Ydinvoima

Ydinvoima eli ydinenergia (vanhahtavasti atomivoima eli atomienergia) on energiantuotantoa, joka perustuu atomiytimien sidosenergian vapautumiseen fissio- tai fuusioreaktiossa tai muissa ydinreaktioissa, kuten radioaktiivisessa hajoamisessa. Ydinvoiman tuotannossa osa ydinpolttoaineen atomien massasta muuttuu energiaksi, joten ydinpolttoaineen energiasisältö on tavanomaisiin polttoaineisiin verrattuna hyvin suuri. Vapautuneen energian määrää voidaan ilmaista Albert Einsteinin löytämällä massan ja energian ekvivalenssin määräävällä yhtälöllä E = mc². Fissioreaktiossa atomeita halkaistaan ja fuusioreaktiossa atomeita yhdistetään. Ydinvoima perustuu vahvaan vuorovaikutukseen fissio- ja fuusiovoimien tapauksessa ja heikkoon vuorovaikutukseen radioaktiivisuuden käytössä energianlähteenä.
Ydinvoimalla katetaan noin 10,3 prosenttia maailman sähköntuotannosta ja 4,4 prosenttia primäärienergiasta (vuonna 2017). Fissiovoimaloiden hiilidioksidipäästöt ovat alhaiset, mutta fissiovoimalat tuottavat radioaktiivista ydinjätettä, jonka loppusijoituksesta tai kierrätyksestä tulee huolehtia. Fuusiovoimalat ovat tutkimuksen alaisena ja koevoimala ITER sijaitsee Cadarachessa, Ranskassa. Fuusiovoiman ei uskota olevan valmista kaupalliseen käyttöön ennen vuotta 2050.

Ydinvoiman muodot

Ydinvoimaa hyödynnetään pääasiassa sähköntuotantoon ydinvoimalaitoksissa ja ydinkäyttöisillä aluksilla. Ydinvoimaa käytetään jossain määrin myös muun muassa avaruudessa, majakoissa, vedenpuhdistuksessa ja tutkimuksessa. Suurin osa ydinvoimasta on sähkön tuotantoa ydinreaktorilla. Reaktorissa hallittu fissioketjureaktio tuottaa lämpöä, jolla kiehutetaan vettä. Höyry johdetaan turbiiniin, joka muuttaa lämpöenergian liike-energiaksi, jonka generaattori muuttaa edelleen sähköenergiaksi. Tämä on ydinvoimalaitosten ja ydinkäyttöisten laivojen ydinreaktorien toimintatapa. Harvinaisempaa on radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvän energian hyödyntäminen muun muassa avaruusluotaimissa. Hallitulla fuusioreaktiolla ei toistaiseksi ole tuotettu energiaa, mutta ydinfuusio saattaa tulevaisuudessa muodostua tärkeäksi energianlähteeksi.

Radioaktiivisuus energianlähteenä

Radioaktiivisuuden käyttö energianlähteenä perustuu heikkoon vuorovaikutukseen. Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuvaa energiaa voidaan hyödyntää laitteissa, jotka kuluttavat suhteellisen vähän energiaa. Radioaktiivisuuteen perustuva isotooppiparisto (RTG) on vakaa ja pitkäikäinen voimanlähde syrjäisiin tai muuten eristettyihin järjestelmiin. Tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat majakat, avaruusluotaimet ja satelliitit, aiemmin myös sydämentahdistimet. Hyvin pienet määrät radioaktiivista ainetta riittävät myös antamaan energiaa itsevalaiseviin pintoihin joissain pimeässä näkyvissä kylteissä sekä mittaristojen, kompassien tai kellojen viisareissa yms. Luonnossa radioaktiivinen hajoaminen on maan sisäisen lämmön lähde ja siten muun muassa tulivuorten ja kuumien lähteiden voimanlähde. Tätä kautta radioaktiivista hajoamista hyödynnetään geotermisessä energiassa esimerkiksi Islannissa ja Japanissa.

Rakenteilla ja suunnitteilla olevat ydinvoimalat

Eduskunta antoi vuonna 2002 TVO:lle luvan rakentaa kolmas ydinvoimalaitosyksikkö Olkiluotoon. Rakentaminen alkoi vuonna 2005. Alun perin yksikkö oli tarkoitus ottaa käyttöön vuonna 2009, mutta projekti on pahasti viivästynyt, ja voimala valmistunee vasta vuonna 2020. Uusi laitos on tekniikaltaan ns. kolmannen sukupolven kevytvesireaktori ja malliltaan eurooppalainen painevesireaktori eli EPR. Voimala tulee olemaan sähköteholtaan (1600 MW) maailman suurin yksikkö. Laitoksen höyryturbiini on maailman suurin höyryturbiini. Uuden voimalan toimittaa ranskalais-saksalainen Areva–Siemens-konsortio. Rakennusprojektin aikana on raportoitu huomattava määrä laatu- ja toimintopoikkeamia, joiden johdosta hankkeen toteutusaikataulu on viivästynyt. Merkittävimmät ongelmat on kirjattu Säteilyturvakeskuksen uutisiin.
Eduskunta päätti 1. heinäkuuta 2010 myöntää luvat vielä kahden uuden ydin­voimalan rakentamiseksi. Näistäkin luvista toinen myönnettiin TVO:lle, joka aikoi rakentaa Olkiluotoon vielä yhden ydin­voimala­yksikön. Edus­kunta myönsi luvan Olkiluoto 4:lle äänin 120-72, mutta TVO perui projektin vuonna 2015 . Toinen lupa myönnettiin uudelle tulokkaalle, vuonna 2007 perustetulle Fennovoimalle, äänin 121-71. Uusi ydin­voimala rakennetaan Pyhä­joelle.

Ympäristövaikutukset ja turvallisuus

Ydinvoimalan toiminta ei tuota suoria hiilidioksidipäästöjä, mutta ydinvoimalan rakentaminen, uraanin tuotanto ja rikastus sekä jätehuolto aiheuttavat päästöjä. Ydinvoiman koko elinkaaren kasvihuonekaasujen päästöt ovat noin 12 grammaa hiilidioksidiekvivalenttia yhtä tuotettua kilowattituntia kohti. Tämä on Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin IPCC:n useiden eri tutkimusten perusteella laskema mediaaniarvo. Ydinvoiman elinkaaren päästöt ovat samaa luokkaa kuin tuulivoimalla (11 g/kWh) mutta paljon pienemmät kuin hiilivoimalla (820 g/kWh) ja maakaasulla (490 g/kWh). IPCC luokitteleekin ydinvoiman, kuten myös uusiutuvat energiamuodot, vähäpäästöiseksi energiaksi.
Hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli IPCC toteaa vuoden 2007 raportissaan, että fossiilisten polttoaineiden osuuden pieneneminen maailman energiantuotannossa reilun 30 vuoden takaisesta 86 prosentista 81 prosenttiin vuonna 2004 "johtuu pääasiassa ydinvoiman käytön lisäämisestä" IPCC:n mukaan ydinvoimateknologia voi energiatehokkuuden, uusiutuvien energiamuotojen, hiilidioksidin talteenoton ja monen muun teknologian ohella olla merkittävässä roolissa ilmastonmuutoksen hillinnässä. IPCC:n arvioiden mukaan ydinvoiman osuus maailman sähköntuotannosta voisi nousta vuoden 2005 16 prosentista 18 prosenttiin vuonna 2030. Kansainvälinen energiajärjestö IEA:n arvion mukaan ydinvoimalla voisi vuoteen 2030 vähentää yli kolme prosenttia maailman energiantuotannon päästöjä verrattuna perusuraan. Merkittävinä haasteina ydinvoiman lisärakennukselle ovat kuitenkin muun muassa turvallisuuskysymykset, ydinjätteen käsittely ja kustannukset.
Merkittävimmät ydinvoimalaitoksen välittömät haittavaikutukset ovat kaikille lämpövoimalaitoksille yhteisiä, eivätkä ne koske erityisesti ydinvoimalaitoksia. Näistä ydinvoiman tapauksessa huomattavin on lauhduttimen jäähdytykseen käytetyn meriveden lämpeneminen. Mereen palatessaan se lämmittää vesistöjä ja saattaa aiheuttaa paikallisia ekosysteemimuutoksia suosien paikallisesti lämpimän alueen lajeja kylmän alueen lajien kustannuksella. Muita vaikutuksia ovat muun muassa paikallinen melu ja liikenne laitosalueelle.
Ydinvoima aiheuttaa muiden energiantuotantotapojen tapaan myös välillisiä haittavaikutuksia. Esimerkiksi uraanikaivoksilla saattavat aiheuttaa paikallisia ympäristöongelmia ja työtapaturmia sekä työperäisiä sairauksia. Kokonaisuutena tarkasteltuna kuitenkin koko ydinpolttoainekierto aiheuttaa vähemmän ympäristövaikutuksia ja henkilövahinkoja suhteessa tuotettuun energiaan kuin fossiilisten polttoaineiden käyttö ja monet uusiutuvat energianlähteet. Osittain tämä johtuu energiantuotannossa tarvittavan uraanin hyvin pienistä määristä, jolloin kaivostoimintakin on verrattain pienimuotoista. Suhteessa tuotettuun energiaan hiilikaivosten aiheuttamat haitat ovat moninkertaisia verrattuna uraanikaivoksiin.

Ydinvoiman tulevaisuus

Ydinvoiman kehitystyö jatkuu aktiivisena ympäri maailman. Ydinvoimalle etsitään jatkuvasti uusia sovelluskohteita ja olemassa olevaa tekniikkaa parannetaan. Toisaalta myös uusia ydinenergiamuotoja tutkitaan. Ydinvoiman käytön hyväksyttävyyteen vaikuttavat toisaalta ydinvoimaan kriittisesti suhtautuvien ihmisten huolet ydinvoiman haitoista ja toisaalta myönteisesti suhtautuvien painottamat edut. Ydinvoimakeskustelu jatkunee siis aktiivisena tulevaisuudessakin.
Kasvava energiantarve ja Kioton ilmastosopimus on saanut monet maat rakentamaan tai suunnittelemaan lisäydinvoiman rakentamista, ja kasvanutta kysyntää varten on lisättävä uraanintuotantoa. Uraanin riittävyys ydinenergian tarpeisiin riippuu siitä, miten paljon ydinvoiman tuotanto kasvaa ja mitä teknologiaa uusi ydinvoima tulee hyödyntämään. Koska uraania on kallioperässä runsaasti, uraanin riittävyys sinänsä ei muodosta teknistä estettä ydinvoiman käytön laajallekaan lisäämiselle (ks. artikkeli uraanin esiintyminen).
Ympäristötoimittaja Rob Edwards on esittänyt, että uraanin kysynnän kasvu voi johtaa uraanintuotannon lisääntymiseen erityisesti kehitysmaissa. Tämä saattaisi pahentaa kaivostoiminnan ympäristövaikutuksia, koska kehitysmaiden ympäristönormit ovat heikompia ja niiden valvominen on kehittynyttä maailmaa tehottomampaa. Toistaiseksi kuitenkin suurin osa maailman uraanintuotannosta on pysynyt kehittyneissä maissa. Erityisesti Kanada ja Australia ovat lisänneet tuotantoaan, ja yhdessä ne tuottivat vuonna 2005 enemmän uraania kuin kaikki muut tuottajamaat yhteensä.
Ydinvoiman määrän tämänhetkistä kehitystä käsitellään edellä osiossa ydinvoiman käyttö.

Pieni modulaarinen reaktori

Suurten ydinvoimaloiden rakennusprojektien viivästymisten takia on alettu harkita pienempien reaktoreiden rakentamista. Alle 300 megawatin pieniä modulaarisia ydinreaktoreita (SMR, Small Modular Reactor) voitaisiin rakentaa sarjatuotantona tehtaassa ja kuljettaa laitospaikalle kokonaisina moduuleina. Tämä voisi nopeuttaa rakentamista ja alentaa kustannuksia. Pienemmän tehon ansiosta pienreaktori voisi olla helpompi rakentaa turvalliseksi passiivisilla jäähdytysjärjestelmillä. Pienreaktoreita voitaisiin käyttää myös kaukolämmön tuotantoon. Pienreaktoreita ei ole vielä kaupallisesti saatavilla, mutta prototyyppejä on rakenteilla muun muassa Kiinassa. Suomessa pienreaktorit nousivat laajaan julkiseen keskusteluun vuonna 2017, kun Helsingissä, Espoossa, Kirkkonummella ja Nurmijärvellä tehtiin valtuustoaloitteet, joissa vaadittiin selvitystä pienreaktorien mahdollisuuksista sähkön ja kaukolämmön tuotannossa fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi.

Hyötöreaktori

Hyötöreaktorit, jotka tuottavat uutta ydinpolttoainetta toimiessaan, voivat käyttää uraani-235:n (0,7 prosenttia maankuoren uraanista) lisäksi myös uraani-238:a (99,3 prosenttia maankuoren uraanista). Hyötöreaktoreissa voidaan uraanin lisäksi ydinpolttoaineena hyödyntää mahdollisesti huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi toriumin käyttö ei ole ollut kannattavaa, koska uraania on saatavilla edullisesti, mutta tulevaisuudessa toriumilla voidaan mahdollisesti kasvattaa saatavilla olevan ydinpolttoaineen riittävyyttä. Koereaktorikokeita on tehty ympäri maailman, mutta teollisessa käytössä hyötöreaktoritekniikka on tällä hetkellä ainoastaan Venäjällä.
Kasvavan kysynnän aiheuttama uraanin hinnan nousu voi johtaa hyötöreaktorien kehityksen nopeutumiseen, koska ne käyttävät uraania nykyisiä reaktoreita tehokkaammin. Hyötöreaktorien polttoaineeseen liittyy kuitenkin muun muassa ydinaseiden leviämiseen liittyviä riskejä, ja MIT:n tekemän tutkimuksen mukaan ei ole odotettavissa, että uudet reaktori- ja polttoaineteknologiat pystyisivät yhtä aikaa vastaamaan kustannuksiin, turvallisuuteen, ydinjätteisiin ja ydinaseiden leviämiseen liittyviin riskeihin. Se suositteleekin nykyisen teknologian käyttämistä myös tulevina vuosikymmeninä.

Kiihdytinreaktori

Eräs ydinreaktoreiden kehityssuunta on kiihdytinreaktori eli ADS (Accelerator Driven Systems). ADS saattaa muodostua merkittäväksi tavaksi hävittää pitkäikäisiä radioaktiivisia aineita ja tehdä samalla sähköä. Samaan pystyvät jossain määrin myös hyötöreaktorit. Tällä käsittelyllä käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus putoaa tuhannen vuoden kuluessa alle luonnonuraanin aktiivisuuden. Nykyisin geologinen loppusijoitus on yleisesti parhaana pidetty mutta silti erittäin kiistelty käytetyn polttoaineen ydinjätehuollon vaihtoehto. Hyötöreaktoreilla tai kiihdytinvoimaloilla voitaisiin myös parantaa polttoaineiden saatavuutta huomattavasti, sillä ne pystyvät käyttämään uraanin ja toriumin kaikki luonnossa esiintyvät isotoopit hyödyksi. Yksi hyötöreaktoritekniikan kehitysalueista on niiden polttoainekierron kehittäminen sellaiseksi, ettei ydinaseisiin kelpaavia materiaaleja syntyisi.