Wikipedia

Ydinvoima

energiantuotannon menetelmä
Tämä on arkistoitu versio sivusta sellaisena, kuin se oli 13. kesäkuuta 2005 kello 20.46 käyttäjän Hasdrubal (keskustelu | muokkaukset) muokkauksen jälkeen. Sivu saattaa erota merkittävästi tuoreimmasta versiosta.

Ydinvoima on energianlähde, joka perustuu ydinreaktioiden yhteydessä vapautuvaan energiaan. Tällä hetkellä kaikki kaupalliset reaktorit tuottavat energiaa fission eli atomien halkeamisen avulla. Kehitteillä on myös fuusioon perustuvaa ydinvoimaa. Fuusiossa atomit halkeamisen sijaan sulautuvat toisiinsa. Ydinvoimaa käytetään pääasiallisesti yhteiskuntien perusenergian tuotannossa sekä vähäisemmässä määrin laivojen ja sukellusveneiden energianlähteenä.

Neljän ydinvoimalaitoksen ryhmä Cattenomissa Ranskassa. Taustalla näkyvät jäähdytystornit, joista kohoaa vesihöyryä. Etualan rakennukset ovat varsinaisia voimalaitoksia, joiden yhteenlaskettu sähköteho 5200 MW vastaa noin puolta Suomen sähkön kulutuksesta.

Fissiovoimaloiden toiminnan sivutuotteena syntyy radioaktiivista ydinjätettä, joka joudutaan varastoimaan elollisesta luonnosta erilleen kunnes sen radioaktiivisuus on vähentynyt riittävästi. Voimalassa voi tapahtua ydinonnettomuus rikkoutumisen, huonon suunnittelun tai voimalan taitamattoman operoinnin seurauksena, jolloin radioaktiivisia aineita voi vapautua hallitsemattomasti ympäristöön (ks. myös ionisoiva säteily).

Toimintaperiaate

Uraanin isotooppi 235 on ainoa luonnossa esiintyvä aine, joka halkeaa kun se imee itseensä (absorboi) vapaan neutronin. Tämä isotooppi on kuitenkin melko harvinainen, sillä sitä on luonnonuraanista vain noin 0,7%. Haljetessaan uraanista syntyy kaksi hyvin energistä pienempää atomia (fissiotuotetta) sekä muutama neutroni. Neutronit voivat edelleen halkaista uusia atomeita, absorboitua halkeamattomiin aineisiin tai sitten karata koko systeemistä. Sopivissa olosuhteissa voi syntyä itseään ylläpitävä ketjureaktio. Käytännössä tämä ilmenee siten, että kun luonnonuraania laitetaan tarpeeksi hidastimena toimivan grafiitin tai raskaan veden sekaan, se lämpenee (tai vähän väkevoityä uraania tavallisen veden sekaan tai vahvasti väkevöityä sellaisenaan). Lämmöllä höyrystetään vettä, ja näin syntynyt paine pyörittää sähkögeneraattoreihin kytkettyjä höyryturbiineita.

Ydinreaktori

Pääartikkeli: Ydinreaktori

Ydinreaktiossa vapautuu energiaa, koska hajoamistuotteiden (fissiotuotteiden) massa on pienempi kuin reaktioaineiden massa. Niels Bohr, joka loi mm. vetyatomin matemaattisen mallin, ennusti että ydinten halkeamisesta saaty energia on niin pieni, ettei sitä voi käyttää energian tuottamiseen. Hänen, ja Albert Einsteinin työpanokset olivat kuitenkin ratkaisevia, sillä ydinreaktioissa aine muuttuu energiaksi kuuluisan kaavan e=mc² -mukaisesti. Tämä pätee sekä fissio-, että fuusioreaktiolle.

Pääosa fissioydinreaktiossa vapautuvasta energiasta on syntyneiden keskiraskaiden ytimien liike-energiaa. Osa syntyneestä energiasta kuluu myös vapautuneiden neutronien liike-energiaksi sekä vapautuu ionisoivana gamma- tai beetasäteilynä.

Fissioreaktorin toiminnan kannalta on myös oleellista että reaktiossa vapautuvia neutroneita jarrutetaan. Jokaista Uraani 235 ytimen halkeamista kohden vapautuu noin 200MeV energiaa, ja 2,5 neutronia (tilastollinen keskiarvo). Vapautuneiden neutronien liikenopeus (ja täten liikemäärä) on kuitenkin liian suuri, että ne aiheuttaisivat reaktion jatkumisen kannalta riittävän määrän uusia reaktioita. Jarrutukseen käytetään tavallisesti kevyttä (H2O) tai raskasta (D20) vettä, joka sisältää paljon hyvin neutronin liike-energiaa törmäyksessä sitovia kevyitä vetyatomeja. Hidastetuista neutroneista käytetään nimitystä terminen neutroni. Joissakin reaktoreissa käytetään hidastimena grafiittia, mutta tästä on pyritty luopumaan. Etuna tällaisella reaktorilla on se, ettei polttoainetta tarvitse rikastaa, vaan siihen käy reaktioaineeksi tavallinen luonnon uraani. Kevytvesireaktorilla uraania on rikastettava niin että U-235 -pitoisuus polttoaineessa on noin 3-4 massa-%.

Fissioreaktorin kriittisyys tarkoittaa reaktion aiheuttavien neutronien lukumäärää reaktiota kohden. Jos jokainen reaktio tuottaa yhden efektiivisen neutronin, joka halkaisee reaktioaineen ytimen, on reaktori silloin kriittisessä tilassa, ja reaktio hallinnassa. Ydinräjähteissä reaktio pyritään saamaan ylikriittiseen tilaan, jossa efektiivisten neutroneiden määrä nousisi mahdollisimman suureksi. Kevyt- tai raskasvesi reaktorissa tällainen hallitsematon, ylikriittinen reaktio ei ole kovin pitkään mahdollinen, koska lauhteena käytetty vesi toimii myös neutroneiden hidastimena, jolloin lauhteen haihtuessa lämmön vaikutuksesta neutronit karkaavat reaktorista aiheuttamatta halkeamista, ja ketjureaktio sammuu. Tällaista tilannetta, jossa jokainen reaktio tuottaa keskimäärin alle yhden uuden reaktion, kutsutaan alikriittiseksi.

Ydinjäte

Ydinjäte on ydinreaktion sivutuotteena syntyvää radioaktiivisuutensa takia vaarallista jätettä. Ydinjäte lajitellaan matala-, keski- ja korkea-aktiiviseen. Matala-aktiivisia ovat mm. työntekijöiden asusteet ja vastaavat, joita varastoidaan muutamia vuosia ja tuhotaan normaalisti.

Korkea-aktiivisia ovat reaktorin metallirakenteet ja muut uraanin kanssa tekemisissä olevat kohteet ja käytetty polttoaine. Korkea-aktiivinen ydinjäte on elolliselle luonnolle vaarallista isotoopista riippuen jopa tuhansien vuosien ajan ja siksi se pitää eristää luonnosta esimerkiksi geologisen loppusijoituksen avulla. Kriitikoiden mukaan tämäkään ei kuitenkaan ole täysin turvallista, sillä muun muassa mannerlaattojen liikkeet voivat pitkällä tähtäimellä aiheuttaa vuotoja peruskalliossa.

Käytetty ydinpolttoaine voidaan myös palauttaa ydinpolttoainekiertoon 95%:sesti jälleenkäsittelyn avulla.

Ydinvoima Suomessa

Ydinvoimaa piti rakentaa aikoinaan Suomeen enemmänkin, muun muassa Helsinki osti Vuosaaren vierestä Sipooseen kuuluvan Granön saaren uutta ydinvoimalaa varten. Voimaloita ei lopulta rakennettu läheskään visioituja määriä.

Tällä hetkellä Suomessa on neljä ydinreaktoria, joilla tuotetaan noin neljännes Suomessa käytetystä sähköstä. Lisäksi Espoon Otaniemessä on pieni tutkimusreaktori Triga. Sen yhteydessä on vaikeiden aivokasvainten hoidossa käytettävä gammaveitsi, joka hyödyntää tutkimusreaktorin tuottamaa säteilyä.

Sähköntuotannossa olevista ydinreaktoreista kaksi sijaitsee Satakunnassa Eurajoen Olkiluodon saarella lähellä Raumaa. Niiden omistaja on TVO eli Teollisuuden Voima. Toiset kaksi sijaitsevat Itä-Uudellamalla Loviisassa Helsingin lähistöllä, ne on sijoitettu Hästholmenin saarelle.

Eurajoen kiehutusvesireaktorit (BWR) valmisti ruotsalainen Asea-Atom, nykyinen monikansallinen ABB. Loviisan painevesireaktorit (PWR) ovat neuvostoliittolaisen Atomenergoexportin tuotosta. Loviisan 1. yksikkö aloitti sähköntuotannon helmikuussa 1977 ja 2. yksikkö marraskuussa 1980. Olkiluodon reaktorit otettiin tuotantokäyttöön vuosina 1979 ja 1982.

Eduskunta antoi vuonna 2002 TVO:lle luvan rakentaa viidennen ydinvoimalaitosyksikön Olkiluotoon, joka on tarkoitus ottaa tuotantokäyttöön keväällä 2009. Uusi laitos on tekniikaltaan ns. kolmannen sukupolven kevytvesireaktori, ja malliltaan ns. European Pressurized Water Reactor, eli EPR. Voimala tulee olemaan sähköteholtaan (1600 MW) maailman suurin yksikkö. Laitoksen höyryturbiini on maailman suurin höyryturbiini.

Ydinvoiman tulevaisuus

2000-luvun alussa uraani on halpaa, sillä esiintymiä tunnetaan runsaasti ja korkearikasteista uraania saadaan myös ydinaseiden purkamisesta. On arvioitu, että kohtuullisen hintaista uraania löytyy ainakin vuoteen 2050 asti ja nykyisiä huonompia esiintymiä hyödyntämällä ja uusien esiintymien avulla uraania riittäisi pariksi sadaksi vuodeksi. Sen lisäksi uraania voidaan erotella myös merivedestä, mutta se on kaivostoimintaa kalliimpaa. Mikäli kuitenkin energiapula uhkaa, ei uraanin hinnalla ole merkitystä, sillä ydinsähkön hinnassa polttoainekustannukset eivät merkitse yhtä paljon kuin esimerkiksi fossiilisten polttoaineiden kohdalla.

Kun tekniikka kehittyy ja kiihdytinvoimalat (Accelerator Driven Systems) tulevat taloudellisesti kannattaviksi, voidaan ADS:ssä hävittää pitkäikäiset radioaktiiviset aineet ja tehdä samalla sähköä. Samaan pystyvät myös jossain määrin hyötöreaktorit. Tällä käsittelyllä ydinjätteen aktiivisuus tippuu tuhannen vuoden kuluessa alle luonnonuraanin aktiivisuuden. Kuitenkin loppusijoitus kallion sisään on tähän mennessä halvin ja helpoin ratkaisu. Hyötöreaktoreilla tai kiihdytinvoimaloilla kuitenkin polttoaineiden saatavuus olisi käytännössä rajaton, sillä ne pystyvät käyttämään uraanin ja toriumin kaikki luonnossa esiintyvät isotoopit hyödyksi.

Uudet polttoaineet ja reaktorit voivat ottaa energian entistä tehokkaammin irti uraaninapeista, ja täten samasta määrästä polttoainetta saadaan enemmän sähköä ja lämpöä poistopalaman kasvaessa. Nykyinen energiatehokkuus on Suomessa noin 45 MWd/kg, ja tulevaisuudessa on luvassa jopa 65 MWd/kg tai enemmän. Myös turvallisuus on uusissa reaktoreissa aikaisempaa parempi, ja osassa reaktoriytimen sulaminen ei ole teoriassa mahdollista.

Reaktiossa vapautuvasta tehosta saadaan yksi kolmasosa muutettua sähköksi, joka on vain alle 1 % uraanin sisältämästä energiasta. Toinen kolmasosa saataisiin hyödynnettyä kaukolämpönä, mutta turvallisuusnäkökohdat eivät ole sallineet tätä vaan lauhdelämpö lasketaan sekä Olkiluodossa että Loviisassa mereen. Loviisan tapauksessa olisi kuitenkin teknisesti mahdollista käyttää lauhdevettä kaukolämpöverkossa jopa Helsingin lämmittämiseen. Sen lisäksi on olemassa uusia kaasuturbiinivoimaloita, nestemäisellä metallilla jäähdytettyjä hyötöreaktoreita, ja suunnittelupöydällä on vielä superkriittisiä kevytvesireaktoreja, joiden hyötysuhde on jopa lähes 50 %.

Ydinvoiman hintaa kasvattaa pitkä lupien hakemisaika, voimalakomponenttien suuret laatuvaatimukset ja ylimääräiset maksut ja vastuuvakuutukset. Silti se on yksi halvimmista energiamuodoista. Teollisuuden Voiman mukaan uusimman Suomeen rakennettavan voimalan sähkön hinnaksi tulee 2,2 senttiä per kilowattitunti. EU:n komissio on arvioinut ydinsähkön hinnaksi 4,5 senttiä/KWh. Ydinvoiman hintaa alentaa osaltaan se, että sinänsä epätodennäköisen reaktorionnettomuuden sattuessa päävastuun vahingoista kantaa yhteiskunta.

Tulevaisuudessa tullaan myös todennäköisesti ottamaan käyttöön fuusioreaktio. Se hyödyntää vedyn kahta isotooppia, Deuteriumia ²H ja Tritiumia ³H ja perustuu atomien yhdistämiseen toisin kuin fissio. Fuusioreaktorin polttoainetta riittää "loputtomiin", sillä merivedestä saadaan deuteriumia ja litiumista tritiumia aina ihmiskunnan oletettuun tuhoon Auringon kiehuttaessa maapallon meret kuivaksi 200 miljoonan vuoden kuluttua.

Ydinvoiman edut ja haitat

Edut:

  • Ei lisää suoranaisesti kasvihuoneilmiötä aiheuttavia kaasuja (paitsi uraanin louhinta ja kuljetus)
  • Ydinvoimalajätteiden määrä on pieni, eivätkä ne ihanteellisissa varastointiolosuhteissa leviä ympäristöön
  • Polttoaineena voidaan käyttää purettuja ydinaseita
  • Ydinvoima on toimiessaan edullista

Haitat:

  • Riskitekijät kaivostoiminnassa, ydinvoimalassa ja jälleenkäsittelyssä
  • Ydinjätteiden voimakas ja pitkäaikainen radioaktiivisuus
  • Ydinvoimaloiden purkaminen on ongelmallista, eikä niitä olekaan kokonaan purettu kuin muutamia
  • Jätekustannuksia myös tulevien sukupolvien maksettavana (Suomessa on varauduttu jätekustannuksiin varaamalla tietty osa sähkönhinnasta tulevaisuuden jätekustannuksiin)
  • Keskitettyä energiantuotantoa, siten haavoittuvaista
  • Voimalan tuotanto ei juuri jousta kysynnän mukaan
  • Ydinvoimalan tuotanto on niin suurta, että laitoksen äkillinen alasajo aiheuttaa ongelmia muulle sähköverkolle
  • Lämmin lauhdevesi voi aiheuttaa paikallisia haittoja esimerkiksi ekosysteemeille
  • Joidenkin reaktorityyppien tuottamasta ydinjätteestä ja uraanikaivosten tuotteista voidaan valmistaa ydinaseita

Eri reaktorityyppejä

Aiheesta muualla

Lisätietoa

Ydinvoimalle myönteisiä

Ydinvoimalle kielteisiä

Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Ydinvoima&oldid=235876”