Kiehutusvesireaktori

ydinreaktorityyppi

Kiehutusvesireaktori (BWR) (engl. boiling water reactor) on painevesireaktorin (PWR, engl. pressurized water reactor) jälkeen toiseksi yleisinlähde? ydinvoimaloissa käytetty ydinreaktorin perustyyppi, jolla on paljon samanlaisuuksia painevesireaktorin (PWR) kanssa. Pääasiallinen ero tyyppien välillä on se, pidetäänkö vesi lämmönsiirtoaineena, joka ei kiehu vaan menee toissijaiseen lämmönvaihtimeen (PWR) vai keittääkö reaktoriytimestä tullut lämpö suoraan vettä joka sitten höyrynä pyörittää turbiinia (BWR).

General Electricin Mark I -kiehutusvesireaktorin poikkileikkaus. (Esimerkiksi Fukushima 1–5). Reaktorin sydän (1) sisältää polttoainesauvat ja säätösauvat (39). Keltaisella piirretty reaktorin paineastia (8) sijaitsee suojarakennuksessa, joka on piirretty oranssilla viivalla. Suojarakennus koostuu kuivatilasta (11) ja lauhdutusaltaasta (18). Suojarakennuksen ympärillä on reaktorirakennus (21), jossa sijaitsee myös käytetyn polttoaineen varastoallas (5).

Kiehutusreaktorilaitos kokonaisuutena on suunniteltu toimimaan siten, että 12–15 prosenttia vedestä ytimen yläosassa on höyryä. Höyry ohittaa kuivatuslevyt (höyryerottimet) ytimen yläpuolella ja menee sen jälkeen suoraan turpiineille, jotka ovat osa ensisijaista reaktorikiertoa. Tuossa tarkoituksena on pitää höyry lähellä kyllästeistä, jotta sillä olisi korkea lämmönsiirtokyky, mutta samalla kuivanpuoleisena, jottei se vahingossa tiivistyisi seuraavan turpiinin lapoja rikkoviksi pisaroiksi. Vesihöyry ei kuitenkaan tässä voi olla aivan yhtä kuumassa lämpötilassa kuin painevesireaktorin nestemäinen vesi, mikä voi johtaa tiettyihin häviöihin.

HistoriaMuokkaa

Kiehutusvesireaktorin kehittivät alun perin yhdysvaltalaiset General Electric- ja Allis-Chalmers -yhtiöt. General Electric tuottaa reaktoria edelleen, muita versioita tarjoavat monikansallinen Westinghouse ja japanilainen Hitachi.

Suomessa on kaksi ruotsalaisen ASEA-Atomin valmistamaa kiehutusvesireaktoria Eurajoen Olkiluodossa, Teollisuuden Voima oy:n pyörittäminä. Yhdessä Fortumin Loviisan voimalaitoksen korkeapainereaktorien kanssa, ne muodostavat suomalaisen ydinvoimateollisuuden, ennen kuin Olkiluoto 3 EPR-III-tyypissään valmistuu, sekä ehkä aikanaan Fennovoiman Hanhikiven laitos. Molemmat jälkimmäiset laitokset on suunniteltu korkeapainetyyppiin, erona kiehutusvesireaktorista.

Tyypin reaktoreita ovat ainakin:

Ydinreaktion säätelyMuokkaa

Reaktoria säädetään säätösauvoilla, jotka absorboivat neutroneita. Lisäämällä säätösauvoja reaktoriin, reaktio hidastuu ja vastaavasti poistamalla reaktio voimistuu. Polttoaineena käytetään yleensä noin 3 prosentin uraani-235-pitoisuuteen väkevöityä uraanioksidia, joka on niputetuissa zirkonium-sauvoissa pelletteinä. Myös plutonium käy kiehutusvesireaktorin polttoaineeksi, kuten myös thorium, sikäli kuin neutronispektriä säädetään eri aktinideille sopivaksi. Tavallisesti polttoainepaketti sisältää 90–100 polttoainesauvaa ja reaktoriytimessä on 750 pakettia, jotka sisältävät yhteensä 140 tonnia uraanialähde?.

Suurta osaa säätelyssä näyttelevät myös ns. passiiviset tekijät, kuten void coefficient (aukkokerroin), eli kuinka paljon veden höyrystyminen ja tilavuusvaihtelu vaikuttavat ydinreaktion kulkuun, veden ollen moderaattori, kuten myös thermal coefficient of reactivity (reaktiivisuuden lämpötilakerroin), joka viittaa itse polttoaineen lämpötilan vaikutukseen neutronikaappauksen tehokkuuteen. Jälkimmäinen on siksi, että BWR ja PWR ovat molemmat ns. termisiä reaktoreja: ne hidastavat ydinreaktion tuottamia neutroneja jotta ne voisivat tulla lähemmäksi termodynaamista tasapainoa, ja siis lähemmäs sitä neutraalin hiukkasen nopeutta jolla uraani kaappaa ne, hajoten ja luovuttaen lisää neutroneja. Niin että ketjureaktio tulee mahdolliseksi.

Tässä niin sanotussa termaalisten neutronien spektrissä lämpötila, eli neutronienkin liike-energia, vaikuttaa voimakkaasti ydinreaktion tuotokseen. Niin vaikuttaa pommitettavan uraaniytimen lämpövärinäkin. Jälkimmäinen ilmiö leventää sitä energiakaistaa jolla ydin voi neutronin tavatessaan vain sulauttaa sen itseensä hajoamatta, ainakaan heti, eli ehkäisee lämpötilan kohotessa fissiota. Tuo on merkittävä tekijä siinä etteivät reaktoriytimet tai atomimiilut karkaa hallinnasta. Englanniksi termi sille olisi doppler broadening. Muitakin ydinteknisiä vakautusmekanismeja on pelissä.

VoimantuottoperiaateMuokkaa

Painevesi- ja kiehutusvesireaktorien ero on siinä miten lämpöenergia kuljetetaan reaktioytimestä hyötykäyttöön. Samankaltaisuus johtuu siitä, että molempiin pätee termodynaaminen tehokkuusraja, höyrysykliin (Rankine) perustuvia lämpökoneita kun lopulta ovat. Tuota sääntelee aivan viimeksi lämpökoneissa ns. Carnot-tehokkuus[1], joka riippuu yksinomaan lämpötilaerosta koneen sisäänmeno- ja ulostulopuolilla. Koska tuossa suurempi ero on parempi, on hyödyllistä nostaa väliaineen, eli tässä veden, kiehumispistettä, käyttämällä hyväksi kiehumispisteen sidonnaisuutta paineeseen. Molemmat reaktorityypit siksi toimivat äärimmäisessä paineessa, ja siirtävät ydinpolttoaineen tuottaman lämmön suoraan veteen, jolla on poikkeuksellisen korkea lämpökapasiteetti niin itsessään kuin vaihesiirtymissäänkin. Myös alhainen viskositeetti, eli sitä on helppoa pumpata lämpöineen paikasta toiseen.

Ero taas on siinä, että PWR käyttää niin korkeita paineita, ettei vesi koskaan pääse kiehumaan vesihöyryksi; sitä käytetään ainoastaan korkean lämpökapasiteetin siirtonesteenä, toissijaiseen lämmönvaihtokiertoon, joka voi tuottaa kuumempaa höyryä tai kaasua alhaisemmassa paineessa. Hintana ovat häviöt kahden kierron tähden, kuten pumppaushäviöt, sekä vaatimus paljon suuremmalle alkuinvestoinnille tukevammasssa paineastiassa.

BWR taas on reaktorityyppinä yksinkertaisempi ja sen mekaaniset häviöt ovat alhaisempia, mutta se ei pääse yhtä korkeisiin käyntilämpötiloihin, eli lämpötehokkuuteen. Se ei voi tuottaa tulistettua höyryä, eli se voi kuluttaa turpiinia rajummin, tiivistyvän veden tuottaman pisaraeroosion tähden. Yhden jäähdytyskierron takia BWR-reaktori myös tuottaa neutroniaktivaatiotuotteita jäähdykkeeseen, koska ensikierron veteen syntyy lyhytaikaisia ja voimakkaasti gammasäteileviä tytärisotooppeja. Tärkein niistä lienee metastabiili 16mN, jonka puoliintumisaika ṇ. 17 sekuntia on juuri riittävä että se säteilee höyrystä koviten tavoittaessaan turpiinihallin. Se kuitenkin relaksoituu niin nopeasti vakaampaan tilaan, että turbiinihalliin voidaan mennä pian höyrykierron sammuttamisen jälkeen.

Tämän takia BWR-voimaloissa, kuten Olkiluodossa, pidetään turbiinihallin ovet kiinni voimantuotannon aikana, ja ovissa on paksusti lyijyä. Halliin voi mennä varsin nopeastikin käytön loputtua, mutta ei sen aikana. Koska isot turbiinit ovat varsin hitaita käynnistää ja ajaa alas, muista syistä, BWR:n säteily tekee mahdottomaksi hoitaa voimalaitosta kun se käy, ja sitä kautta vähentää voimalan teoreettista käyttöastetta merkittävästi. Turbiinihallin eristämiskustannukset yleensä kuitenkin on suunniteltu kompensoitumaan taloudellisesti yksinkertaisemman rakenteen muilla eduilla.

TurvallisuusMuokkaa

Nykyään usein todetaan, että Fukushima I:n reaktorit olivat myös kiehutusvesireaktoreita. Reaktorityypillä ei kuitenkaan liene ollut tekemistä onnettomuuden synnyn tai seuranneiden päästöjen kanssa. Ne lähtivät odottamattomasta luonnonkatastrofista, ei suunnitteluperiaatteistaan. Toisin oli vaikkapa Tšernobylin onnettomuudessa, jossa grafiittihidasteinen reaktori tiedettiin jo alun perin epävakaaksi käytössä, ja räjähtäessään sen ejektiotuotteet radioaktiivisia palokaasuja vapauttaviksi.

Asiaa on käsitelty muun muassa IAEA:n raportissa Fukushimasta sekä Tšernobylistä, erikseen. Yleisesti ottaen painevesi- ja kiehutusvesireaktorien turvallisuudessa ei ole huomattu toisistaan poikkeavia turvallisuusvajeita, samalla kun grafiittihidastetta nykyään pidetään epävakaana ja siis turvattomana.

Tämä tekniikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.
  1. Carnot’n kierto. Wikipedia, 5.11.2020. Artikkelin verkkoversio. fi