Ydinvoima

1 YDINVOIMA YLEISESTI

Ydinvoiman periaate on samanlainen kuin esimerkiksi hiili- tai turvevoimalassa: reaktio (palaminen tai fissio) tuottaa lämpöä, joka saa veden höyrystymään ja kuuma höyry pyörittää turbiineja.
Fissio on reaktio, jossa atomin ydin hajoaa ja hajoamistuotteiden lisäksi siitä syntyy energiaa.

1.1 Uraanin fissioreaktio

Uraani-235:n fissioreaktion aiheuttaa neutroni, joka törmää uraanin ytimeen. Uraanin ydin halkeaa pienempiin osiin, samalla siitä vapautuu myös uusia neutroneita, jotka jatkavat törmäilyään muihin uraaniytimiin ja tällöin syntyy ketjureaktio. Samalla vapautuu myös energiaa, jota käytetään veden lämmittämiseen. /1/

1.2 Ydinvoimalaitokset

Noin ¾ maailman ydinvoimayksiköistä on joko painevesireaktoreita tai kiehutusvesireaktoreita.

Kiehutusvesireaktoreissa polttoainesauvojen tuottama lämpö siirtyy sydämen läpi virtaavaan jäähdytysveteen, joka kuumenee ja höyrystyy osittain. Paineastian yläosassa höyry erotetaan vedestä ja johdetaan höyryturbiinille. Laajeneva höyry pyörittää turbiinia ja siihen kytkettyä sähkögeneraattoria. Turbiinissa jäähtynyt höyry tiivistyy lauhduttimessa vedeksi, joka pumpataan takaisin reaktoripaineastiaan./5/

Painevesireaktorissa jäähdytysvesi ei höyrysty reaktorissa vaan vasta erityisessä höyrystimessä. /5/

1.3 Historia

Aineiden radioaktiivisuutta on tutkittu 1900-luvun alusta alkaen, jolloin ilmiö havaittiin. Mutta vasta vuonna 1939 saatiin aikaan uraanin fissioreaktio ja vuonna 1942 USA:ssa aloitti toimintansa ensimmäinen ydinreaktori. Se, kuten muutkin ensimmäiset ydinreaktorit oli rakennettu siksi, että saataisiin tuotettua plutoniumia aseteollisuuden käyttöön. /1/

Vuonna 1951 USA:ssa testattiin sähkön tuottamista ydinvoimalla ja 1954 Neuvostoliitossa käynnistettiin ensimmäinen kaupalliseen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori. /1/

1.4 Ydinvoima maailmalla

Maailmassa oli vuoden 2000 loppuun mennessä 438 toimivaa ydinvoimalaitosyksikköä 32 eri valtiossa. Kuutisenkymmentä yksikköä on myös joko rakenteilla tai suunnitteilla, suurin osa näistä hankkeista on Aasiassa ja joitain myös itäisessä Euroopassa. /2/

Koko maailman sähköntuotannosta noin 16% tuotetaan ydinvoimalla. Eniten ydinvoimaa käytetään Euroopassa, Ranskan ja Liettuan sähköntuotannosta yli 70% tuotetaan ydinvoimalla. Suomessa vastaava luku on hieman yli 30%. /2/

1.5 Ydinvoima Suomessa

Tällä hetkellä Suomessa on 4 ydinreaktoria, 2 Olkiluodossa ja 2 Loviisassa. Suomen ensimmäinen ydinreaktori Loviisa 1 käynnistettiin vuonna 1977 ja viiden vuoden kuluessa käynnistettiin 3 muuta reaktoria. /2/
Ydinvoimalat tuottavat noin 32% Suomen sähköstä. Olkiluodon sähköntuotanto oli vuonna 2000 14,1 TWh (käyttökerroin 95,6%) ja Loviisan 7,5 TWh (käyttökerroin 87,9%). /2/

2 URAANI

2.1 Yleistiedot uraanista

Uraani on raskain luonnossa esiintyvä alkuaine.

Taulukko 1: perustiedot uraanista /4/

Kemiallinen merkki	U
Järjestysluku	92
Massaluku	238,0
Tiheys	18,97 g/cm3
Tyyppi	Metalli
Sulamispiste	1132oC (1405 K)
Kiehumispiste	3818oC (4091 K)
Englanninkielinen nimi	Uranium
Saksankielinen nimi	Uran

2.2 Historia

Uraanin löysi saksalainen kemisti Martin Klaproth 1789 analysoidessaan kaivosten pikivälkettä. Uusi alkuaine nimettiin viimeksi löydetyn planeetan Uranuksen mukaan. /3/

Vuonna 1895 Wilhelm Röntgen havaitsi ensimmäisen kerran radioaktiivista säteilyä, mutta vasta Henri Becquerel yhdisti säteilyn ja uraanin. Fissioreaktiota alettiin ymmärtää vasta 1930-luvulla, kun Rutherford kehitti nykyisen atomimallin ja James Chandwik löysi neutronin. Vuonna 1933 Nils Bohr julkaisi teoriansa fissiosta eli atomiytimen halkeamisesta. /1/

Vuonna 1939 saatiin aikaiseksi ensimmäinen uraanin keinotekoinen fissio ja tästä ja muutamaa vuotta myöhemmin käynnistettiin ensimmäinen ydinreaktori, jonka tarkoituksena oli tuottaa plutoniumia aseteollisuuden käyttöön. Ydinasetta USA käytti ensimmäisen toisen maailmansodan lopulla tuhoamaan Nagasakin ja Hiroshiman kaupungit. /1/ /5/

Ensimmäinen kaupalliseen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori käynnistettiin vuonna 1954 Neuvostoliitossa. /1/

2.3 Uraanin isotoopit ja polttoainekierto

2.3.1 Isotoopit

Luonnonuraani on pääsääntöisesti isotooppia U-238. Alle prosentti uraanista on spontaanisti halkeavaa U-235:ta, jota käytetään ydinvoimaloissa. /1/

2.3.2 Kaivostoiminta ja jalostus ydinpolttoaineeksi

Suurimmat uraanintuottajat ovat Kanada, Afrikka (Niger, Namibia ja Etelä-Afrikka) ja Australia. Kaivoksella louhittu uraanimalmi puhdistetaan ja rikastetaan noin 60-70% uraania sisältäväksi uraanioksidiksi. Tämän jälkeen uraani väkevöidään, jolloin U-235:n pitoisuus nousee noin 3%:iin. Väkevöitävä uraani on kaasumaisessa muodossa, mutta väkevöinnin jälkeen se muutetaan takaisin kiinteään muotoon, uraanioksidiksi. Se puristetaan pieniksi napeiksi, jotka laitetaan polttoainesauvoihin. Tällaisessa muodossa uraani ei ole ihmiselle vaarallista eikä se pysty itsekseen kehittämään ketjureaktiota. /1/

2.3.3 Välivarastointi ja loppusijoitus

Ydinpolttoaine on reaktorissa muutaman vuoden (3-4 v) ja sen jälkeen se poistetaan reaktorista. Vain muutama prosentti uraanista on haljennut muiksi aineiksi ja noin prosentti on muuttunut plutoniumiksi. Käytetyn polttoaineen eli ydinjätteen U-235-pitoisuus on luonnonuraanin luokkaa. /1/

Käytetty ydinpolttoaine on erittäin radioaktiivista. Sen välivarastointipaikka on usein syvä vesiallas, jota jäähdytetään. Välivarastoinnin kestoksi on kaavailtu maksimissaan vain muutama kymmenen vuotta. /1/

Välivarastoinnin jälkeen ydinjäte kapseloidaan erittäin tiiviisti ja sijoitetaan siten, ettei radioaktiivinen säteily pääse aiheuttamaan vaaraa ihmisille tai ympäristölle. Ydinjätteen sijoituspaikaksi on kaavailtu kallioperää, joka onkin Suomen oloissa paras vaihtoehto. /1/

Loppusijoituspaikka on usean sadan metrin syvyydelle kallioon louhittu tunneliverkosto (Kuva 5). Ydinjäte on pakattu kaksinkertaisiin metallikapseleihin ja kapselit sijoitetaan tunnelien pohjaan porattuihin pystysuoriin reikiin. Kapselin ja reiän väli täytetään bentoniittisavella (Kuva 6). Kun yksi tunneli on täynnä, se täytetään täyteaineella. Kun loppusijoituspaikka on täynnä, kaikki sinne johtavat tunnelit suljetaan täyteaineella eikä loppusijoituspaikkaa tarvitse enää valvoa, toisin kuin välivarastointia. /1/

3 YMPÄRISTÖVAIKUTUKSET

3.1 Ydinvoiman ympäristöpäästöt

Ydinvoima on melkein saasteeton energiamuoto. Koska mitään ei polteta, ydinvoimala ei tuota kaasumaisia rikki- tai hiilidioksidipäästöjä. Radioaktiiviset päästöt ovat erittäin pieniä ja paljon alle sallittujen maksimirajojen. /6/

Ydinvoimalan vesistöjen kuormitus on myös hyvin pientä, fosforia pääsee vesistöihin lähinnä vain saniteettivesien ja pesuvesien käsittelyssä. /6/

Ydinvoimaloiden päästöjä valvotaan Suomessa erittäin tarkasti ja myös rajoitukset ovat hyvin tiukat. /6/

3.2 Ydinonnettomuudet

Suomessa ja yleensäkin länsimaissa ydinvoimaloiden turvallisuusjärjestelyt ovat erittäin kehittyneet ja varmistettu moneen kertaan. Myös inhimillisen virheen mahdollisuus on minimoitu mekaanisilla ja täysin automaattisilla turvajärjestelmillä. Voimala-alueilla on myös kulunvalvonta erittäin tehokasta eikä ylimääräiset pääse reaktorirakennuksiin.

3.2.1 Tshernobyl 1986

Tshernobylissä, nykyisen Ukrainan alueella, tapahtui historian vakavin ydinvoimalaonnettomuus vuonna 1986. Radioaktiivisia aineita levisi usean päivän ajan monen valtakunnan alueelle. Tshernobyl- laskeuma lisää vielä nykyäänkin suomalaisten säteilyannosta, mutta määrä on vain sadasosa vuosittaisesta 4 millisievertin annoksestamme. /5/

3.2.2 Three Mile Island / Harrisburg 1979

Three Mile Islandin / Harrisburgin ydinvoimalaitoksessa USA:ssa menetettiin vuonna 1979 auki juuttuneesta varoventtiilistä niin paljon jäähdytysvettä, että reaktori kuivui, ylikuumeni ja suli osittain. Radioaktiivisia aineita levisi runsaasti laitoksen sisätiloihin, mutta päästöt ympäristöön olivat vähäiset. /5/

3.2.3 Saint Laurent 1980

Saint Laurentin ydinvoimalaitoksella Ranskassa vuonna 1980 reaktorirakenteista irronnut metallilevy tukki kahden polttoainenipun jäähdytysvirtauksen. Tästä oli seurauksena vakavia polttoainevaurioita. Sen sijaan radioaktiivisten aineiden päästöjä ympäristöön ei tapahtunut. /5/

3.3 Loppusijoitus

Loppusijoituksen ympäristövaikutukset arvioidaan vähäisiksi. Kiinteä ydinjäte on pakattu korroosionkestäviin kuparikapseleihin ja haudattu syvälle seismisesti vakaaseen kallioperään. Usean sadan metrin syvyydessä pohjavesi on miltei hapetonta, joten se ei syövytä kapseleita. Pohjaveden mukana ei radioaktiivista ainetta pääse kulkeutumaan maanpinnalle, koska pohjavedessä olevat aineet jäävät rakojen pinnoille ja kallion huokosiin. /1/

Radioaktiivisen säteilyn takia ei ydinjätettä haudata näin syvälle kallioperään. Jätteestä lähtevän säteilyn pysäyttäisi jo metrin paksuinen kalliokerros. Mutta hautaaminen syvälle kallioon luo kemiallisesti ja mekaanisesti vakaat olosuhteet. Mahdollinen jääkausikaan ei pysty kalliota kuluttamaan niin syvältä. /1/

3.4 Kaivostoiminnan ympäristövaikutukset

Radioaktiivista säteilyä lukuun ottamatta uraanin kaivostoimintaa voidaan verrata mihin tahansa muuhun kaivostoimintaan ja sen päästöihin. Maanalaisten uraanikaivosten ongelmana on kallioperästä vapautuva radonkaasu, mutta sama ongelma on myös muissa maanalaisissa kaivoksissa. Nykyisin kaivosten ympäristönsuojelutoimet ovat erittäin korkealla tasolla. /1/

Vanhojen, nyt jo lopetettujen kaivosten jätekasat ovat puolestaan suurempi ongelma. Ne ovat jonkin verran radioaktiivisia eikä niitä ole suojattu mitenkään. Jotkut saattavat sijaita aivan asutuksen liepeillä, näin on mm. Virossa ja entisen Itä-Saksan alueella. Nykyisin kaivosjätteistä huolehditaan, etteivät ne pääse liukenemaan vesiin. /1/

4 LÄHDELUETTELO

1. Energia-alan Keskusliitto ry Finergy: Hyvä tietää uraanista (esite ja verkkodokumentti). Viitattu 26.11.01. Saatavissa http://www.energia.fi/finergy/hyvatietaa_uraanista.pdf
2. Energia-alan Keskusliitto ry Finergy: Ydinvoima (verkkodokumentti) Viitattu 26.11.01. Saatavissa http://www.energia.fi/ydinvoima/index.html
3. Uniterra: Uran (verkkodokumentti). Viitattu 26.11.01. Saatavissa http://www.uniterra.de/rutherford/ele092.htm
4. Technische Universität München: Tables of Element Properties (verkkodokumentti). Viitattu 26.11.01. Saatavissa http://www.physik.tu-muenchen.de/lehrstuehle/T32/matpack/html/Nuclear/Elements/properties.html
5. Ydinenergia (verkkodokumentti). viitattu 26.11.01. Saatavissa http://www.kemijarvi.fi/isokyla/irjar/oppilaat/ydinenergiahannaveltsu.html
6. Teollisuuden Voima Oy: Ympäristöraportti 2000 (esite)