheutui ketjureaktion karkaamisesta nk. kerkeästi kriittiselle alueelle, missä fissioteho nousee hyvin nopeasti. Ketjureaktion hallinnan menettäminen puolestaan palautuu RBMK-reaktorityypin epästabiilisuuteen, minkä vuoksi myöskään hallitsemattomaan kasvuun kääntynyt fissioteho ei katkennut ennen reaktorin räjähdysmäistä tuhoutumista.

Helsingin Sanomien uutisessa tehty tulkinta oli kuitenkin se, että tiedeartikkelissa tutkimuksen taustaksi esitetty kuvaus reaktorin fissiotehon karkaamisesta olisi ollut tiedeyhteisölle uusi asia. Toimittaja kirjoittaa myös että tutkimus horjuttaa ydinenergia-alalla vallitsevaa opinkappaletta, jonka mukaan reaktori ei edes voi räjähtää. Todellisuudessa kumpikaan näistä näkemyksistä ei vastaa tutkimuksen alkuperäistä sisältöä, sillä tiedeartikkeli toistaa 30 vuotta vallalla olleen näkemyksen onnettomuuteen johtaneesta tapahtumaketjusta, eikä ota millään tavalla kantaa reaktorin räjähtämisen mahdollisuuteen tai mahdottomuuteen. Toimittajan esille nostama opinkappalekin liittyy todennäköisesti siihen, että Tšernobylissä tapahtunutta fissiotehon hallitsematonta karkaamista ei pidetä mahdollisena kevytvesireaktoreissa, jotka RBMK-reaktorityypistä poiketen on suunniteltu luontaisesti stabiileiksi. Myöskään tätä tosiasiaa ei uusi ruotsalaistutkimus muuta, tai edes yritä muuttaa.

Kirjoitin uutisesta oikaisun Helsingin Sanomien mielipidesivulle, ja se julkaistiin seuraavana päivänä. Mielipidekirjoituksille asetetun 3000 merkin rajoituksen vuoksi jouduin käsittelemään edellä esitetyt asiat melko pintapuolisesti, ja kirjoitus keskittyykin lähinnä siihen, miksi todellisen ydinräjähdyksen tapahtuminen reaktorin polttoaineessa on fysikaalinen mahdottomuus.

Ymmärrän hyvin tiedetoimittajan työn haasteellisuuden. Jos kirjoitan omasta tutkimuksestani vakavia asiavirheitä sisältävän artikkelin alan lehteen, nuo virheet tulevat parhaimmassa tapauksessa esille jo ennen julkaisua. Vaikka artikkeli onnistuisi läpäisemään lehden vertaisarvioinnin, joku toinen samaan aihepiiriin perehtynyt asiantuntija todennäköisesti korjaisi ennemmin tai myöhemmin tekemäni virheet.

Valtamediassa ei kuitenkaan ole vastaavaa itseään korjaavaa mekanismia. Oikeellisuuden arviointi jää lukijalle, jolla ei välttämättä ole minkäänlaisia edellytyksiä päätellä mikä osa tekstistä on peräisin alkuperäisestä asiantuntijalähteestä, ja mikä on toimittajan omaa tulkintaa. Kun kyse on ydinvoiman kaltaisesta vaikeasti ymmärrettävästä ja mielipiteitä jakavasta aiheesta, virheellisiin tulkintoihin perustuvat uutiset ovat omiaan ruokkimaan myyttejä ja syömään myös asiantuntijoiden uskottavuutta. Vaikka väärinkäsitykset oikaistaisiin jälkikäteen, asiayhteydestä irrotetut korjaukset eivät koskaan saavuta alkuperäisen uutisen veroista mediahuomiota.

Reiluuden nimissä on kuitenkin todettava, että myöskään lehtien tiedetoimittajilla ei välttämättä ole edellytyksiä arvioida uutisten oikeellisuutta. Aiheet löytyvät usein kansainvälisestä uutisvirrasta, ja luotettavistakin lähteistä poimituissa jutuissa voi olla pahoja asiavirheitä. Edellä mainitusta ruotsalaistutkimuksesta uutisoi marraskuussa myös Tekniikan Maailma, jonka kirjoituksessa toistuvat pitkälti samat virhetulkinnat.

Viestintäketjun pituuden kasvaessa epätietoisuus kumuloituu ja yhteys alkuperäiseen lähteeseen hämärtyy. Toinen ydinvoimaviestinnän vaikeudesta kertova väärinkäsitys, johon kiinnitin itse huomiota, liittyy alkuvuonna 2017 uutisoituun tapaukseen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden jälkihoidossa.

Maaliskuussa 2011 tapahtuneessa onnettomuudessa tuhoutuneiden reaktorien purkaminen edellyttää yksityiskohtaista tietoa sulaneen polttoaineen, reaktoripaineastian ja muiden suojarakennuksen sisällä eristyksissä olevien rakenteiden tilasta. Tilannekuvan selvittämiseksi jälkihoidosta vastaava TEPCO-yhtiö porasi helmikuussa 2017 kakkosreaktorin suojarakennuksen betoniin reiän, jota pitkin reaktorin alapuolista tilaa päästiin tutkimaan robottikameralla. Kuvissa näkyi esimerkiksi paineastian alapuolisessa tukiritilässä oleva aukko, jonka sulanut polttoaine oli tehnyt pudotessaan suojarakennuksen pohjalle. Koska rakenteissa oli jäämiä korkea-aktiivisesta polttoaineesta, myös säteilytaso oli erittäin korkea. Annosnopeuden arvioitiin olevan yli kymmenkertainen verrattuna aikaisempiin mittauksiin, jotka oli tehty suojarakennuksen yläosassa kauempana sulaneesta polttoaineesta. TEPCO kertoi mittauksista ja julkaisi robottikameran kuvat lehdistötiedotteessaan.

Mediassa tieto lähti kuitenkin nopeasti leviämään muodossa jolla oli hyvin vähän tekemistä alkuperäisen lehdistötiedotteen kanssa. Säteilylähteen välittömästä läheisyydestä mitattu ennätyksellisen korkea annosnopeus tulkittiin virheellisesti siten, että säteilytaso olisi odottamattomasti ja jostain selittämättömästä syystä kohonnut kymmenkertaiseksi. Alkuperäisestä uutisesta oli todennäköisesti vastuussa yksittäinen toimittaja, joka oli tehnyt lehdistötiedotteessa annetuista faktoista vääriä tulkintoja.

Uutinen levisi sellaisenaan nopeasti ympäri maailmaa, ja samaa virheellistä tietoa jakoivat myös kaikki suomalaiset mediat jotka aiheesta kirjoittivat. Uutisartikkelien sisältö vaihteli jonkin verran pituudesta riippuen, mutta niille kaikille oli yhteistä se, että väärien faktojen lisäksi myös alkuperäisen lehdistötiedotteen perimmäinen sanoma oli käännetty päälaelleen. Todellisuudessahan kyse ei ollut siitä, että turvallisuustilanne Fukushimassa olisi muuttunut, tai että onnettomuus olisi osoittautunut odotettua vakavammaksi, vaan siitä, että reaktorien purkamiseen tähtäävässä työssä oli otettu pieni mutta uutisoimisen arvoinen edistysaskel.

Ydinvoima on toimittajille vaikea aihe, ja on luonnollista että vahinkoja toisinaan tapahtuu. Silloinkin kun faktat on esitetty viimeisen päälle oikein, uutisten taustalla on usein asioita jotka jäävät kirjoituksille asetettujen pituusrajoitusten vuoksi käsittelemättä. Ajatus tämän blogin perustamisesta syntyikin juuri ydinvoimaviestinnän vaikeudesta. Blogin tavoitteena on tarjota asiantuntijanäkökulmaa ydinenergia-aiheisiin uutisiin ja keskusteluihin, ja käsitellä niiden taustoja hieman pintaa syvemmältä. Monet käsiteltävistä aiheista tulevat olemaan varsin teknisiä, sillä myös blogin kirjoittajien tausta on teknillis-luonnontieteellinen. Asiat pyritään kuitenkin mahdollisuuksien mukaan esittämään sellaisessa muodossa, että niiden ymmärtäminen ei edellytä esitietoja tieteen tai tekniikan alalta.