Jonakin päivänä 2030-luvun alussa aasialaisen suurkaupungin hiilisatamaan voi lipua 285 metriä pitkä proomu. Sen korvaa hiilen, jota sukupolvien ajan on rahdattu satamasta voimalaitosten polttoaineeksi.
Vielä muutama vuosikymmen aiemmin hiilivoimaloiden ilmansaasteet tärvelivät kaupungin asukkaiden terveyden ja happamat sateet pilasivat ympäröivän luonnon.
Sittemmin hiilivoimaloiden rikki- ja typpioksidipäästöt on opittu poistamaan suodattimilla, mutta kaupungin hiilidioksidipäästöt ovat lisääntyneet rajusti sitä mukaa kuin asukasluku ja energiankulutus ovat kasvaneet.
Proomun luvataan tuovan loppu päästöille. Se sisältää kahdeksan pientä ydinreaktoria, joiden on määrä tuottaa miljoonakaupungin tarvitsema sähkö yhdessä rannikolle rakennettavien tuulivoimaloiden ja katoille asennettavien aurinkokennojen kanssa.
Ydinvoimalla päästötöntä sähköä suurkaupunkeihin.
Proomussa kulkevilla ydinvoimaloilla on tarkoitus korvata sähkö, joka on aikaisemmin tuotettu hiilivoimalla. Kahdeksalla pienoisvoimalalla voidaan tyydyttää sähköntarve ilman hiilidioksidipäästöjä 12 vuoden ajan. Sinä aikana sähkön tuottaminen hiilivoimalla 1,6 miljoonaan kotitalouteen aiheuttaisi 67,2 miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöt.
Kelluvien ydinvoimaloiden avulla kaupungin sähköntuotanto voidaan periaatteessa muuttaa päästöttömäksi kertaheitolla, kun voima kytketään sähköverkkoon ja hiilivoimalat suljetaan. Kun ydinvoimala on lautalla, sitä varten ei tarvita rakennusmaata eikä isoja rakennelmia.
Tanskalaisyhtiö haluaa levittää ydinvoimaa
Tanskassa ei ole ydinvoimaloita, mutta pienoisydinvoimaloita kehittää nimenomaan tanskalainen yritys Seaborg Technologies. Sen suunnitelmissa on rakentaa tuhansia rahtikonttiin sopivia ydinreaktoreita, joita voidaan kuljettaa rekalla, junalla tai laivalla.
Reaktorit on määrä tankata Etelä-Koreassa uraanipolttoaineella ja asentaa ne turbiinien ja sähkögeneraattorien kanssa proomuihin. Sitten voimalat voidaan hinata suurkaupunkeihin, jotka useimmiten sijaitsevat rannikolla tai joen varrella.
Seaborg kaavailee kelluvia voimaloita eri kokoisten kaupunkien tarpeisiin. Voimalassa voi olla kaksi, neljä, kuusi tai kahdeksan reaktoria.
Seaborg on tietysti voittoa tavoitteleva liikeyritys, mutta yhtiö haluaa painottaa, että sen päämääränä on nopeasti vähentää maailman kasvihuonekaasupäästöjä uudentyyppisellä ydinvoimalalla, joka kehittäjiensä mukaan on joustavampi ja turvallisempi kuin tavanomaiset mallit. Aluksi yhtiön suunnitelmissa on Aasian hiilivoimaloiden korvaaminen.
Suolaliuoksella lisätehoa irti uraanista
Nykyisissä ydinvoimaloissa käytetään polttoaineena kiinteää uraaniin 235-isotooppia. Sen energiasta saadaan hyötykäyttöön vain kuusi prosenttia. Sen jälkeen polttoainesauvoissa on niin vähän halkeavaa uraania, että sen käyttö ei enää kannata.
Lisäksi reaktorissa polttoainesauvoihin syntyy neutronipommituksen seurauksena halkeamia, jotka lyhentävät niiden käyttöikää.
Näitä heikkouksia ei ole Seaborgin pienoisreaktoreissa. Ne ovat niin sanottuja sulasuolareaktoreita, joissa polttoaine eli uraani on liuotettu sulaan fluorisuolaan. Suola ei vahingoitu neutronipommituksessa, eikä polttoainetta tarvitse poistaa reaktorista ennen kuin uraani on käytetty lähes loppuun. Siksi ydinjätettä syntyy vain vähän. Sitä ei myöskään voi käyttää ydinaseisiin.
Minireaktorien polttoaineena on sulaan fluorisuolaan sekoitettu uraani. Käytön aikana suolan lämpötila 700 astetta.
Ensimmäiset sulasuolareaktorit kehitettiin jo 1960-luvulla, mutta tekniikka jäi silloin kevytvesireaktorien varjoon. Kiinteää polttoainetta käyttävät kevytvesireaktorit tuottivat sähkön lisäksi plutoniumia, jotka suurvallat käyttivät ydinaseiden valmistamiseen.
Reaktori mahtuu pieneen tilaan
Seaborgin reaktorit eivät kuitenkaan ole vanhan tekniikan uusinta. Sen reaktorien erikoisuus on äärimmäisen pieni koko.
Kun sulassa suolassa oleva uraani-235-atomi hajoaa, vapautuu 2–3 neutronia, jotka voivat käynnistää uusia fissioreaktioita muissa uraaniatomeissa. Vapautuvat neutronit liikkuvat kuitenkin niin nopeasti, että niitä pitää hidastaa, jotta ne ehtivät käynnistää uusia fissioreaktioita eivätkä karkaa reaktorista.
Neutroneita jarrutetaan hidastinaineella. Perinteisesti sulasuolareaktoreissa hidastinaineena on käytetty grafiittia. Grafiittia tarvitaan kuitenkin monen metrin paksuinen muuri, jotta se hidastaisi neutroneja tarpeeksi. Siksi tavanomaiset reaktorit ovat suurikokoisia.
Seaborgin reaktorissa polttoainesuola kiertää reaktorisäiliössä putkistossa. Putkien ympärillä kiertää toista nestemäistä suolaa, natriumhydroksidia, joka hidastaa neutroneja.
Kaksi suolaa mahdollistaa pienen koon
1. Suola kiertää reaktorissa
Polttoainesuolan (vihreä) ympärillä on hidastinsuolaa (keltainen). Kun polttoainesuola kuumenee, se pumpataan lämminvaihtimien (oik.) läpi, jolloin sen lämpö kuumentaa vettä. Vesihöyry pyörittää turbiinia, joka pyörittää sähköä tuottavaa generaattoria.
2. Suolassa käynnistyy ketjureaktio
Ydinreaktorissa syntyy energiaa, kun uraani-235-atomit halkeavat. Samalla vapautuu neutroneja. Kun ne törmäävät toisiin uraani-235-atomeihin, nekin halkeavat. Kun uraani-235:n ytimeen osuu neutroni, se muuttuu epävakaaksi uraani-236:ksi.
3. Uraanin halkeaminen tuottaa energiaa
Epävakaa uraani-236-atomi halkeaa kahtia, ja samalla vapautuu energiaa. Lisäksi hajoamisessa vapautuu 2–3 neutronia, jotka liikkuvat niin kovaa vauhtia, että ne eivät ehdi halkaista uusia uraaniatomeja.
4. Hidastinsuola pysäyttää neutronit
Hidastimena käytetty suola jarruttaa neutroneja niin, että ne ehtivät käynnistää uusia uraaniatomin halkeamisia. Hidastinsuolaa tarvitaan muutama sentti. Tavanomaisissa ydinreaktoreissa on hidasteena metrien paksuinen kerros grafiittia.
Hidastinsuolaa testattiin äskettäin Isis-hiukkaskiihdyttimessä Oxfordin lähellä Englannissa. Testi osoitti, että jo muutaman sentin paksuinen suolakerros jarruttaa neutroneja tehokkaasti. Siksi hidastinsuolan ansiosta reaktorista voidaan tehdä niin pieni, että se mahtuu rahtikonttiin.
Sulasuolatekniikan heikko kohta on se, että suola syövyttää metallista reaktorisäiliötä ja putkistoja. Tavallinen ruostumaton teräs ei ole ratkaisu, vaan reaktoria varten pitää kehittää metalliseoksia, jotka kestävät suolaa pitkiä aikoja.
Seaborg aikoo myös muuttaa polttoainesuolan kemiallista koostumusta niin, että sen syövyttävyys vähenee. Tavoitteena on, että reaktoreja voidaan käyttää 12 vuotta.
Minireaktorin sydän ei sula
Sulasuolareaktoreja kuvataan turvallisiksi. Suola ei pala eikä räjähdä. Myöskään niin sanottu reaktorisydämen sulaminen ei ole mahdollista, koska polttoaine on normaalistikin sulassa muodossa.
Sulasuolareaktorissa on myös erillinen tehokas turvaratkaisu. Reaktorisäiliön alla olevassa putkessa on tulppana suolapaakku, joka pidetään jäässä sähköllä toimivalla pakastinlaitteella.
Jos reaktorin sähkönsaanti lakkaa esimerkiksi luonnonmullistuksen seurauksena, reaktorin 700-asteinen suola sulattaa jäätyneen suolatulpan, jolloin polttoainesuola alkaa valua reaktorin alla olevaan umpisäiliöön. Näin uraaniatomit leviävät niin laajalle alueelle, että ydinreaktiot pysähtyvät itsestään.
Suola antaa turvaa
Sulasuolareaktorissa on monta turvamekanismia. Polttoainesuola ei voi palaa eikä räjähtää, ja jos reaktorista menisivät sähköt, suola valuu automaattisesti pois reaktorista ja ydinreaktio pysähtyy.
1. Reaktorisydän ei voi sulaa
Reaktorisydämen sulaminen, joka aiheutti muun muassa Tshernobylin ja Fukushiman ydinvoimalaonnettomuudet, ei ole mahdollista sulasuolareaktorissa. Polttoainesuola on nestemäistä jo normaalissa käytössä eli 700 asteen lämpötilassa.
2. Sähkökatkos sulattaa pohjatulpan
Fukushiman onnettomuus syntyi, kun maanjäristys ja tsunami katkaisivat reaktorin sähkönsaannin. Jos niin kävisi sulasuolareaktorissa, reaktorin alla oleva jäätynyt suolatulppa sulaisi, kun pakastuslaite lakkaisi toimimasta.
3. Ydinreaktio pysähtyy
Kun pohjatulppa sulaa, polttoainesuola valuu reaktorista alla olevaan isoon umpisäiliöön. Säiliössä uraaniatomit hajoavat niin kauas toisistaan, että ydinreaktori ei pysy enää käynnissä.
Pahin uhka olisi sota tai terrori-isku, jossa voimalaan osuu pommi ja radioaktiivinen polttoaine leviää ilmaan ja vesistöihin. Tässäkin suhteessa sulasuolareaktori on turvallinen.
Kun polttoainesuolan lämpötila laskee alle 400 asteen, se jähmettyy kiveksi. Silloin ei ole vaaraa, että se leviäisi tuulen mukana ja saastuttaisi laajoja alueita.
”Saastuminen koskisi vain reaktorin lähintä ympäristöä, ja radioaktiivinen kivi voidaan poistaa, kun asiantuntijoilla on oikeat turvavarusteet. Tietysti se on kallista ja hankalaa, mutta se on hoidettavissa”, sanoo Troels Schönfeldt, joka on Seaborgin toimitusjohtaja ja yksi perustajista.
Voimalaproomu kestää 24 vuotta
Seaborgin ensimmäisen sähköverkkoon liitettävän koevoimalan on määrä olla valmis vuonna 2026. Voimaloiden sarjatuotannon pitäisi alkaa 2030-luvun alussa.
Pienimpiin proomuvoimaloihin on suunniteltu neljä reaktoria, jotka pannaan kukin omaan lastiruumaansa. Yhden reaktorin teho on 100 megawattia, mikä riittää tuottamaan sähkön noin 200 000 kotitalouden tarpeisiin. Reaktorit otetaan käyttöön kahdessa vaiheessa. Ensin käynnistetään kaksi, ja kun ne tulevat käyttöikänsä loppuun, asennetaan uudet reaktorit kahteen jäljellä olevaan lastiruumaan.
Seaborgs minsta pråmar levereras med två reaktorer (1), som producerar el i tolv år. Därefter sätts två nya reaktorer in i de tomma lastutrymmena (2), så att pråmens totala livslängd blir 24 år.
Voimalaproomun käyttöiäksi on suunniteltu 24 vuotta. Sitten se hinataan radioaktiivisten jätteiden käsittelylaitokseen, jossa ydinjäte otetaan talteen. Jätettä luvataan syntyvän vain vähän.
Käytön aikana reaktori on teräskuoren alla vesisäiliössä, joka pysäyttää reaktorista tulevan säteilyn. Käytöstä poistetussa reaktorissa on vain vähän erikoiskäsittelyä vaativia radioaktiivisia osia.
Reaktorerna omges av en skyddande sköld som består av tre lager, som håller tillbaka neutroner och joniserande strålning från kärnklyvningarna. Två av lagren består av vatten (1 och 2), medan det tredje är av stål (3).
Seaborgin minivoimalan reaktorisäiliö ja putkisto mahtuvat kahden 12-metrisen rahtikontin kokoiseen tilaan. Polttoainesuolaa varten tarvitaan 3-metrinen säiliö. Suolasta syntyy kahden tyyppistä radioaktiivista jätettä, jotka voidaan erottaa toisistaan linkoamalla.
Toinen radioaktiivinen jäte koostuu hajoamistuotteista, joita pitää käytön jälkeen varastoida 300 vuotta. Se on lyhyt aika verrattuna nykyisten ydinvoimaloiden jätteisiin, joita pitää varastoida 100 000 vuotta. Toinen jäte on vielä hajoamiskelpoista polttoainetta, joka voidaan käyttää uudestaan reaktorin polttoaineena.
Polttoaineena ydinjätettä
Seaborgin suunnittelemat reaktorit voivat myös vähentää olemassa olevaa ydinjätettä. Periaatteessa niissä voidaan aluksi käyttää tavanomaisten ydinvoimaloiden tuottamaa käytettyä polttoainetta, jossa on vielä jäljellä uraani-235:ttä.
Käytettyä ydinpolttoainetta maailmassa riittää. Jälleenkäsittelylaitoksissa on arviolta 400 000 tonnia vanhoja ydinpolttoainesauvoja. Ydinjäte on tavallisesti varastoitu vesisäiliöihin, joissa vesi jäähdyttää polttoainetta ja suojaa säteilyltä.
Käytetyn ydinpolttoaineen hyödyntämiseen liittyy kuitenkin rajoituksia, koska se voi sisältää plutoniumia, josta voidaan valmistaa ydinaseita. Siksi Seaborg aikoo käyttää pääosin tavallista vähän rikastettua uraanipolttoainetta.
”Aurinko ja tuuli eivät riitä. Meidän minireaktorimme voivat edistää siirtymää vihreään energiaan.” Troels Schönfeldt, Seaborgin toimitusjohtaja
Ratkaisevaa ei toimitusjohtaja Schönfeldtin mielestä kuitenkaan ole minivoimaloissa käytettävän polttoaineen laatu. Tärkeintä hänestä on se, että voimaloiden avulla voidaan vähentää hiilidioksidin ja muiden kasvihuonekaasujen päästöjä ja minimoida ilmaston lämpeneminen.
”Aurinko- ja tuulivoiman lisärakentaminen ei riitä. Ydinvoima on välttämätön osa ratkaisua, ja meidän minireaktorimme voivat oleellisesti edistää siirtymää vihreään energiaan.”