Sähköhuolto

Ydinvoima

Toimintaperiaate

Nykyaikainen ydinvoiman tuotanto perustuu uraaniatomien hajoamiseen eli fissioon. Fissioreaktorissa syntyy lämpöä, joka otetaan talteen reaktorin vesikiertopiirissä. Kiehutusvesireaktorissa vesi kiehuu (Olkiluoto 1 ja 2) ja painevesireaktorissa vesi lämpenee noin 30 astetta (Loviisa 1 ja 2 sekä Olkiluoto 3). Painevesireaktorissa lämmennyt vesi viedään höyrystimiin, jossa se vasta muutetaan höyryksi.

Kaikki kevytvesivoimalat kehittävät höyryä. Höyry paisuu ja pyörittää höyryturpiinia. Sähköä tehdään turpiinin kanssa samalla akselilla olevassa generaattorissa. Turpiinin jälkeen höyry lauhdutetaan merivesijäähdytteisissä lauhduttimissa, jonka jälkeen sama vesi pumpataan takaisin höyrystimeen (painevesireaktori) tai suoraan reaktoriin (kiehutusvesireaktori). Kiehutusvesireaktori on rakenteeltaan yksinkertaisempi, mutta sen höyrypiiri on radioaktiivinen. Painevesireaktorin toisiopiiri ei ole radioaktiivinen ja siellä voi oleskella normaalisti.

Jätelämpöä syntyy noin 60 - 70 % reaktorin tehosta, mutta sen hyödyntäminen on vaikeaa, koska ydinvoimalat täytyy turvallisuussyistä sijoittaa kauas asutuskeskuksista. Lauhdevesien takia ydinvoimalan lähivedet ovat tavallista lämpimämpiä ja se onkin ydinvoiman näkyvin ympäristöhaitta normaalituotannossa.

Ympäristökysymykset

Ydinvoimalan etuna on sen ympäristöystävällisyys normaalikäytössä. Reaktorissa ei tapahdu palamista, joten siinä ei synny savukaasuja. Rikastettu uraani on sijoitettu Zirconiumista valmistettujen polttoainesauvojen sisälle, jossa uraaniatomit halkeavat neutronisäteilyn vaikutuksesta. Reaktiossa syntyy uusia alkuaineita, jotka jäävät polttoainesauvojen sisälle. Osaksi myös jäähdytysvesi aktivoituu, mutta se puhdistetaan radioaktiivisuudesta ja käytetään uudelleen.

Käytetty polttoaine poistetaan reaktorista yleensä kolmen vuoden käytön jälkeen ja sitä säilytettään välivarastossa. Vasta vuosien kuluttua käytetty polttoaine kapseloidaan ja haudataan loppuvarastoon Olkiluodon kallioluoliin. Luontoon ei siitä tule merkittäviä haittavaikutuksia.

Ydinvoiman suurimmat ympäristöhaitat syntyvät, kun uraania louhitaan ja rikastetaan. Luonnon uraanin kaivokset sijaitsevat pääasiassa Kanadassa, Australiassa ja Venäjällä, joten suomalaiset voivat vain toivoa, että ympäristön suojelu hoidetaan kunnollisesti. Kun luonnonuraania rikastetaan eli sen U235-isotoopin pitoisuutta nostetaan noin 3 %:n tasolle, rikastuslaitoksessa syntyy suuria määriä köyhdytettyä uraania, jonka pitoisuus on luonnon uraanin (0,7 %) pitoisuuden alapuolella. Tämä on myös matala-aktiivista jätettä, joka pitää varastoida asianmukaisesti.

Turvallisuus

Ydinvoiman haittana on ydinvoimalan onnettomuusriski. Jos reaktorin jäähdytys epäonnistuu, ydinpolttoaine voi sulaa ja siellä olevat fissiotuotteet voivat vapautua luontoon. Näin tapahtui mm. Tshernobylin ydinlaitoksessa Neuvostoliitossa vuonna 1986. Tshernobylin reaktori ei kuitenkaan ole kevytvesireaktori kuten Olkiluodon ja Loviisan reaktorit vaan grafiittihidasteinen ja vesijäähdytteinen reaktori. Siinä on mahdollista, että jäähdytysveden tulon pysähtyminen aiheuttaa veden höyrystymisen ja samalla reaktorin tehon hallitsemattoman nousun.

Suomalaisissa kevytvesireaktoreissa lämpötilan nousu aiheuttaa puolestaan reaktorin tehon laskun. Lisäksi reaktorit on varustettu suojarakennuksella, joka pystyy pidättämään mahdolliset fissiotuotteet onnettomuustilanteissa. Pahin onnettomuus kevytvesireaktoreilla tapahtui Tree Mile Islandin (Harrisburg) ydinvoimalassa vuonna 1979, jolloin reaktori pääsi sulamaan, mutta ympäristöön ei päässyt mainittavia määriä säteilyä. Reaktori jäi kuitenkin käyttökelvottomaksi ja samalla menetettiin suuri määrä omaisuutta.

Olkiluoto 3:n ydinvoimala on suunniteltu kestämään myös ydinpolttoaineen sulaminen onnettomuustilanteissa. Siinä mahdollisesti sulanut uraani pystytään keräämään talteen ja jäähdyttämään. Vanhimmissa reaktoreissa vastaavaa järjestelmää ei vielä ole käytössä eikä sitä enää voida asentaakaan.

Kustannukset

Ydinvoiman rakentaminen maksaa noin 2000 eur/kW. Koska ydinvoimala tuottaa noin sähköä noin 8000 tuntia vuodessa, sen investointikustannukset ovat 250 eur/MWh vuosituotantoa kohti. Jos pitoaika on 30 vuotta ja laskentakorko 5 % saadaan ydinvoiman pääomakustannuksiksi noin 16 eur/MWh. Kun siihen lisätään käyttö- ja polttoainekustannukset 10 -12 eur/MWh päädytään ydinvoimalla kokonaiskustannuksiin 26 - 28 eur/MWh.

Tuulivoimalla päästään lähes samaan kustannustasoon, mutta erona on se, että ydinvoimasähköä saadaan tasaisesti koko vuoden. Sen vuoksi tuulivoiman laajamittainen käyttö vaatii sähkön varastointijärjestelmän olemassaolon. Tasainen tuotanto tekee ydinvoimasta merkittävimmän sähköenergian tuottajan.

Käytännössä ydinvoima ei kuitenkaan syrjäytä teollisuuden vastapainevoimaa eikä vesivoimaa pohjasähkön tuotannossa. Suomessa vastapainevoiman ja vesivoiman markkinaosuudet ovat noin 15 % molemmilla. Tämän vuoksi ydinvoiman osuus voi nousta optimistisessa tapauksessa noin 40 % tasolle Suomen sähköntuotannosta. Loput 30 % tehdään lämpövoimalla lauhde- ja kaukolämmitysvoimalaitoksissa.

Historiaa

Ydinvoiman kehitys alkoi ydinpommien kehittelystä toisen maailmansodan aikana. Ensimmäisen reaktorin rakensi Enrico Fermi Chigacon urheilustadionin yhteyteen 1942. Reaktori oli grafiittihidasteinen reaktori, joka oli tarkoitettu asekelpoisen plutoniumin tuotantoon. Ensimmäisen sähköä tuottavan (5 MW) ydinvoimalan rakensivat neuvostoliittolaiset Obniskiin. Ensimmäinen suurvoimala oli Calder Hall, joka rakennettiin Englantiin vuonna 1956. Kaikki olivat grafiittihidasteisia reaktoreita. Obninsk oli Tsernobyl-tyyppisten reaktorien prototyyppi, joiden päätarkoitus lienee ollut asekelpoisen plutoniumin tuotanto.

Kaikki ensimmäiset reaktorit pystyivät myös tuottamaan plutoniumia, koska niiden reaktorit pystyttiin lataamaan jatkuvasti. Nykyaikaiset kevytvesireaktorit eivät siihen käytännössä pysty, koska uraanisauvoja pidetään reaktorissa yleensä kolme vuotta, jolloin asekelpoinen plutonium muuttuu käyttökelvottomaksi. Viime vuosina, kun ydinpommeja on vähennetty, tämä on tehty tavanomaisissa reaktoreissa muuttamalla niiden uraani tai plutonium sähköksi ydinvoimalaitoksissa. Silti ydinaseita kehitetään ja rakennetaan useissa maissa lisää. Huolestuttavinta on se, että monet uusista ydinasemaista eivät ole demokraattisen hallinnon alaisia.

Suomen ensimmäinen ydinvoimala oli Loviisa 1, joka valmistui vuonna 1977. Se perustui neuvostoliittolaiseen painevesireaktoritekniikkaan ja laitos oli varustettu länsimaisilla automaatio- ja sähköjärjestelmillä sekä suojarakennuksella. Suojarakennuksen tarkoituksena on säilöä mahdollisten ydinonnettomuuksien aikana syntyvät radioaktiiviset aineet siten, että ympäristöön ei pääse säteilyä. Olkiluodon ensimmäinen yksikkö valmistui vuotta myöhemmin ja se perustui ruotsalaiseen kiehutusvesireaktoritekniikkaan.

Tulevaisuudennäkymät

Ydinvoimalaitoksia rakennetaan eniten maihin, joissa ei ole omia fossiilisia polttoaineita tai polttoaineet ovat kaukana kaivoksista ja joissa on kehittynyt tieto ja taitotaso. Esimerkiksi Suomi, Ruotsi, Japani ja Ranska ovat kaikki maita, jotka ovat sijoittaneet runsaasti ydinvoimaan. Ruotsin ydinvoimakehitys on lopetettu, kun kansanäänestyksessä Ruotsi päätti luopua ydinvoimasta. Ranskassa kehitys jatkuu ja he ovat suunnitelleet ERP ydinvoimalan, jonka prototyyppi on rakenteilla Olkiluotoon. Myös Kiinassa ja Venäjällä on rakenteilla ydinvoimalaitoksia, jotka perustuvat lähinnä venäläisen painevesireaktoritekniikkaan.

Ruotsi tuottaa asukaslukua kohti laskettuna eniten ydinsähköä maailmassa eli noin 8000 kWh/capita. Ranska on toisena ja siellä tuotetaan 6000 kWh/capita. Suomessa ja Liettuassa tuotetaan noin 4000 kWh/capita. Uusi Olkiluoto 3:n ydinvoimayksikkö tuottaa sähköä noin 13 TWh. Sen valmistumisen jälkeen Suomen ydinvoiman tuotanto nousee arvoon 6500 kWh/capita ja Ranskan kanssa samalle tasolle.

Useissa Euroopan maissa on ydinvoiman rakentaminen laissa kielletty (Saksa, Italia, Ruotsi), mutta käytössä olevia laitoksia käytetään jonkin aikaa. Ydinvoimalaitoksia poistetaan käytöstä yhtä paljon kuin uusia rakennetaan. Näin ydinvoimalla ei nykynäkemyksen mukaan ole suurta tulevaisuutta. Ydinvoiman osuus koko maailman sähköntuotannosta säilyy suunnilleen ennallaan.