Torium-ydinpolttoainekierto

Toriumin (Th) käyttö ydinvoimalassa perustuu torium-ydinpolttoainekiertoon. Torium ei suoraan sovellu ydinreaktorin polttoaineeksi, koska se ei pysty ylläpitämään ketjureaktiota. Luonnossa esiintyvästä torium-232-isotoopista voidaan kuitenkin valmistaa polttoaineeksi kelpaavaa uraani-233:a säteilyttämällä sitä neutroneilla ydinreaktorissa. Kun ²³²Th:ta pommitetaan neutroneilla, se muuttuu ²³³Th:ksi neutronikaappauksen eli absorption seurauksena. Tämän jälkeen ²³³Th muuttuu protaktinium-233:ksi beetahajoamisen seurauksena. ²³³Pa muuttuu uraanin isotoopiksi ²³³U myös beetahajoamisen seurauksena.^[1]

Uraani-233:n fissiossa syntyy enemmän neutroneita kuin uraani-235:n, jota tavallisesti käytetään ydinpolttoaineena. Ylimääräisillä neutroneilla voidaan muuttaa lisää toriumia uraani-233:ksi. Toriumreaktori voi tuottaa uraani-233:a enemmän kuin sitä kuluu. Tällaista reaktoria kutsutaan hyötöreaktoriksi. Koska hyötöreaktori tuottaa jatkuvasti lisää polttoainetta, se voi hyödyntää kaivoksesta louhittavan raaka-aineen koko energiasisällön, kun taas tavallinen kevytvesireaktori pystyy käyttämään lähinnä vain uraani-235-isotoopin eli 0,7 prosenttia luonnonuraanista. Hyötöreaktori voi toimia myös uraani-238:lla, jota on 99,3 prosenttia luonnonuraanista. Tämä vaatii kuitenkin nopeilla neutroneilla toimivan reaktorin, kun taas toriumilla hyötöreaktori voi toimia myös tavallisella, hitaisiin neutroneihin perustuvalla tekniikalla.^[1]

Torium-ydinpolttoainekiertoa on kokeiltu. Esimerkiksi Shippingportin painevesireaktoria Yhdysvalloissa käytettiin 1970-luvulla torium-polttoaineella. Toriumreaktorit eivät ole yleistyneet, koska uraani on halpaa ja sitä on maankuoressa paljon. Toriumiin, samoin kuin uraani-238:een, perustuva hyötöreaktori edellyttää säteilytetyn polttoaineen jälleenkäsittelyä, jossa hyödetty uusi polttoaine erotetaan kemiallisesti. Jälleenkäsittely on kallista, koska siinä käsitellään erittäin radioaktiivisia nesteitä.^[1]

Torium-ydinpolttoainekierrossa ei synny plutoniumia. Sen takia toriumreaktorin käytetty polttoaine on kymmenien tuhansien vuosien päästä vähemmän radioaktiivista kuin uraanireaktorin käytetty polttoaine. Toisaalta plutonium ei ole käytetyn polttoaineen loppusijoituksen kannalta erityisen ongelmallista, koska plutoniumin yhdisteet liukenevat erittäin huonosti veteen.^[1]

Koska toriumia käytettäessä ei synny plutoniumia, toriumreaktorilla ei voi tuottaa ydinaseisiin soveltuvaa plutonium-239:ää. Mutta torium-ydinpolttoainekierto perustuu uraani-233:een, joka myös soveltuu ydinaseen rakentamiseen. Toriumreaktorissa syntyy myös uraani-232:ta, joka on voimakas gammasäteilyn lähde. Ydinaseen rakentaminen toriumreaktorissa tuotetusta uraani-233:stä vaatisikin hyvin tehokkaan säteilysuojauksen.^[1]

Yllä uraani-233:n tuottaminen torium-232:sta. Alla plutonium-239:n tuottaminen uraani-238:sta. Molempia voidaan käyttää hyötöreaktoreissa.

Torium

Pääartikkeli: Torium

Torium on yleinen luonnossa. Toriumin yleisin luonnossa esiintyvä isotooppi ²³²Th on suunnilleen yhtä yleinen kuin lyijy (Pb). Toriumia on maankuoressa kolme kertaa enemmän kuin uraania^[1]. Torium on jakautunut melko tasaisesti kaikkialle maankuoreen. Toriumia voidaan tuottaa esimerkiksi monatsiittimalmista. Koska toriumilla ei vielä ole laajoja käyttösovelluksia energiatekniikassa, on sitä usein käsitelty vain haitallisena radioaktiivisena sivutuotteena.^[2]

Sulasuolareaktori (Molten Salt Reactor MSR)

Pääartikkeli: Sulasuolareaktori

Torium-ydinpolttoainekiertoa voidaan soveltaa esimerkiksi sulasuolareaktorissa. Sulasuolareaktori on tyypiltään hyötöreaktori, eli se tuottaa fissiiliä ydinpolttoainetta epäfissiilistä mutta fertiilistä aineesta. Tässä tapauksessa Th-232 nuklideista tuotetaan U-233 nuklideja, jotka sitten osallistuvat fissioon. Toisin kuin perinteisessä kevytvesireaktorissa, polttoaine ei ole kiinteässä vaan nestemäisessä muodossa (sulanut suola LiF-BeF-ThF). Neste on erittäin kuumaa ja juoksevaa, mikä tuo niin haasteita kuin hyötyjäkin teknisen rakenteen kannalta. Esimerkiksi neste voidaan nopeasti valuttaa reaktorista säiliöön hätätilanteessa, eikä valuttamiseen tarvita sähkökäyttöistä pumppua. Polttoainetta voidaan lisätä, huoltaa ja vaihtaa ilman reaktorin alasajoa. ^lähde?

Reaktori koostuu kahdesta pääosasta: "sydän" ja "huopa". Reaktorin sydämessä tapahtuu fissio ja syntyy vapaita neutroneja. Huovassa, joka kulkee sydämen lähellä, kiertää fertiili polttoaine, joka absorboi fissiossa vapautuneita neutroneja. Toriumin beetahajoaminen uraaniksi kestää keskimäärin 27 päivää, joten fertiili polttoaine siirretään "hautumaan" pois huovasta, ennen kuin se ohjataan takaisin sydämeen. Sydämestä kuumentunut nestemäinen polttoaine ohjataan lämmönvaihtimeen, josta lämpöenergia voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi esimerkiksi kaasuturbiinin (hiilidioksidi) avulla ja edelleen sähköenergiaksi. Koska lämpötilat ovat korkeammat kuin kevytvesireaktorissa, voidaan välittäjäaineena käyttää ylikriittistä hiilidioksidia höyryn sijaan, jolloin saavutetaan parempi, jopa 50 % hyötysuhde turbiineissa. Hyötysuhdetta voi entisestään parantaa välttämällä energiakonversio, eli hyödyntämällä lämpöenergia suoraan. Lämpöenergiaa voidaan hyödyntää esimerkiksi kaupungin keskuslämmityksessä, kemiallisten prosessien mahdollistamisessa (kuten ammoniakin ja vedyn valmistamisessa) sekä esimerkiksi juomaveden valmistamisessa tislaamalla merivedestä. Ammoniakki (NH₃) ja vety (H) mahdollistaisivat hiilettömän nestemäisen kemiallisen polttoaineen käytön ajoneuvoissa. Ammoniakki ja vety palavat puhtaasti vesihöyryksi (H₂O) ja typeksi (N). ^lähde?

Reaktorissa syntyy fission seurauksena fissiotuotteita, jotka voidaan poistaa polttoainehuollon yhteydessä ilman reaktorin alasajoa. Jotkut lyhytikäiset hyödylliset isotoopit, kuten molybdeeni-99 (puoliintumisaika 3 päivää), voidaan ottaa nopeasti talteen reaktorista. ^lähde?

Hyödyt^[3]

• Turvallisuus: Polttoaine voidaan hätätilanteessa valuttaa säiliöön ilman sähkökäyttöistä pumppua. Ei vesihöyryräjähdyksen vaaraa.
• Polttoaineen riittävyys: Varoja yli 10.000 vuodeksi (vrt. U-235 noin 80-85 vuodeksi).^lähde?
• Kaasuturbiinin käyttömahdollisuus: 50 % hyötysuhde energiakonversiossa (ei mahdollista kevytvesireaktorissa).
• Huollettavuus: Polttoainetta voidaan lisätä, huoltaa ja vaihtaa ilman reaktorin alasajoa. Hyötysuhde pysyy tasaisen korkeana.
• Polttoainetehokkuus: Kaikki polttoaine käytetään. Poistettava ainoastaan fissiotuotteet (vrt. uraanipolttoaineen alle 1 % hyötysuhde).
• Sivutuotteena: Ammoniakki ja vety mahdollistaen hiilettömien nestemäisten polttoaineiden käytön esim. ajoneuvoissa.
• Sivutuotteena: Lämpö mahdollistaen keskuslämmitysratkaisuja ja voidaan soveltaa kemiallisiin prosesseihin.
• Sivutuotteena: Juomakelpoinen vesi, jota voidaan valmistaa merivedestä tislaamalla.
• Sivutuotteena: Hyödylliset radioisotoopit kuten teknetium-99 (⁹⁹Tc), molybdeeni-99 (⁹⁹Mo). Syövän hoito.
• Fissiotuotteet: Voimakkaasti radioaktiivisia eli radioaktiivisuus tippuu nopeasti. Vaarallinen radioaktiivisuus häviää 1 vuodessa, 83 % haitallisen radioaktiivisia 10 vuoden ja noin 17 % haitallisia 300 vuoden ajan (vrt. uraanin haitallinen radioaktiivisuus 10.000 vuotta).
• Skaalattavuus: Pieniä voimaloita voidaan valmistaa "tehdastuotteena". Voimala voidaan rakentaa tai kuljettaa energian tarvealueelle esim. aavikolle.
• Energiansiirto: Pienemmät matkat, joten vähemmän energiansiirtohäviöitä.
• Proliferaatio: Ei vapaana olevaa uraanin isotooppia U-233 vaan aine osallistuu koko ajan reaktioon. Kontaminaatio: Polttoaineessa fissiilin uraanin U-233-isotoopin lisäksi isotooppisena epäpuhtautena on aina läsnä fertiilejä lähtöisotooppeja kuten toriumin isotooppi Th-232 ja protaktiniumin isotooppi Pa-233. Reaktori ei tuota lähes lainkaan plutoniumin isotooppia Pu-239 (7-vaiheisen neutronikaappauksen todennäköisyys on äärimmäisen pieni). Reaktori ei vaadi rikastamoja.
• Ydinasekäyttö: Fissiotuotteissa ei ole fissiilejä aineita. Ei jälleenkäsittelytarvetta (suurin proliferaatioriski).
• Ydinaseriisunta: Hyötöreaktorissa voidaan huonolla hyötysuhteella utilisoida tai "polttaa" muitakin raskaita ytimiä uraanin isotoopin U-233 lisäksi, kuten U-235, U-238 ja plutoniumin isotooppi Pu-239.
• Rakennettavuus: Ei tarvetta suurelle suojarakennukselle. Ei vesihöyryräjähdyksen vaaraa kuten kevytvesireaktorissa.
• "Kiintiöreaktorin" mahdollisuus: Ns. kertakäyttöreaktori, joka ei tarvitse esim. kymmeneen vuoteen polttoainehuoltoa.

Haasteet

Toriumia ei voida käyttää nykyisissä, yleisesti käytössä olevissa, uraanin käyttöön perustuvissa, kevytvesireaktoreissa. Siirtyminen toriumin käyttöön vaatisi toisenlaisia uuden sukupolven reaktoreita ja sen myötä myös suuria investointeja – niin tutkimuksen kuin toteutuksenkin osalta. Torium-vaihtoehtoa ydinenergiatekniikassa on historiallisista ja poliittisista syistä tutkittu ja toteutettu huomattavasti vähemmän kuin uraani-vaihtoehtoa .^[4]

Toriumilla toimiva sulasuolareaktori ei tuota toimintansa sivutuotteena lainkaan ydinaseteollisuuteen soveltuvaa plutoniumia, eikä väkevöintiprosessin sivutuotteina synny valtavia määriä köyhdytettyä uraania, sillä isotooppirikastusta ei tarvita. Tämä fakta vaikutti erityisesti ydinenergiateknologian kehityksessä kohti uraani-lähtöisiä voimaloita toriumpohjaisten sijaan.^[4][5] Asiaan vaikutti historiallisesti luonnollisesti myös kylmä sota ja varustelukilpailu itä- ja länsiblokin välillä. Edes nykypäivänä teknologisesti kehittyneet maat eivät edelleenkään aktiivisesti panosta torium-pohjaisen energiateknologian kehittämiseen ainakin teknisten vaikeuksien, muutos- ja kehitystarpeen, investointiriskien ja -kulujen sekä aseteollisuuteen sopimattomuuden vuoksi.^[4]

Torium on niin yleinen maan kuoressa, että minkään korporaation tai valtion olisi vaikeaa monopolisoida sitä. Toriumin käyttö ei vaadi isotooppirikastusta, minkä vain korkeateknologinen valtio voi toteuttaa ja siten ei toriumpohjaisia ydinpolttoainemarkkinoita pystyttäisi monopolisoimaan kuten uraanirikasteilla. Maaöljyä omistavat hiilivetyviejämaat sekä hiilivetykauppaa dollareissa käyvät valtiot ovat kiinnostuneet toriumteknologian kehityksen estämisessä tai eivät ole kiinnostuneita sen kehittämisestä, sillä toriumteknologialla voitaisiin teoriassa tai ajan myötä nestemäiset hiilivetypolttoaineet korvata hiilettömillä polttoaineilla, kuten ammoniakilla ja vedyllä. Vastaavasti hiilivetyjen kysyntä vähenisi ja niiden hinnat laskisivat. Jos näin ollen hiilipäästöjenkin määrä vähenisi, kärsisi myös hiililuottoihin (carbon-credit) perustuvan pankki- ja verotusjärjestelmän tulot. Nykyistä uraanin käyttöön perustuvaa ydinenergiaa sekä aseteollisuutta edustavat voimakkaat lobbausryhmät vastustavat tai eivät tue toriumteknologian kehittämistä, sillä ydinasemateriaalin (plutoniumin isotooppi Pu-239) ja köyhdytetyn uraanin (U-238) tuotanto pienenisi ja vastaavasti uraani- ja uraanirikastemarkkinat pienenisivät. Aseteollisuudessa käytetään nykypäivänä suuria määriä köyhdytettyä uraania panssaroinnissa ja ammuksissa. Sitä syntyy huomattavan paljon uraanin isotooppirikastuksen yhteydessä (noin 6,7 kg köyhdytettyä uraania jokaista 4 %-rikasteista kilogrammaa kohti). Voimaloihin, rikastamoihin ja jälleenkäsittelylaitoksiin liittyvän teknologian ja lisenssoinnin kautta tulevat tuotot vähenisivät ja ydintekniikkamarkkinoilla syntyisi kilpailua. Nämä syyt ainakin vaikuttavat negatiivisesti tai jopa poissulkevasti toriumpohjaisen teknologian kehityksessä. ^lähde?

Kevytvesireaktorissa 96 % polttoaineessa olevasta uraanista on ko. reaktorissa ydinreaktioon sopimatonta U-238 isotooppia. Energiantuottoon soveltuvaa U-235 isotooppia on vain 4 % kaikesta uraanista ja pitoisuus laskee käytön aikana 0,7 %:iin, jolloin polttoaine katsotaan käytetyksi. 96 % kevytvesireaktorissa olevasta uraanista ei siis osallistu lainkaan energiantuottoon, mutta altistuu kuitenkin reaktorissa neutronipommitukselle ja siten noin 1 % polttoaineesta muuttuu ydinasekäyttöönkin soveltuvaksi plutoniumiksi (Pu-239). Tämän prosentuaalisen suhteen perusteella voidaan jopa kyseenalaistaa kumpi kevytvesireaktorin lopputuotteista on ns. "sivutuote" - sähköenergia vai ydinasekäyttöön soveltuva plutonium, puhumattakaan siitä, että polttoainetehokkuus on erittäin huono (vain alle 1 % polttoaineesta "palaa" reaktiossa).^[6] Kevytvesireaktorin polttoaine on pakattu zirkoniumisiin putkiin. Zirkonium (Zr) voi tietyissä olosuhteissa reagoida veden kanssa niin, että se vapauttaa vedestä vetyä, jolloin vaarana on vety-happi räjähdys.

Lähteet

1. Leppänen, Jaakko: Missä viipyy toriumreaktori? ATS Ydintekniikka, 2018, nro 3–4, s. 10–14. Suomen atomiteknillinen seura. ISSN 0356-0473 Artikkelin verkkoversio.
2. Wickleder, Mathias S.; Fourest, Blandine; Dorhout, Peter K. (2006). "Thorium". In Morss, Lester R.; Edelstein, Norman M.; Fuger, Jean. The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements (Arkistoitu – Internet Archive) (PDF) 3 (3rd ed.). Dordrecht, the Netherlands: Springer. ss. 52–160.
3. http://www.energyfromthorium.com/pdf/WASH-1222.pdf
4. ORNL's Molten-Salt Reactor Program (1958-1976) - energyfromthorium.com. Viitattu 1.11.2015. (englanti)
5. https://www.youtube.com/watch?v=knofNX7HCbg
6. http://www.gtk.fi/_system/print.html?from=/geologia/luonnonvarat/uraani/malmista_ydinpolttoaineeksi.html (Arkistoitu – Internet Archive)