Radioaktiivinen ihmeaine tuottaa tehokkaasti energiaa

2030-luvulla torium ja sula suola tuottavat lähes idioottivarmasti ydinsähköä. Uusien reaktoreiden hyötysuhde on erittäin hyvä, ja radioaktiivista jätettä syntyy vähän.

2030-luvulla torium ja sula suola tuottavat lähes idioottivarmasti ydinsähköä. Uusien reaktoreiden hyötysuhde on erittäin hyvä, ja radioaktiivista jätettä syntyy vähän.

Shutterstock

Lämpötila ja paine nousevat reaktoriastiassa.

Yleensä tässä tilanteessa hälytyskellot pärähtävät soimaan ja varoitusvalot alkavat vilkkua ydinvoimalan valvomossa ja työntekijät kiirehtivät hillitsemään ketjureaktioita, jotta reaktoriastia ei räjähdä rikki.

Nyt eletään kuitenkin 2030-lukua, eikä muutos hetkauta valvojia lainkaan.

Uusi sulasuolareaktori vaimentaa radioaktiivista hajoamista ja laskee lämpötilaa omia aikojaan.

Valvojat eivät panikoi edes siinä tapauksessa, että laitoksesta katkeavat sähköt – niin kuin tapahtui japanilaisessa Fukushiman ydinvoimalassa maanjäristyksen ja siitä seuranneen tsunamin seurauksena.

Reaktoriastian kuuma suola sulattaa sulkutulpan ja valuu suuriin maanalaisiin varastosäiliöihin. Niissä suola leviää niin paljon, että sen sisältämän ydinpolttoaineen ketjureaktiot pysähtyvät.

Sulasuolareaktoriin kohdistuu paljon odotuksia. Jos se lunastaa ne, käyttöön saadaan varmatoimista ydinvoimatekniikkaa, joka tuottaa sähköä tehokkaasti.

Reaktoriin syötetään toriumia

Kehitteillä olevassa ydinreaktorityypissä voidaan käyttää polttoaineena toriumia, joka taas tarjoaa melkein ehtymättömän energialähteen. Torium itse ei hajoa, mutta siitä syntyy reaktorissa neutronisäteilyn vaikutuksesta hajoavaa uraani-233:a.

Sulasuolareaktori polttaa toriumia äärimmäisen tehokkaasti verrattuna siihen, että nykyään ydinvoimaloissa palaa uraanista parhaimmillaankin vain 6,5 prosenttia.

Koska uudet reaktorit hyödyntävät kaiken toriumin energian, polttoaineen tarve jää pieneksi.

9,4 tonnia toriumia tarvitaan, kun tuotetaan Suomessa vuonna 2015 kulutettu määrä sähköä (82,5 terawattituntia). Samaan päästään 2350 tonnilla uraania.

Tyypillinen 1 000 megawatin ydinvoimala kuluttaa vuodessa 35 tonnia rikastettua uraania. Tämän määrän väkevöinti vaatii 250 tonnia raakauraania. Yhtä paljon sähköä tuottava sulasuolareaktori tarvitsee vain tonnin toriumia, jota ei edes tarvitse rikastaa. Niinpä radioaktiivista jätettä syntyy vähän.

Plussaa on sekin, että jäännöstuotteiden radioaktiivisuus laskee merkittävästi jo 300 vuodessa. Nykyisiä runsasaktiivisia ydinjätteitä pitää säilyttää 100 000 vuotta loppusijoituspaikoissa.

Toriumia esiintyy maankuoressa 3–4 kertaa niin paljon kuin uraania. Koska toriumia kuluu vähemmän, esiintymät riittävät pitkälle tulevaisuuteen. Sen sijaan uraanista tulee pulaa parissa sadassa vuodessa.

© De Agostini Picture Library/Getty Images

Torium voidaan puristaa rakeiksi

  • Toriumia on monatsiittimineraalissa.
  • Puhtaassa muodossa torium on hopeanvalkoinen metalli.
  • Toriumoksidista puristettuja rakeita aiotaan testata uudessa intialaisreaktorissa ja norjalaisessa koelaitoksessa.

Käytössä jo nykyvoimaloissakin

Torium, jota esiintyy luonnossa monatsiittimineraalissa, on puhtaana heikohkosti sätei­levä hopeanvalkoinen metalli. Sitä on löydetty kaikista maanosista. Kiinnostus toriumin hyödyntämiseen energiantuotannossa on luonnollisesti suurinta niissä maissa, joissa sitä on tarjolla suhteellisen runsaasti.

Norjassa, jonka toriumvarat tiedetään suuriksi, Thor Energy-yritys kehittää yhdessä Haldenin energiatekniikan tutkimus­laitoksen kanssa keraamisia polttoainesauvoja, joiden ansiosta toriumia on mahdollista hyödyntää nykyisissä ydinvoimaloissa muuttamatta niitä mitenkään.

Tarkoitusta varten sekoitetaan yhteen toriumia ja uraania tai plutoniumia, jotta saadaan ketjureaktio, jossa toriumista syntyy uraania. Neutronit muuttavat toriumia isotoopiksi 233.

Torium-233 hajoaa nopeasti protaktinium-233:ksi, joka puolestaan ha­joaa uraani-233:ksi. Radioaktiivinen hajoaminen pitää yllä jatkuvaa ketjureaktiota.

Nykyään

Toriumia lisätään ydinpolttoaineeseen

Norjalaisyritys Thor Energy kehittää polttoainesauvoja, jotka sisältävät sekä uraania että toriumia.

Intia, jonka alueella on neljänneksi eniten toriumia, panostaa voimakkaasti vaihto­ehtoiseen ydinpolttoaineeseen. Maassa on toiminut vuodesta 1996 koereaktori, joka polttaa toisessa reaktorissa neutronisäteilyn avulla toriumista tuotettavaa uraani-233:a.

Intian uuden, kymmenen megawatin, tutkimusvoimalan on sen sijaan määrä tuottaa sähköä ensi­sijaisesti plutoniumilla, mutta reaktoriydintä ympäröi toriumvaippa, josta saadaan neutroneilla pommittamalla uraani-233:a täydentäväksi polttoaineeksi.

Lisäksi Intia yrittää saada jo ensi vuosikymmenellä käyntiin 300 megawatin voimalan, joka polttaa toriumin, uraanin ja plutoniumin seosta. Tavoitteena on, että 60 prosenttia energiasta tulee toriumoksidirakeista. Intia tähtää siihen, että vuoteen 2050 mennessä toriumilla tyydytetään kolmasosa koko maan sähköntarpeesta.

© Shutterstock

Torium kuuluu neljännen polven ydinreaktoriin.

1. Sukupolvi

Koemallit aloittivat ydinsähkön tuotannon
1950-luku: Polttoainetta ympäröi grafiitti. Reaktorityyppi joutui huonoon valoon, kun Englannissa grafiitti syttyi tuleen ja syntyi radioaktiivinen päästö.

2. Sukupolvi

Nykyvoimaloissa käytetään kevytvesireaktoreita
Nykyään: Reaktoriastia on täynnä vettä, joka hidastaa fissiossa vapautuvia neutroneja. Vesi kuumenee, ja saadaan höyryä, joka pyörittää turbiinia.

3. Sukupolvi

Radioaktiivisen päästön riski pienenee
2020: Olkiluoto 3:sta on määrä tulla maailman turvallisin ydin-voimala. Reaktoriastiaa ympäröi 2,6 metriä paksu betonikuori, jota ei voi rikkoa lentämällä sitä päin.

4. Sukupolvi

Käyttövoimaksi torium ja käytetty ydinpolttoaine
2030 Erittäin korkean lämpö-tilan reaktoreilla voidaan alkaa tuottaa edullista sähköä jo ensi vuosikymmenen lopulla. Sula-suolareaktori, joka käy toriumilla ja käytetyllä ydinpolttoaineella, pienentää radioaktiivisten päästöjen riskin minimiin.

Intialaisten kehittäessä kiinteällä polttoaineella toimivaa toriumvoimalaa kiinalaiset ovat suunnitelleet vielä edistyksellisempää sulasuolareaktoria – ja päässeet sen kehitystyössä jo melko pitkälle.

Kiinalaisen kymmenen megawatin koevoimalan pitäisi valmistua 2022. Se käynnistetään hajoavalla uraanilla, mutta sen toimintaa pitää yllä toriumvaippa, josta neutronisäteilyn avulla saadaan hajoavaa uraani-233:a.

Syntyvää uraania siirtyy reaktoriastiaan sitä mukaa kuin alkuperäistä polttoainetta kuluu. Siksi reaktori toimii käynnistyksen jälkeen yksinomaan toriumin varassa.

Kiinassa on vireillä myös hanke, joka tähtää vuonna 2030 rakennettavaan 100 megawatin pilottivoimalaan. Sen on tarkoitus valmistella kaupallisen sulasuolareaktorin tulemista ja toriumsähköön siirtymistä.

Suuronnettomuusriski minimiin

Toriumiin perustuvassa ydinvoima­lassa polttoaineena käytetään uraani-233:a, joka on liuennut litium- ja berylliumfluoridista koostuvaan sulaan suolaan.

Suolaseos on kemiallisesti erittäin vakaata, eikä se kärsi neutronisäteilystä. Suola ei myöskään voi syttyä palamaan eikä räjähtää. Reaktorin käyttölämpötila on 700 astetta, ja suola alkaa kiehua vasta 1 400 asteessa.

Jo ennen kuin suola kuumenee vaarallisesti, se laajenee. Silloin uraaniatomien välinen etäisyys kasvaa ydinreaktioita haittaavan pitkäksi. Niinpä radioaktiivinen hajoaminen hidastuu, lämpö­tila laskee ja suola supistuu.

Sulasuolareaktori toimii siis itsesäätöisen termostaatin tapaan. Siinä kuumenemisprosessi ei voi riistäytyä hallinnasta niin kuin esimerkiksi Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa. Myöskään polttoaine ei voi sulaa katastrofaalisin seurauksin, koska se on valmiiksi nestemäisessä olomuodossa normaalinkin toiminnan aikana.

Sähköä sulasuolavoimala tuottaa samalla periaatteella kuin tavallinen ydinvoimala. Syntyvä lämpö saadaan siirretyksi lämmönvaihtimen avulla kaasuun, joka pyörittää sähkögeneraattoriin yhdistettyä turbiinia.

10 vuoden päästä

Sulasuolareaktori pitää huolta itsestään

Sulasuolareaktorissa toriumista syntyy jatkuvasti hajoavaa uraani-233:a. Reaktorityyppi on myös sikäli itsesäätöinen, että se ikään kuin termostaatin tavoin katkaisee sellaisen kriittisen lämmönnousun, jollainen aiheutti katastrofin Tšernobylin ydinvoimalassa 1986.

Reaktorin sisällöstä ¾ on sulaa suolaa. Jos ketjureaktiot yltyvät liikaa, suola kuumenee ja laajenee. Silloin uraaniatomien väli pitenee, ja radioaktiivinen hajoaminen alkaa vaimentua. Lämpötila kääntyy laskuun, suola supistuu ja reaktorin toiminta normalisoituu.

Sähköä jauhetaan ydinjätteestä

Toriumilla käyvässä sulasuolareaktorissa ei synny aineita, jotka säteilevät voimakkaasti hyvin pitkään. Jäljelle jäävää ydinjätettä täytyy säilyttää turvallisesti 300 vuotta.

Sinä aikana sen radioaktiivisuus laskee turvalliselle tasolle. Sen sijaan käytetty ydinpolttoaine on aluksi niin runsasaktiivista, että sitä käsittelevät kauko-ohjauksiset robotit.

Ydinjätehuollon näkökulmasta tarkasteltuna sulasuolareaktori tarjoaa vielä yhden merkittävän edun. Siinä voidaan polttaa sitä uraani-235:tä, joka jää yli, kun nykyiset ydinvoimalat ovat käyttäneet polttoaine­sauvansa loppuun.

Parhaassakin tapauksessa uraani-235:stä on hyödynnetty vain 6,5 prosenttia. Polttoainesauvoissa ei kuitenkaan ole enää niin paljon hajoavaa uraania, että ketjureaktiot jatkuisivat varmasti.

Kaikki hajoava materiaali saadaan hyötykäyttöön, kun ydinjätettä käytetään sulasuolareaktorin polttoaineena. Teknisesti ydinjätteen polttoon tarkoitettu sulasuolavoimala on yksinkertaisempi kuin toriumvoimala.

Reaktoriastia ei nimittäin tarvitse toriumvaippaa, jota pommitetaan neutroneilla. Riittää, että ydinjäte liuotetaan sulaan suolaan, joka toimii reaktorissa myös lämmönvälitysaineena.

1 000 megawatin sulasuolareaktori käyttää vain tonnin luonnon toriumia vuodessa, kun taas tavallisessa ydinvoimalassa kuluu 35 tonnia rikastettua uraania. Jätemäärässä ja jätteen vaarallisuudessa onkin eroa.

© Claus Lunau

Polttoaine: Uraani

Tyypillinen ydinreaktori tarvitsee 250 tonnia raakauraania vuodessa (oranssit kuutiot). Ennen polttoa siitä tehdään 35 tonnia rikastettua uraania (keltaiset kuutiot, josta 3–5 % on käyttökelpoista uraani-235:tä. Loput on uraani-238:aa.

© Claus Lunau

Poltto: Uraani

Uraani-235 jää osittain polttamatta. Osa hajoamattomasta uraani-238:sta muuttuu hajoavaksi plutonium-239:ksi, jota ei myöskään voida hyödyntää poltossa kokonaan.

© Claus Lunau

Jäte: Uraani

Voimala tuottaa 35 tonnia ydinjätettä. Käytettyjä polttoainesauvoja pitää säilyttää loppusijoituspaikassa 100 000 vuotta.

© Claus Lunau

Polttoaine: Torium

Sulasuolareaktori tarvitsee tonnin toriumia vuodessa (vihreä kuutio). Hankalaa rikastusta ei tarvita, sillä polttoaine kelpaa väkevöimättömänä.

© Claus Lunau

Poltto: Torium

Toriumista syntyy hajoavaa uraani-233:a, ja se palaa kokonaan. Ydinjätteen kokonaismäärä on tonni hajoamistuotteita. Ne ovat radioaktiivisia atomeja, jotka ovat liian pieniä hajotettaviksi.

© Claus Lunau

Jäte: Torium

83 prosenttia runsasaktiivisesta jätteestä hajoaa säteilemättömiksi aineiksi jo kymmenessä vuodessa. 17 % vaatii 300 vuoden varastoinnin. Plutonium, jota syntyy 100 grammaa, käytetään uudestaan.

Syöpyminen kuriin keramiikalla

Vaikka sulasuolareaktori on vieläkin aika lailla vision asteella, se on vanha keksintö. Ideaa testattiin jo 1960-luvulla yhdysvaltalaisessa Oak Ridgen ydinvoimalassa.

Koereaktori ei tuottanut pettymystä, mutta se paljasti tekniikan haavoittuvuuden. Sula suola sai metalliosat syöpymään rikki.

Nikkeliseoksesta valmistetut putket ja reaktori­astia kestivät vain nelisen vuotta. Se on lyhyt aika, kun otetaan huomioon, että ydinvoimalan käyttöiän pitää olla vähintään 30–40 vuotta. Sulasuolareaktorin kehittäjät etsivätkin hyviä vaihtoehtoja metalleille.

Tavoitteena on löytää materiaaleja, jotka sietävät kuumaa suolaa ja säteilyä. Erityisen lupaavana pidetään piikarbidia eli hiilipiitä, joka on piin ja hiilen keraaminen yhdiste.

Suomi on ydinjätehuollon edelläkävijä

Eurajoen Olkiluotoon suunnitellun ydinjätteen loppusijoitusluolaston rakennushankkeessa ollaan jo hyvin pitkällä. Ideana on varastoida runsasaktiivinen ydinjäte geologisesti vakaaseen kallioperään noin puolen kilometrin syvyyteen.

äytetyt polttoainesauvat jätetään sinne, ja seuraavien 100 000 vuoden aikana radioaktiivisuus laskee tasolle, joka vastaa kallion normaalia säteilyä. Ruotsi on päätynyt samaan ratkaisuun Forsmarkissa. Kumpikin loppusijoituspaikka otetaan käyttöön ensi vuosikymmenellä.

USA:ssa on tarkoitus aloittaa 2048 ydinjätteen varastointi Yuccavuoreen Nevadassa.

Ydinhauta sijaitsee 500 metriä maanpinnan alla

/ 3

Kuparikapseli estää vuodot

Käytetyt polttoainesauvat sijoitetaan tunnelien kuiluihin loppusijoitussäiliöissä, jotka valmistetaan kuparista.

1

Savi sinetöi

Loppusijoitusluolan täyteaineena käytetään savea, joka paisuu kastuessaan ja lukitsee säiliön tiukasti paikalleen. Jos kapseli syöpyy ja alkaa vuotaa jossain vaiheessa, savi estää saastumista. Radioaktiiviset aineet pääsevät kulkemaan saven läpi vain hyvin hitaasti jos lainkaan.

2

Maan uumenissa

Ydinhauta, joka koostuu 500 metrin syvyydessä sijaitsevista vaakatunneleista, ei vaikuta pohjaveteen, jota esiintyy paljon lähempänä maanpintaa.

3
© Posiva Oy

Ennen pitkää

Käytetty ydinpolttoaine otetaan hyötykäyttöön

Eri puolilla maailmaa on väliaikaisissa varastoissa 350 000 tonnia runsasaktiivista ydinjätettä. Sulasuolareaktorit voivat vähentää sen määrää.

Nykyiset ydinvoimalat polttavat parhaimmillaankin vain 6,5 % polttoainesauvojen hajoavasta uraani-235:stä. Käytön jälkeen polttoainetta ei kannata hyödyntää.

Sulasuolareaktori sen sijaan pystyy käyttämään hyväksi kaikki käytetyn polttoaineen hajoavat aineet, eikä sen tuottamaa radioaktiivista jätettä tarvitse varastoida kuin joitakin satoja vuosia.

Sulasuolareaktoreista on kuitenkin turha odottaa nopeaa ratkaisua ydinjäteongelmaan. Yhdysvaltalaisen Flibe Energyn mukaan pitäisi avata 93 vuoden ajan joka päivä yksi 100 megawatin sulasuolavoimala, jotta jo olemassa olevista ydinjätteistä päästäisiin eroon.

On siis selvää, että niille tarvitaan loppusijoituspaikkoja.

Ydinjätevarastojen pelätään olevan mm. luonnonmullistusten armoilla.

© Thomas Imo/Getty Images