Energia & ilmastonmuutos

Kuvassa on esimerkki AES-2006 -laitoksen reaktorisydämen polttoaineen sijoittelusta. Kuvitus: Ferry

Ydinpolttoaineen ytimessä

Ihmiskunnan käyttämä energia tulee pääosin kahdesta lähteestä, jotka molemmat perustuvat ydinenergiaan. Vajaa viitisen prosenttia energiasta tuotetaan ydinvoimaloissa uraanista. Loput käyttämästämme energiasta on lähes yksinomaan alkujaan peräisin aurinkokuntamme valtavasta fuusiovoimalasta, Auringosta.

Tässä artikkelista kerrotaan lähinnä uraanista ydinvoimalan polttoaineena. Perustietoa uraanista mineraalina voit lukea aiemmasta artikkelista tästä linkistä.

Uraanin U235-isotooppi on ainoa luonnossa esiintyvä aine, joka on fissiili. Fissiilillä tarkoitetaan ainetta, joka pystyy käynnistämään ja ylläpitämään ytimien hajoamisien ketjureaktiota. Tässä ketjureaktiossa ytimen hajoamisen seurauksena vapautuneet neutronit osuvat muihin läheisiin ytimiin, hajottaen ne ja vapauttaen lisää neutroneita. Käytännössä fissiilejä U235 atomeja pitää olla riittävästi riittävän lähellä toisiaan, jotta ketjureaktio käynnistyy. Ketjureaktion syttymistä ja ylläpitoa voidaan myös edesauttaa hidastamalla vapautuneita neutroneita esimerkiksi vedellä.

Luonnossa esiintyvässä uraanissa U235-isotoopin pitoisuus on noin 0,72 prosenttia. Jotta ydinvoimalan kevytvesireaktorissa (joita suurin osa nykyisistä ydinvoimaloista on) saadaan hallittu ydinreaktioiden sarja käyntiin ja ylläpidettyä, täytyy fissiilin U235:n osuutta uraanissa nostaa[ii]. Tätä kutsutaan väkevöinniksi[iii]. Nykyisissä kevytvesireaktoreissa polttoaineen U235-pitoisuus on normaalisti 3–5 prosenttia. Loput polttoaineesta on pääosin U238-isotooppia[iv].

Keraamiset uraanipelletit pinotaan päällekkäin noin 1 cm paksuisten ja 3–5 metriä pitkien metallisauvojen sisään, ja sauvat hitsataan polttoainetehtaalla kiinni. Polttoainesauvoista muodostetaan noin 100–300 sauvan elementtejä. 

Väkevöinti tehdään nykyisin lähes yksinomaan sentrifugeiksi kutsutuilla laitteilla[v]. Väkevöintiä varten uraanimalmi muunnetaan ensin uraanioksidiksi, ja sen jälkeen esimerkiksi uraaniheksafluoridiksi[vi] (UF6). Väkevöinnin jälkeen uraani muunnetaan keraamiseen muotoon uraanidioksidiksi, josta valmistetaan pieniä polttoainenappeja. Nämä napit laitetaan zirkoniumista valmistettuihin polttoainesauvoihin, jotka suljetaan tiiviiksi ja kootaan nipuiksi. Kun valmiit polttoaineniput päätyvät lopulta reaktoriin ja suotuisiin olosuhteisiin, käynnistyy ytimien hajoamisten ketjureaktio. Se synnyttää lämpöä, jolla keitetään vettä[vii] ja tuotetaan sähköä.

Polttoainesauvoja vaihdetaan reaktoreihin noin vuoden välein, mutta vain osa, esimerkiksi kolmannes tai neljännes, sauvoista vaihdetaan samalla kertaa. Polttoainesauvat viettävät reaktorissa yleensä siis muutaman vuoden. Tässä ajassa niiden U235-pitoisuus laskee noin prosenttiin, ja polttoaineeseen syntyy erilaisia hajoamistuotteita. Sekä U235-pitoisuuden lasku että hajoamistuotteet alkavat lopulta häiritä ketjureaktiota, jolloin on aika vaihtaa tilalle tuoreet polttoainesauvat.

Monille yllätyksenä tulee se, että kevytvesireaktorissa noin kolmannes ydinenergiasta saadaan uraanin sijaan plutoniumista[viii]. Mitä ihmettä? Mistä se plutonium sinne ydinpolttoaineeseen pääsi?

Plutoniumia syntyy reaktorissa, kun vapautunut neutroni osuu sopivasti U238-ytimeen, jolloin ydin ikään kuin kaappaa ylimääräisen neutronin. Ydin muuttuu samalla epävakaaksi, ja muutaman nopean välivaiheen jälkeen siitä tulee plutoniumia (Pu239) . Se on U235:n tavoin fissiili, ja pysty siten ylläpitämään ydinreaktiota[ix].

Vaikka U235 on melko harvinainen isotooppi, ja vaikka polttoaineen valmistusprosessi eri vaiheineen kuulostaa vaivalloiselta ja monimutkaiselta (ja myös on sitä), on uraanissa niin paljon energiaa, että polttoaineen kustannus on vain muutaman prosentin ydinvoiman kokonaiskustannuksesta. Uraanipolttoaine on alle kymmenyksen kivihiilen hinnasta per energiasisältö[x].

Kun polttoaine on käynyt reaktorissa, se siirretään jäähdytysaltaaseen ja siitä tulee käytettyä ydinpolttoainetta, eli korkea-aktiivista ydinjätettä. Ydinjäte aiheuttaa monissa ihmisissä voimakkaita tunteita, jopa pelkoa. Harvat kuitenkaan tietävät sen tarkemmin mitä se sisältää, miksi se on vaarallista ja kuinka kauan, ja mitä sille voidaan tehdä. Näihin kysymyksiin palaamme myöhemmin.

 

Viitteet

[i] Ainoa energianlähde joka ei perustu ydinenergiaan suoraan tai epäsuorasti on vuorovesienergia, joka syntyy maapallon ja sitä kiertävän Kuun keskinäisestä vetovoimasta. Osa geotermisestä energiasta on peräisin maapallon muodostumisesta syntyneestä jälkilämmöstä, mutta noin puolet siitäkin on peräisin ytimien halkeamisista maan sisällä.

[ii] Harvinaisemmat raskasvesireaktorit (kuten CANDU) tai reaktorit jotka käyttävät grafiittia neutronien hidastamiseen (kuten RBMK) voivat käyttää polttoaineenaan luonnonuraania ilman väkevöintiä.

[iii] Usein puhutaan rikastamiseksi, mutta väkevöinti on oikeampi termi.

[iv] Kuten aiemmassa artikkelissa uraanista kävi ilmi, uraania esiintyy erittäin pieniä määriä myös U234-isotooppina.

[v] Aiemmin käytettiin kaasudiffuusioksi kutsuttua menetelmää, mutta koska sentrifugit ovat useita kymmeniä kertoja energiatehokkaampia väkevöinnissä, on kaasudiffuusio saanut väistyä.

[vi] Tai esimerkiksi uraanitetrakloridiksi (UCl4)

[vii] Lisää vedenkeittämisestä artikkelista Maailman kehittynein vedenkeitin

[viii] Lähteenä kirjoituksessa on käytetty Ian Hore-Lacyn kirjoittamaa The World Nuclear Univesity Primer - Nuclear Energy in the 21st Century -kirjaa (3. editio, 2012), World Nuclear Association

[ix] Jotkin reaktorit pystyvät valmistamaan uraanista enemmän polttoaineeksi kelpaavaa plutoniumia kuin ne itse käyttävät. Näitä sanotaan hyötöreaktoreiksi (breeder). Vaikka nykyreaktorit saavatkin valtaosan energiastaan uraanin harvinaisesta U235-isotoopista, on itse uraanissa ja sen yleisemmässä U238-isotoopissa siis vielä valtavasti käytettävissä olevaa energiaa jäljellä, joka voidaan myöhemmin hyödyntää hyötöreaktoreilla.

[x] Nykyisenkaltaisissa kevytvesireaktoreissa käytettynä. 

Energia & ilmastonmuutos

Energia & ilmastonmuutos

Energiavallankumous antaa odottaa itseään

Eurooppa on energiavallankumouksen syntypaikka. Paitsi, että mitään kovin kummoista kumousta ei ole tapahtunut muualla kuin median otsikoissa ja päättäjien juhlapuheissa.

Energia & ilmastonmuutos

Ilmastopaketin ydinpalanen

Ydinvoima on tärkeä palanen ilmastonmuutoksen vastaisessa taistelussa, jossa jokainen oikea askel on tarpeellinen.

Energia & ilmastonmuutos

Maailma tarvitsee pikaisesti uusia ydinvoimaloita

Ydinvoima-alan maailmanjärjestö WNA:n mukaan neljäsosa maailman sähköstä on tuotettava ydinvoimalla 30 vuoden kuluttua. Uutta ydinvoimakapasiteettia pitäisi rakentaa jopa 1 000 gigawattia lisää.

Energia & ilmastonmuutos

Miksi tarvitsemme erilaisia sähkövoiman lähteitä?

Sähköntarve vaihtelee voimakkaasti vuorokauden eri aikoina ja vuodenajasta toiseen. Ydinvoimalla on järkevää tuottaa tasaisen pohjatarpeen tyydyttävää perusvoimaa. Säätövoima joustaa kulutusvaihteluiden mukaan.