6. helmi 2022 6 min read Tiede

Ydinvoiman tulevaisuus

Mitä sulle tulee mieleen sanasta ydinvoima? Olen aika varma, että kaikilla meillä kaikille nousee esille ainakin jonkinlaisia mielikuvia puhuttaessa ydinvoimasta tai ydinvoimaloista.

Ydinvoiman osuus vuonna 2020 Suomen sähköntuotannosta oli 27,4 %. Maailmanlaajuisesti kaikesta sähköstä tuotetaan noin 10 % prosenttia ydinvoiman avulla.

Tässä artikkelissa kerron, miltä Ydinvoiman tulevaisuus näyttää. Perinteisten fissioreaktorilla toimivien ydinvoimaloiden kehityksen lisäksi, pienet modulaariset ydinvoimalat ja fuusioreaktorit tulevat olemaan todella merkittävässä roolissa tulevaisuudessa.

Voit katsoa artikkelin myös videomuodossa

Miten ydinenergiaa tuotetaan tällä hetkellä?

Lähdetään liikkeelle siitä perinteisestä tavasta tuottaa ydinenergiaa. Tämä tapahan on niin sanottu fissioreaktio, jota on hyödynnetty energiantuotannossa jo vuosikymmenien ajan.

Ensimmäinen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori saavutti kriittisyyden 27.6.1954. Kriittisyydellä tarkoitetaan pienintä massaa, jossa itseään yllåitävä ketjureaktio voi tapahtua. Tuon vuoden jälkeen ydinvoiman käyttön on levinnyt laajasti ympäri maailmaa ja Suomeenkin ydinvoima valjastettiin sähköntuotantoon 1970-luvulla.

Fissioreaktio tapahtuu neutronin osuessa uraaniytimeen, joka halkeaa kahdeksi kevyemmäksi ytimeksi. Samalla vapautuu muutama uusi neutroni ja suuri määrä energiaa. Ytimen halkeamisessa syntyvät neutronit voivat puolestaan aiheuttaa uusia fissioreaktioita, mikä mahdollistaa ketjureaktion syntymisen.

Ydinvoimalan toimintaperiaate // Shutterstock

Halkeamisen tuloksena syntyvien ytimien ja neutronien saama liike-energia muuntuu lämpöenergiaksi niiden törmätessä toisiin atomeihin. Tämä sitten puolestaan kiehuttaa ydinreaktorissa pyörivää vettä! Kyse on siis yksinkertaisimmillaan veden keittämisestä.

No kaikki me tiedetään, että kun vettä kuumennetaan tarpeeksi se alkaa höyrystyä. Ydinvoimalassa tämä höyry johdetaan putkea pitkin turbiiniin, joka sitten pyörittää sähköä tuottavaa generaattoria. Lopulta tämä sähkö sitten johdetaan sähköverkkoon!

Turbiinin jälkeen höyry kulkeutuu lauhduttimeen, jossa sen lämpötila laskee ja se lauhtuu jälleen vedeksi. Tämä vesi johdetaan takaisin reaktoriin ja sama prosessi käynnistyy uudelleen.

No entäs sitten se paljon puhuttu ydinjäte? Perinteisissä ydinvoimaloissa syntyy totta tosiaan ydinjätettä. Nykuyiset voimalat pystyvät parhaimmillaanin hyödyntämään vain 6,5 % polttoainesauvojen uraani 235:stä. Tämä johtuu siitä, että käytetyissä polttoainesauvoissa ei kuitenkaan ole enää niin paljon hajoavaa uraania, että ketjureaktiot jatkuisivat varmasti.

Nykyisiä runsasaktiivisia ydinjätteitä tulee säilyttää 100 000 vuotta loppusijoituspaikoissa.

Torium ja sulasuolareaktori

Nykyisissä ydinvoimaloissa lämpötilan nousua ja painetta reaktoriastiassa on tarkkailtava koko ajan. Jos lämpötila ja paine alkavat kohoamaan on ydinvoimalan valvomossa työskentelevien henkilöiden kiireesti pyrittävä hillitsemään ketjureaktiota, jottei reaktioastio räjähdä rikki.

Ratkaisuksi edellä kuvattuun ongelmaan on kehitteillä niin sanottu sulasuolareaktori. Kyseinen reaktori vaimentaa radioaktiivista hajoamista ja laskee lämpötilaa itsekseen.

Häiriötilanteessa kuuma suola sulattaa eräänlaisen sulkutulpan, joka pidetään jäässä sähköllä toimivalla kylmätekniikalla. Silloin suola valuu suuriin maanalaisiin varastosäiliöihin, joissa se leviää laajalle. Tällöin polttoaineen ydinreaktiot lakkaavat.

Suurin osa ydinvoimaloista käyttää tällä hetkellä polttoaineena Uraania, jota löytyy luonnosta. Se ei kuitenkaan ole ainoa mahdollisuus ydinvoimalan polttoaineeksi. Kehitteillä olevassa sulasuolareaktorissa voidaan käyttää polttoaineena toriumia, joka sisältää merkittäviä etuja Uraaniin nähden.

Ensinnäkin Toriumia esiintyy maankuoressa 3–4 kertaa niin paljon kuin uraania. Toisekseen Toriumia tarvitaan huomattavasti vähemmän kuin Uraania. Esimerkiksi tyypillinen 1000 megawatin ydinvoimala kuluttaa vuodessa 35 tonnia rikastettua uraania. Tämän määrän väkevöinti on vaatinut 250 tonnia raakauraania.

Radioaktiivinen ydinjäte on ongelma, mikä pitää ratkaista // Shutterstock

No yhtä paljon sähköä tuottava sulasuolareaktori tarvitsee vain tonnin toriumia, jota ei edes ole tarvinnut rikastaa. Näin radioaktiivista jätetty syntyy huomattavasti vähemmän. Kaiken kukkuraksi Toriumia käytettäessä radioaktiivisuus laskee merkittävästi jo 300 vuodessa. Tämä on aika paljon vähemmän kuin Uraanilla, jota täytyy säilyttää jo edellä mainitut 100 000 vuotta.

Sulasuolareaktorilla on vielä yksi todella merkittävä etu. Siinä voidaan hyödyntää sitä Uraani 235, joka on jäänyt yli, kun nykyiset ydinvoimalat ovat käyttäneet polttoainesauvansa loppuun. Tällöin koko maailmasta löytyvä ydinjätteen määrä pienenee merkittävästi.

pienet ja modulaariset ydinvoimalat

Eräs todella vahva kehityssuunta ydinvoiman saralla on pienet ja modulaariset ydinvoimalat. Pienreaktoreiksi kutsutaan sähköteholtaan alle 300 MW:n ydinvoimalaitoksia. Vertailun vuoksi Olkiluoto kolmosen tuottama sähköteho on 1600 MW.

Pienydinvoimalaa voidaan käyttää joko sähkön, lämmön tai molempien tuottamiseen. Jos tarkoituksena on tuottaa ainoastaan sähköä, voimala voidaan sijoittaa melko kauaskin asutuksesta. Jos kuitenkin sitä halutaan käyttöö myös lämmöntuotannossa sen on sijaittava lähellä asutusta. Tämä sen takia, että pienydinvoimala voitaisiin kytkeä kaukolämpöverkkoon ilman merkittävää lämpöhukkaa.

Toinen merkittävä ero näissä pienvoimaloissa on se, että ne ovat tehdasvalmisteisia ja ne voidaan viedä tuotantopaikalle suurina kokonaisuuksina. Tämän kaltainen sarjatuotanto laskee merkittävästi voimalan hintaa. Lisäksi niiden pystyttäminen on nopeaa, kun esimerkiksi kokonainen reaktori voidaan tuoda oikealle paikalleen vaikkapa rekan lavalla.

Pienydinvoimalan koko on pienen teollisuusrakennuksen luokkaa. Niiden sijoittamista on kuitenkin kaavailtu maan alle, jolloin maan pinnalle jäävä osa on huomattavasti pienempi.

Tällä hetkellä kaikki ydinreaktorit tuottavat niin kutsuttua jälkilämpöä, jota syntyy vielä ketjureaktion pysäyttämisen jälkeen. Jäähdytys onkin missä tahansa ydinvoimalassa merkittävässä osassa. Suurissa ydinvoimaloissa reaktorien jälkilämpö poistetaan tyypillisesti sähköllä toimivilla jäähdytysjärjestelmillä.

Pienreaktoreissa tämä syntyvä jälkilämpö on luonnollisesti pienempi ja näin ollen niihin on helpompi suunnitellaan passiivisia jäähdytysjärjestelmiä, joilla lämpö saadaan poistettua reaktorista, vaikka sähkövirtaa ei jostain syystä olisi käytössä.

Näin pienreaktorit voidaan suunnitella yksinkertaisimmiksi ja turvallisemmiksi kuin suuret reaktorit. Turvallisuutta lisää tietysti myös se tosiseikka, että pienessä reaktorissa on vähemmän radioaktiivista ainetta kuin suuressa. Toisaalta pitää huomioida, että pienreaktoreiden tuottama energiamäärä on myös reilusti suuria pienempi!

Tällaiset pienydinvoimalat eivät vielä ole kaupallisessa käytössä, vaikka niitä tutkitaan ja kehitetään valtavalla nopeudella. Eräs ratkaistava seikka on niiden säätely. Tällä hetkellä Suomessa lait, asetukset ja säteilyturvakeskuksen säännöt on tehty suurille ydinvoimaloille. Säteilyturvakeskuksessa on käynnissä selvitys siitä, miten sääntelyä voitaisiin sovittaa pienydinvoimaloiden tarpeisiin.

Tulevaisuudessa voi olla tilanne, että jokaisessa Suomen suurkaupungissa olisi tällainen oma pienydinvoimala. Kehitystä tähän suuntaan vauhdittaa päästökauppa, joka nostaa osaltaan hiilen käytön kustannuksia. Tämän on varmasti huomannut tavallisetkin ihmiset, sillä kaukolämmön hinta on noussut voimakkaasti viime vuoden aikana.

Fuusiovoimala - lopullinen ratkaisu

Mä olen aikaisemminkin tällä kanavala puhunut Fuusioenergiasta ja siitä, kuinka se voi onnistuessaan ratkaista käytännössä kaikki ihmisten energiaongelmat. Nyt otetaankin katsaus siihen, kuinka lähellä me loppujen lopuksi olemme tätä mullistavaa läpimurtoa.

Fuusioreaktio on päinvastain kuin edellä mainittu fissioreaktio, minkä avulla tämän hetkiset ydinvoimalat toimivat. Fuusioreaktiossa kaksi tai useampi atomiydin yhdistyy yhdeksi atomiksi tuottaen samalla valtavan määrän energiaa.

Fissio- ja fuusioreaktion ero // Shutterstock

Periaatteessa fuusioreaktio voi jatkua lähes loputtomiin, kunhan siinä käytettyä polttoainetta eli vetyä on saatavilla. Tarkkemin Fuusioreaktiossa polttoaineena käytetään vedyn raskaita isotooppeja deuteriumia ja tritiumia, jolloin fuusioreaktiossa syntyy heliumia.

Todisteet fuusioreaktion toimivuudesta loistavat joka yö taivaalla. Tähdet saavat energiansa niiden ytimessä tapahtuvasta fuusioreaktiossa, joka pitää ne hehkuvan kuumina miljoonien vuosien ajan.

Jos fuusioreaktio onnistuisi tulevaisuudessa maan pinnalla, niin muutamasta litrasta vettä ja yhdstä litiumakusta saadaan niin paljon energiaa, että se kattaa yhden ihmisen sähkön tarpeen vuosikymmenien ajaksi.

Fuusioreaktio on myös lähes saasteetonta verrattuna fissioreaktioon. Radioaktiivista jätettä kyllä syntyy, mutta ei todellakaan siinä mittakaavassa kuin nykyisissä ydinvoimaloissa. Fuusioreaktiossa käytetyt materiaalit säilyvät radioaktiivisina suurin piirtein sadan vuoden ajan.

Haaste fuusioreaktiossa on se, että sen käynnistämiseksi tarvitaan valtava lämpötila, jotta aine muuttuu plasmaksi. Maapallon olosuhteissa tämä lämpötila on noin 100 miljoonaa astetta.

Tätä plasmaa on erittäin vaiketa hallita, sillä se ei saa koskea mihinkään. Käytännössä tiedemiehet yrittävät hallita plasmaa magneettien avulla. Magneettien käyttö vaatii sen, että ne pitää saada suprajohtaviksi, jolloin sähkövirta pääsee kulkemaan niiden läpi ilman vastusta. Jotta suprajohtavuus saavutetaan, magneetit pitää jäähdyttää -269 asteeseen.

Monet tutkijat ovat kuitenkin sitä mieltä, että fuusioenergian läpimurto ei ole enää kovinkaan kaukana. Aika voi olla lyhyempi kuin pari vuosikymmentä. Tällä hetkellä on onnistuttu tuottamaan fuusioreaktorilla noin 70 % siitä energiamäärästä, mitä reaktion käynnistämiseen vaadittiin. Tämä tulos on tosin saatu laboratorioissa, eikä missään sähköntuotantoon tarkoitetussa voimalassa.

Etelä-Ranskassa rakennetaan parhaillaan Iter-nimistä konetta. Kyseessä on tällä hetkellä maailman kallein tieteellinen instrumentti. Hintaa Iterille on tähän mennessä kertynyt 22 miljardia euroa.

Iter on testivoimala, jossa fuusiovoiman tekninen toteutettavuus sähköntuotannossa on tarkoitus todistaa. Tavoitteena on, että iter tuottaisi kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin mitä sinne syötetään ja pysyisi käynnissä kymmenen minuuttia.

Iter-projektin Tokamak-reaktori toimii seuraavalla tavalla:

Ensinnäkin reaktoria ympäröi 30 metriä korkea suojakuori, jonka tehtävänä on suojata ja kylmentää sen sisällä olevaan reaktoria.

Reaktorin sydämenä on teräksestä rakennettu donitsin muotoinen tyhjiökammio, jossa itse fuusioreaktio tapahtuu. Tämän kammion sisäseinämät on vuorattu pinnoitteella, jossa reaktiossa syntyvä energia muutetaan lämmöksi. Toisaalta pinnoite myös estää reaktiossa syntyviä neutroneja vahingoittamasta itse reaktoria.

Kammion pohjala on erillinen laitteisto, jonka avulla reaktiossa syntyvä helium ja epäpuhtaudert poistetaan kammiosta.

Keskellä on valtavan suuri ja voimakas magneetti, joka saa kammiossa olevan plasman liikkumaan pyörivänä virtauksena.

Magneetteja on myös kammion ympärillä. Näiden magneettien tehtävänä on säädellä plasman liikettä ja estää sitä törmäämästä kammion seinämiin.

Vielä on turhan aikaista sanoa, tuleeko Iter aloittamaan fuusioenergian läpimurron! Tämän hetken aikataulun mukaan sen pitäisi kuitenkin valmistua jo vuonna 2025.