Rikkoutuvista polttoainesauvoista

Ville Tulkki 28.2.2018

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

Ydinpolttoaine

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

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

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

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

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

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

 

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

Vuotojen syyt

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

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

 

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

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

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

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

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

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

Rikkoutumisen syyn selvittäminen

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

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

Seuraukset

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

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

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.

undefined
Gartnerin hypesyklin vaiheet. Kuvan lähde Jeremykemp englanninkielisessa wikipediassa.

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

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

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.

 

%d bloggaajaa tykkää tästä: