Hyötöreaktori

BN350-hyötöreaktori Aqtawissa Kaspianmeren rannalla, jossa sitä käytettiin makean veden tuottamiseen merivedestä erittäin kuivalla alueella.

Toriumin ja uraanin hyötöreaktioiden vertailua.

Hyötöreaktori (engl. breeder reactor) on ydinreaktorityyppi, joka tuottaa omaa fissiiliä ydinpolttoainettaan toisesta aineesta, kuten toriumista tai U-238:sta. Hyötöreaktorit voidaan jakaa termisiin ja nopeisiin (engl. fast-breeder reactor) fission aikaansaavien neutronien energian (nopeuden) mukaan. Näistä terminen hyötöreaktori on yksinkertaisempi^selvennä, ja soveltuu paremmin toriumille, kun taas nopeat soveltuvat paremmin uraanille. Eräs terminen hyötöreaktori on sulasuolareaktori (MSR, engl. molten salt reactor), jossa sekä polttoaineen lähtöaine (²³²Th) että varsinainen polttoaine (²³³U) ovat nestemäisessä muodossa sulan suolan joukossa.

Nopean hyötöreaktorin toimintaperiaate

Kaksi nopean reaktorin jäähdytysratkaisua. Oikealla piirityyppinen ja vasemmalla allastyyppi, jossa primäärisen jäähdytteen ja toisiopiirin välinen lämmönvaihdin sekä pumput ovat reaktorialtaassa.

Siinä, missä muissa ydinreaktoreissa fission todennäköisyyttä kasvatetaan hidastamalla fissiossa vapautuvia neutroneja sopivalla väliaineella, kuten vedellä, nopeissa reaktoreissa tarvittavan suuri määrä fissioita varmistetaan käyttämällä väkevämpää polttoainetta, jossa fissiilejä, eli halkeavia ytimiä on riittävän tiheässä ketjureaktion ylläpitämiseksi. Tällä myös yritetään välttää fissiomateriaalin hukkaa, joka syntyy joidenkin ytimien pelkästään absorboidessa hitaat neutronit. Reaktorin nimi tulee nimenomaan nopeista, hidastamattomista neutroneista.

Reaktorin jäähdytykseen ja samalla lämpöenergian siirtämiseen käytetään nesteytettyä kaasua tai alhaisen sulamispisteen omaavan metallisuolan liuosta, jolla on pieni hidastavuusvaikutus ja hyvä lämmönsiirtokyky. Ylivoimaisesti yleisin on tähän asti ollut natrium, jolla on erinomainen lämmön kuljetus- ja varastointikyky, mutta myös lyijy-vismutti-seoksen ja puhtaan lyijyn käyttöä tutkitaan. Fissiota hallitaan normaaliin tapaan säätösauvoilla.

Hyötöreaktorin suurin etu on sen kyky hyödyntää esimerkiksi uraanin niitä isotooppeja, jotka eivät kykene ylläpitämään fissiota. Tämä perustuu transmutaatioon, eli alkuaineen muuttumiseen toiseksi neutronikaappauksen seurauksena. Uraanin fissiiliä isotooppia U-235 huomattavasti yleisempi on halkeamiskelpoinen eli fissioituva, mutta ei fissiili U-238, joka ei itsessään kykene ylläpitämään ketjureaktiota. Sen sijaan nopeilla neutroneilla säteilytettäessä U-238 muuttuu neptunium-239:ksi, joka muuttuu plutonium-239:ksi beetahajoamisen seurauksena. Plutonium-239 on fissiili ja käy siis ydinpolttoaineeksi tai ydinaseisiin. Prosessi on niin tehokas, että uutta plutoniumia syntyy uraanista enemmän, kuin mitä sitä kuluu neutronien ja energian tuottamiseen^(?). Hyötämisestä puhutaan, kun ei fissiilistä, mutta kuitenkin fertiilistä (ydinpoltto-)aineesta (kuten ²³⁸U tai ²³²Th) tehdään fissiiliä polttoainetta esim. neutronikaappauksen eli absorption keinoin ja näin syntynyttä ydinpolttoainetta käytetään osana ketjuprosessia ja energian tuottoon. Hyötöreaktorin käynnistämiseen siis riittää tietty määrä fissiiliä polttoainetta, minkä jälkeen rektoria voidaan "tankata" vain fertiilillä polttoaineella.

U-235:n ohella mahdollisia hyötöreaktorissa käytettäviä ”lähtöaineita” ovat U-238 (→Pu-239), torium-232 (→U-233), ja Pu-240 (→Pu-241). Normaalissa termisessä eli hitaassa kevytvesireaktorissa polttoaineen 95-97 % sisältävästä U-238:sta voidaan hyödyntää vain alle 1 %. Nopeassa reaktorissa jopa 70 %. U-238:n ja Th-232:n ollessa luonnossa huomattavasti yleisempiä, hyöty on ilmeinen.

Pääasiallisesti kiinteän U-238-polttoaineen käyttöön tarkoitetun, nopeaan hyötöreaktoriin liittyviä ongelmia ovat muun muassa jäähdytysaineen hankalat ominaisuudet (esimerkiksi natrium syttyy palamaan joutuessaan kosketuksiin veden kanssa), reaktorissa oleva suuri määrä plutoniumia ja hallitsemattoman ketjureaktion mahdollisuus^(?). ^[1]

Th-232-polttoaineenaan käyttävässä termisessä eli hitaassa ns. sulasuola-hyötöreaktorissa (MSR, engl. molten salt reactor) vastaavia ongelmia ei ole koska polttoaine on valmiiksi nestemäinen, sulanut suolaliuos (esim. LiF-BeF₂-ThF₄-UF_4.), mikä ei myöskään vaadi jäähdytysaineita tai raskasta ja kallista paineastiaa, vaan toimii itsessään lämmönkuljettajan roolissa. Koska suolan kiehumispiste ylittää reaktorin käyttölämpötilan, reaktori toimii ilmakehän paineessa. Laitoksen aktiivisella alueella ei voi tapahtua höyrypaineräjähdyksiä. Suola ei missään olosuhteissa syty palamaan, eikä reaktorin polttoaine voi sulaa koska se on jo sulassa muodossa.

Historiaa

Yhdysvaltalaisen EBR 1:n reaktorisydämen asennusta 1951.

Ensimmäinen ketjureaktio nopeassa reaktorissa saatiin käynnistymään 1946 Yhdysvalloissa (Clementine-reaktori). Useat muutkin maat olivat jo aloittaneet tutkimustyön tällä saralla, mutta Yhdysvalloissa saavutettiin myös seuraava merkittävä virstanpylväs, kun 1951 EBR 1 -reaktorista tuli ensimmäinen sähköä tuottanut reaktori maailmassa. Kohta kuitenkin Britannia, Saksa, Ranska, Neuvostoliitto ja Japani rakensivat kukin tahollaan omat koereaktorinsa. ^[2]

Tasaisesti kiihtynyt kehitys saavutti huippunsa 1980-luvun alkuun tultaessa ja useissa maissa oli käynnissä ohjelmia prototyyppireaktoreiden ja kaupallisen koon nopeiden hyötöreaktorien kehittämiseksi. Näistä mainittakoon Ranskan Superphénix, Saksan SNR-300, Monju Japanissa ja BN-600 Neuvostoliitossa.

1990-luvulla kiinnostus teollisuusmaissa laimeni ja vuosikymmenen loppuun mennessä useat maat olivat sulkeneet tärkeimmät hyötöreaktorinsa ja yhä jatkuvistakin ohjelmista useimmat kokivat rahoituksen pienenemisen. Yksi syy oli se, että ei koettu pakottavaa tarvetta panostaa niiden kehitykseen. IAEA:n mukaan 2000-luvulla kiinnostus ydinvoimaa kohtaan on jälleen hieman lisääntynyt ja lisännyt tietoisuutta niistä keskipitkän ja pitkän aikavälin hyödyistä, joita suljetun polttoainekierron nopeat hyötöreaktorit tarjoavat. ^[2]

Superphénix

Suurin käytössä ollut hyötöreaktori oli ranskalainen Superphénix, jonka sähköteho oli 1 200 MW. Se käynnistyi 1985 ja tavoitteena oli sähkön ja plutoniumin tuotanto. Projektia rasittivat lukuisat tekniset ongelmat ja poliittinen vastustus, eikä se päässyt täyttämään siihen kohdistettuja odotuksia. Ranska sulki laitoksen lopullisesti 1998 ja sitä alettiin purkamaan.

Monju

Protyyppireaktoriksi rakennettu 280 MW Monju Japanin Tsurugaissa käynnistyi 1994, mutta jo 1995 joulukuussa laitoksessa sattui huomiota herättänyt toisiopiirin natriumvuoto. Vuoto ei ollut erityisen vaarallinen, mutta tapahtuman salailu oli osasyynä siihen, että seuraavana vuonna reaktori suljettiin. Uusittu reaktori käynnistettiin uudelleen toukokuussa 2010 ja Japanin atomienergiaviraston tavoitteena oli päästä ajamaan sitä täydellä teholla 2013.^[3] Monju on Superphénixin lailla natriumjäähdytteinen nopea reaktori, joka käyttää UO₂/PuO₂ sekaoksidipolttoainetta MOXia. Mutta toisin kuin allastyyppinen Superphénix, sen primäärinen jäähdytys on piirityyppiä.^[4][5]

Kehitystyön nykytilanne

Energianlähde, joka tuottaa käydessään uutta polttoainetta on luonnollisesti hyvin houkutteleva, joten nopeita reaktoreita on tutkittu laajalti. Tutkimus on edennyt niin pitkälle, että suurimmat hyötöreaktoreiden käytön tekniset esteet on jo ratkaistu ja maailmalla on käytetty useita sähköntuotantoon soveltuvia hyötöreaktoreita, mm. Ranskassa, Isossa-Britanniassa ja Japanissa. Lisäksi koereaktoreita on ollut Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa, Ranskassa, entisessä Neuvostoliitossa sekä Intiassa ja Japanissa. Hyötöreaktoritekniikan polttoainetaloudellisten etujen vuoksi useimmissa suurissa teollisuusmaissa pidettiin selvänä, että ydinvoiman tuotannossa siirrytään ajan oloon hyötöreaktoreiden käyttöön, mutta nyttemmin monissa maissa, kuten Ranskassa, Saksassa ja Britanniassa, ollaan hyötöreaktoreiden voimalaitoskäytöstä luovuttu tai luopumassa poliittisella päätöksellä.

Kuten kaikesta uraanin tai plutoniumin fissiilejä isotooppeja sisältävistä aineista, myös hyötöreaktorin polttoaineesta on teoriassa mahdollista valmistaa ydinaseita. Käytännössä sellaista ei tiettävästi ole tapahtunut tai edes suunniteltu, koska tunnetaan huomattavasti yksinkertaisempiakin tapoja aloittaa ydinaseen rakentaminen. Monet asiantuntijat pitävät kuitenkin hyötöreaktorien tuottamaa plutoniumia sisältävää käytettyä ydinpolttoainetta riskinä ydinaseiden rajoittamiselle.

Venäjällä toimivat Belojarskissa BN-600 ja BN-800, jotka ovat natriumjäähdytettyjä allastyyppisiä reaktoreja, joiden sähkönteho on 600 MW ja 800 MW.

Intia on rakentamassa uudentyyppisen PFBR-nimisen 500 MW:n hyötöreaktorin, joka tulee käyttämään uraania ja toriumia polttoaineena. Intiassa on maailman suurimmat torium-esiintymät ja projekti on elintärkeä maan energiapolitiikassa.

Voimalakäytössä olevat, olleet ja rakenteilla olevat hyötöreaktorit IAEA:n jäsenmaissa.

Nimi	maa	tyyppi	sähköteho MW(netto/brutto)	liit. verkkoon	pääas.rahoittaja/operaattori
Toiminnassa olevat
Belojarsk 3 (BN-600)	Venäjä	nopea	560/600	1980	JSC "Concern Energoatom"
Belojarsk 4 (BN-800)	Venäjä	nopea	750/800	2016	JSC "Concern Energoatom"
MONJU	Japani	nopea	246/280	1995-95, 2010-[6]	Japanin atomienergiavirasto
Rakenteilla olevat				rak. alkoi
PFRB	Intia	nopea	470/500	23.10.2003	Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam Ltd
Suljetut				liit. verkk.-sulj.
Superphénix	Ranska	nopea	1 200/1 242	1986-98	Electricite de France
KNK 2	Saksa	nopea	17/21	1978-1991	Kernkraftwerk-Betriebsgesellschaft MbH
DFR Dounreay	UK	nopea	14/15	1962-77	Britannian atomienergiavirasto
PFR Dounreay	UK	nopea	234/250	1975-94	Britannian atomienergiavirasto
Enrico Fermi 1	USA	nopea	61/65	1966-72	Detroit Edison Co.
BN-350	Kazakstan	nopea	52/90	1973-99	Nat. AC Kazatoprom J.s.c/Manghislak AEC Kazatoprom L.l.c.
Phénix	Ranska	nopea	130/140	1973-2010[7]	Ranskan atomienergiakomissio

Lähde: IAEA:n Power Reactor Information System -tietokanta^[8]

Katso myös

• Kuulareaktori
• Kaksoisfluidireaktori

Lähteet

• Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA
• http://www.tkk.fi/Yksikot/Energiatalous/kurssit/Ene59020/Leppanen.pdf^{[vanhentunut linkki]}
• Encyclopedia Britannica, 15. painos, osa 2 s. 495; osa 18 s. 373-4
• Säteilyturvakeskus^{[vanhentunut linkki]}

Viitteet

1. http://www.stuk.fi/ydinturvallisuus/ydinvoimalaitokset/ydinvoimalaitoksen_toiminta/ydinvoimalaitostyypit/fi_FI/hyotyreaktorit/_print/^{[vanhentunut linkki]}
2. IAEA: ”Liite 6”, Nuclear Technological Review 2008, s. 96-98. (IAEA:n ydintekninen raportti 2008) Wien: IAEA www = http://www.iaea.org/Publications/Reports/ntr2008.pdf, 2008. (englanniksi)
3. Japani käynnisti vuosia seisoneen prototyyppi­reaktorin 7.5.2010. Tekniikka&Talous. Viitattu 15.5.2010.^{[vanhentunut linkki]}
4. http://www.tkk.fi/Units/AES/courses/crspages/Tfy-56.170_05/Lamminpaa_SFR.pdf (Arkistoitu – Internet Archive)
5. ydinvoimauutiskooste 1/2009 (pdf) ("Hyötöreaktori Monjun käynnistäminen Japanissa viivästyy") Energiateollisuus ry.^{[vanhentunut linkki]}
6. Käynnistetty uudelleen toukokuussa 2010
7. Ranska sulki Phenix-reaktorin. Tekniikka & Talous 4.2.2010 (Arkistoitu – Internet Archive)
8. PRIS Homepage (IAEA:n PRIS tietokanta) iaea.or.at. Arkistoitu 20.5.2009. Viitattu 11.5.2009.

Aiheesta muualla

• http://www.soininvaara.fi/2008/11/15/maailma-ajautuu-ajolahtotilanteeseen-hyotoreaktorien-kanssa/
• Tulevaisuuden Ydinteknologiat, VTT:n tutkija Jaakko Leppänen 2008^{[vanhentunut linkki]}

Ydintekniikka

Ydinfysiikka	Atomi Fissio Fuusio Säteily Radioaktiivisuus Ionisoiva säteily Ydinräjähdys Fissiili Vaikutusala Kriittinen massa
Ydinvoima	Ydinvoiman käyttökohteet Ydinpolttoainekierto Säteilyturvallisuus Ydinturvallisuus Ydinjätehuolto Geologinen loppusijoitus Uraani Uraanin esiintyminen Uraanikaivos Uraanin väkevöinti Plutonium Torium Torium-ydinpolttoainekierto
Ydinreaktori	Kevytvesireaktori Kiehutusvesireaktori Painevesireaktori VVER-reaktori EPR-reaktori RBMK-reaktori MKER-reaktori CANDU-raskasvesireaktori AP1000-reaktori Pieni modulaarinen reaktori Hyötöreaktori Kiihdytinreaktori SCWR-reaktori Nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori Sulasuolareaktori Kaksoisfluidireaktori Fuusioreaktori
Ydinaseet	Ydinsota Vetypommi Neutronipommi Ydinaseriisunta Vaikutukset
Ydinonnettomuus	Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuus Three Mile Islandin ydinvoimalaonnettomuus Luettelo ydinonnettomuuksista Luettelo ydinlaitostapahtumista Ydinvoimalan sydämen sulamisonnettomuus Ydinaseonnettomuus INES-asteikko
Ydinvoima Suomessa	Olkiluodon ydinvoimalaitos Loviisan ydinvoimalaitos Hanhikiven ydinvoimalaitos