Ydinreaktori

Ydinreaktori on tekninen laite, jolla tuotetaan ja ylläpidetään ydinreaktioita.

Ydinfissio-reaktoreita käytetään varsinkin sähköntuotantoon ydinvoimaloissa. Muita käyttökohteita ovat muun muassa tutkimus, säteilyn tuottaminen (esimerkiksi sädehoitoon), isotooppien valmistaminen (mm. lääketieteen käyttöön), toimiminen kulkuneuvon (laiva tai sukellusvene) voimanlähteenä.

Ydinfuusio-reaktoreita ei ole toistaiseksi operatiivisessa käytössä, mutta toimivia koereaktoreita on tehty.

Historia
Siviiliydintekniikan juuret ovat sotilastarkoituksiin kehitetyssä tekniikassa. 1950-luvun ydinaseiden kehitysprojektien tuloksena tarvittiin väkevöityä uraania ja plutoniumia, jonka tuotantoon ensimmäiset reaktorit rakennettiin.Viite?

Siviilikäytön ydinreaktoreiden kehitykseen vaikutti eniten Yhdysvaltain ydinsukellusveneohjelma, jonka tavoitteena oli kehittää kompakti reaktori sukellusveneiden toiminta-ajan pidentämiseen. Tämän ohjelman aikana kehitetyt kiehutus- ja painevesireaktorit tarvitsivat väkevöityä uraania, jota Yhdysvalloilla oli käytössään riittävästi kiitos sotilastarkoituksiin rakennetun väkevöintikapasiteetin. Kapasiteetti riittikin aina 1970-luvulle, jolloin vuoden 1970 Almelon sopimuksen perusteella avattiin Alankomaissa uusi väkevöintilaitos.

Yhdysvallat kielsi kuitenkin väkevöidyn uraanin viennin vuoteen 1956 asti. Tämän vuoksi Ranska ja Britannia kehittivät aluksi kaasujäähdytteiset reaktorit, jotka voivat käyttää polttoaineenaan luonnonuraania. Brittiläinen Magnox-malli on edelleen käytössä. Ensimmäinen brittiläinen kaupallinen laitos tuotti myös plutoniumia aseteollisuuden tarpeisiin. Ranskassa viimeiset kaasujäähdytteiset reaktorit suljettiin 1994. Niiden kehitystyö keskeytettiin jo 1969 painevesireaktorien hyväksi.

Kanada seurasi omia polkujaan, koska sillä oli käytössään toisen maailmansodan aikaisen aseohjelman aikainen kapasiteetti raskaan veden tuotantoon. Kanadan reaktori hyödynsi raskasta vettä ja luonnonuraania.

Neuvostoliitossa kehitettiin kaksi erityyppistä siviilireaktoria vuodesta 1954 lähtien. Ensimmäinen RBMK tai niin sanottu Tšernobyl-tyyppi on omanlainen mallinsa ja toinen samankaltainen kuin Yhdysvaltain painevesireaktori. NL:n ensimmäinen painevesireaktori otettiin käyttöön 1964.

Ydinvoimareaktori
Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tehtävänä on tuottaa lämpöä ydinpolttoaineesta. Tämä tapahtuu ylläpitämällä, säätämällä ja valvomalla reaktorissa tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen (tavallisesti uraanin) atomien fissio tuottaa lämpöä.

Voimalaitosreaktorit ovat yleisimmin kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä. Lisäksi paineistettuja raskasvesireaktoreita on rakennettu etenkin Kanadassa ja Intiassa.

Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä 3–5 vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä reaktorityypeissä (mm. CANDU ja RBMK), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.

Reaktorin säätö
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii kolmea asiaa:


 * väkevöityä ydinpolttoainetta, joka reagoi
 * neutroneja, jotka aiheuttavat fissiot
 * hidastinainetta, joka jarruttaa neutroneja niin etteivät ne karkaa reaktorista aiheuttamatta fissiota.

Tätä voi verrata tulisijaan, jossa tarvitaan polttoainetta, kuumuutta ja happea tulen ylläpitämiseksi. Jos yksikin menetetään, reaktio ei kykene jatkumaan.

Kevytvesireaktori on suunniteltu siten, että sen toimiessa nämä kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Täten reaktorin teho voidaan valita vapaasti suunnitellulta tehoalueelta ja ydinvoimalan energiantuotantoa voidaan säätää kulutuksen mukaisesti. Toisaalta reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää noin sekunnin.

Kevytvesireaktorin luonteeseen kuuluu, että se on itsestään, fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta vakaa. Vaikka operaattori tai automatiikka ei hallitsisi reaktoria, syystä tai toisesta tapahtuva ketjureaktion kiihtyminen johtaisi lämpötilan nousuun, joka aiheuttaisi lämpölaajenemista polttoaineessa ja höyrystymistä hidastinaineena toimivassa vedessä. Koska ketjureaktio pysyy käynnissä vain juuri ja juuri, nämä riittävät hillitsemään reaktion. Tästä syystä kevytvesireaktorin ketjureaktion on fysikaalisesti mahdotonta ”karata käsistä”.

Reaktorityypit
Ydinreaktoreita voidaan jaotella monella eri tavalla. Yksi tapa on käyttötarkoituksen mukaan tutkimusreaktoreihin, lääketieteellisiin reaktoreihin, isotooppien tuotantoreaktoreihin, voimalaitosreaktoreihin, laivareaktoreihin, avaruusreaktoreihin jne. Toinen tapa on neutronien nopeuden mukaan hitaisiin ja nopeisiin reaktoreihin. Suurimmassa osassa reaktoreita fissioissa syntyviä neutroneita täytyy jarruttaa hidastinaineella, etteivät liian monet karkaa reaktorista synnyttämättä uusia fissioita. Nopeissa reaktoreissa hidastamista ei tehdä, vaan reaktion jatkuminen varmistetaan muuten, esimerkiksi käyttämällä väkevämpää polttoainetta. Kolmas tapa jaotella reaktoreita onkin hidastinaineen mukaan lähinnä kevytvesireaktoreihin, raskasvesireaktoreihin ja grafiittihidasteisiin reaktoreihin. Neljäs tapa jaotella reaktoreita on jäähdytyksen mukaan muun muassa kaasujäähdytteisiin ja kiehutus- ja painevesireaktoreihin. Suurin osa maailman voimalaitosreaktoreita on kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä.

Tässä reaktorit on luokiteltu hidastinaineen mukaan.

Kevytvesireaktorit
Ydinvoimareaktorien selkeä pääosa on kevytvesireaktoreita. Varsinkin uusissa voimalaitoksissa miltei kaikissa on kevytvesireaktori, joita on kahta tyyppiä:
 * painevesireaktori
 * kiehutusvesireaktori (BWR)

Grafiittihidasteiset reaktorit
Lähinnä Britanniassa käytetään kaasujäähdytteisiä, grafiittihidasteisia reaktoreita. RBMK-reaktori on vesijäähdytteinen grafiittihidasteinen reaktori, jota käytetään lähinnä Venäjällä. RBMK on surullisenkuuluisa Tšernobylin onnettomuusreaktorina. RBMK:ssa on useita vain sille tyypillisiä suunnittelupuutteita, jotka osaltaan mahdollistivat onnettomuuden. Esimerkiksi toisin kuin kevytvesireaktorit, se ei ole kaikilla tehoalueilla luonnostaan vakaa, mikä Tšernobylissä mahdollisti onnettomuuden käynnistäneen nopean tehopiikin.
 * kaasujäähdytteinen reaktori (GCR)
 * grafiittihidasteinen vesijäähdytteinen kanavareaktori (RBMK)
 * nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori (LMR), käytetään usein hyötöreaktoreissa

Raskasvesireaktorit
Kanadassa kehitetty CANDU voi käyttää luonnonuraania polttoaineenaan, joten uraanin väkevöintiä ei vaadita. Toisaalta reaktori tarvitsee miltei yhtä vaikeasti valmistettavaa raskasta vettä. CANDUn polttoainetta voi vaihtaa reaktorin käytön aikana, mikä tekee ydinaineiden valvonnasta kevytvesireaktoreita hankalampaa.
 * paineistettu raskasvesireaktori (CANDU)

Kehittyneet reaktorit
Maailmalla tutkitaan eräitä edistyksellisiä reaktorityyppejä, joita ei vielä ole laajalti käytössä. Pisimmällä ollaan nopean hyötöreaktorin kehityksessä. Niitä on ollut sähköntuotantokäytössä muun muassa Japanissa sekä Ranskassa ja Venäjällä tuottaa energiaa tälläkin hetkellä hyötöreaktori. Hyötöreaktorin suurin etu on polttoainetaloudellinen: reaktori voi tuottaa toisesta halvasta, yleisestä ja muuten ydinreaktioon sopimattomasta aineesta kuten U-238 isotoopista ydinreaktioon sopivaa fissiiliä ainetta kuten esimerkiksi Pu-239-isotooppia transmutaatioon, seurauksena. Lisäksi vaikutusala eli hajoamistodennäköisyys, myös U-238 kaltaiselle nuklidille on suurempi kuin esimerkiksi kevytvesireaktorissa.
 * nopea hyötöreaktori
 * neljännen sukupolven reaktori
 * fuusioreaktori

Nopeassa reaktorissa ei käytetä hidastinainetta. Fuusioreaktorin toiminta perustuu fission sijasta fuusioon.

Ydinreaktorisukupolvet
Ydinreaktorisukupolvi-jottelua käytetään ydinvoimassa.

Ensimmäinen, toinen ja kolmas sukupolvi
Toisen sukupolven voidaan laskea alkaneen 1970-luvun alussa kevytvesireaktoreiden ja niiden vaatiman polttoaineen väkevöimisteknologian kehittymisen myötä. 1980-luvulla ja 1990-luvun alussa rakennetut toisen sukupolven kevytvesireaktorit muodostavat ylivoimaisen enemmistön käytössä olevista reaktoreista.

Kolmannen sukupolven reaktorit ovat hyväksyttyjä ja jo käytössä olevia laitoksia, jotka hyödyntävät kehityksen uusinta antia. Suurimmat edistysaskeleet on otettu odotetun käyttöiän kasvattamisessa noin 40:stä 60 vuoteen ja turvallisuudessa, erityisesti vakavien tapaturmien seurausten vähentämisessä.

Neljännen sukupolven reaktorit
Neljännen sukupolven reaktorit ovat tutkimuksen alla. Vaikka niitä ei odoteta saatavan kaupalliseen käyttöön ennen vuotta 2030, niiden tutkimukseen panostetaan, sillä fuusiovoiman ei odoteta olevan hyödynnettävissä ennen vuosisadan puoliväliä. Tekniikaltaan ja toimintaperiaatteiltaan tutkimuksen kohteena on monia eri tyyppejä, mutta yleisesti voidaan sanoa seuraavaa

Erityisiä odotuksia uudelta tekniikalta

 * uusien polttoaineiden saaminen hyödynnettäviksi (suurempi osa luonnonuraanista, torium)
 * uraanivarantojen riittävyyden parantaminen ja sitä myötä ydinvoiman elinkaaren pidentäminen yleisesti
 * polttoaineen uudelleenkierrätys reaktorissa
 * lopullisen jätteen radioaktiivisuuden, sen puoliintumisajan, lämmöntuoton sekä kokonaismäärän pienentäminen
 * niin sanottujen korkean lämpötilan reaktorien lämmön samanaikainen hyödyntäminen muuhunkin kuin sähkön tuottoon

Tekniikan asettamia vaatimuksia ja ongelmia

 * käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelylaitoksien rakentaminen
 * paljon korkeampi säteilytaso monissa polttoainekierron osavaiheissa, joissa myös ihmisiä työskentelemässä

Vuonna 2001 perustettiin valtioiden välinen yhteistoimintaelin Generation IV International Forum (GIF) koordinoimaan seuraavan sukupolven ydintekniikan kehitystä jasenmaissa. Vuonna 2009 jäseninä oli 12 maata ynnä Euroopan atomienergiayhteisö Euratom.

Reaktorityypit

 * Erittäin kuuma reaktori
 * Ylikriittisellä vedellä jäähdytetty reaktori
 * Sulasuolareaktori

Hyötöreaktorit

 * Kaasulla jäähdytetty nopea reaktori
 * Natriumilla jäähdytetty nopea reaktori
 * Sulalla metallilla jäähdytetty hyötöreaktori
 * Lyijyllä jäähdytetty nopea reaktori

Katso myös

 * Ydinvoima

Lähteet

 * Choppin et al.: Principles of Nuclear Power, 19. luku