Tutkimusreaktori

Tutkimusreaktori on ydinreaktori, jota ei käytetä sähkön tai lämmön tuottamiseen. Sen teho on tavallisesti selvästi alle sadasosan tavallisen ydinreaktorin tehosta. Tutkimusreaktoria käytetään muun muassa neutronien tuottamiseen. Neutroneja tarvitaan radioaktiivisten aineiden valmistamiseen. Tutkimusreaktorit käyttivät polttoaineena myös korkearikasteista uraania, jonka rikastusaste on 20–93 %. Nykyisin näitä on muutettu takaisin matalampiväkevöintiin alle 20 %.
Suomessa on toiminut yksi tutkimusreaktori, FiR 1 (Finland Reactor 1) Espoon Otaniemessä. Lämpöteholtaan 250 kilowatin reaktori käynnistettiin 1962 ja sammutettiin pysyvästi 2015. Sitä käytettiin tutkimuksen lisäksi koulutukseen, radioaktiivisten isotooppien tuotantoon ja syöpien sädehoitoon. Reaktori oli aluksi Teknillisen korkeakoulun ja vuodesta 1971 Teknologian tutkimuskeskus VTT:n omistuksessa.

Otaniemen tutkimusreaktori FiR 1

FiR 1 oli Suomen ensimmäinen ydinreaktori. Se sijaitsi Espoossa Aalto-yliopiston Otaniemen kampusalueella osoitteessa Otakaari 3. Reaktorilla on tuotettu radioisotooppeja mm. teollisuusmittausten käyttöön. Aktivointianalyysillä (näytteen aktivoiminen neutronisäteilyllä tiettyjen alkuaineiden pitoisuuksien määrittämiseksi) on tutkittu geologisia ja biologisia näytteitä sekä erilaisten materiaalien ja prosessiliuosten epäpuhtauksia. Reaktorilla on tutkittu myös laitteiden säteilynkestävyyttä: mm. ITER-fuusioreaktorin magneettikentän mittausantureita on säteilytetty reaktorilla. Yliopiston opiskelijat ovat tehneet tutkimusreaktorilla harjoitustöitä. 2000-luvulla reaktorin merkittävin toimintamuoto oli erityisesti kaulan ja pään alueen syöpiä sairastaville annettu boorineutronisädehoito (BNCT, Boron Neutron Capture Therapy).

Tekniikka

FiR 1 oli yhdysvaltalaisen General Atomicsin valmistama TRIGA  Mark II -tyyppinen reaktori . TRIGA on lyhenne sanoista Training, Research, Isotopes, General Atomics. TRIGA-reaktoreita on rakennettu yhteensä 66 kappaletta 24 eri maahan. 
Reaktorin alkuperäinen lämpöteho oli 100 kilowattia, ja reaktoria jäähdytettiin juoksuttamalla vesijohtovettä lämmönvaihtimen kautta viemäriin. Vuonna 1967 reaktorin teho nostettiin 250 kilowattiin ja samalla jäähdytysjärjestelmä uusittiin ottamalla käyttöön haihduttavat jäähdytystornit. Lämpöä ei käytetty hyödyksi, koska reaktoria käytettiin vain muutamia tunteja päivässä. Reaktorin jälkilämpö oli niin vähäistä, ettei aktiivista jäähdytystä tarvittu, kun reaktori oli sammutettu. 
Reaktorin sydän oli noin 6 metriä syvän, ylhäältä avoimen vesialtaan pohjalla . Vesi toimi jäähdytteenä, neutronien hidastimena ja säteilysuojana. Uraania sisältävän sydämen halkaisija oli noin 44 cm ja korkeus noin 36 cm. Uraania sydämessä oli noin 15 kg. 
Reaktorissa oli 79 polttoainesauvaa. Polttoaineen materiaali oli uraani-zirkonium hydridi (UZrH). Polttoaineen uraanipitoisuus oli 8–12 % ja väkevöintiaste eli uraani-235 isotoopin osuus 20 %. Sydämen ylä- ja alapuolella ja ympärillä oli grafiittiheijastin, jonka tarkoituksena oli sirottaa osa reaktorisydämestä ulospäin suuntautuvista neutroneista takaisin reaktorisydämeen. Reaktoriallas oli ympäröity betonista rakennetulla biologisella suojalla, joka toimi reaktorin säteilysuojana sivusuunnassa. Reaktorissa oli neljä boorikarbidista tehtyä säätösauvaa . 
Polttoainemateriaalin eli uraani-zirkonium hydridin ominaisuus on voimakas negatiivinen takaisinkytkentä lämpötilan ja reaktiivisuuden välillä. Tämän ansiosta ketjureaktion karkaaminen hallitsemattomasti on fysikaalisesti mahdotonta.  Voimakkaan takaisinkytkennän ansiosta reaktorilla voitiin ”ampua” tehopulsseja. Siinä säätösauva ammuttiin paineilmalla pois sydämestä, jolloin reaktorin teho nousi tuhatkertaiseksi eli 250 megawattiin. Tämä nosti polttoaineen lämpötilaa, ja reaktiivisuuden ja lämpötilan negatiivinen takaisinkytkentä pysäytti ketjureaktion itsestään. Tehopulssi kesti vain 30 millisekuntia.

Historia

Sopimus tutkimusreaktorin hankkimiseksi allekirjoitettiin 1960. Reaktorin hankkimisen puuhamiehinä olivat Pekka Jauho, Erkki Laurila ja Heikki Lehtonen. Hankkeessa tähdättiin ydinvoimalan saamiseen Suomeen. Tutkimusreaktori tarvittiin, jotta pystyttiin kouluttamaan henkilökuntaa Loviisaan ja Olkiluotoon.
Reaktori käynnistettiin 1962. Vuonna 1967 sen teho korotettiin 100 kilowatista 250 kilowattiin. Reaktori oli aluksi Teknillisen korkeakoulun hallinnassa. Vuonna 1971 valtioneuvosto siirsi sen Teknologian tutkimuskeskus VTT:lle. Tontin ja rakennuksen omistaa nykyään Aalto-Yliopistokiinteistöt Oy.
Reaktorin yhteyteen rakennettiin BNCT-säteilytysasema, jolla annettiin sädehoitoa yli 200 syöpäpotilaalle vuosina 1999–2011. Hoidon tulokset olivat hyviä. Boorineutronikaappaushoito toimii siten, että potilaan suoneen ruiskutetaan boorin kantaja-ainetta, jolloin boori hakeutuu syöpäkasvaimeen. Tämän jälkeen kasvaimen alueelle suunnataan neutronisäteilyä. Kun neutroni osuu syöpäkasvaimessa olevaan booriatomiin, atomi halkeaa, jolloin paikallisesti muodostuu suuri säteilyannos ja syöpäsolut tuhoutuvat. Hoito säästää tervettä kudosta. Tutkimusreaktorin sulkemisen takia HUS on hankkimassa uutta, hiukkaskiihdyttimeen perustuvaa BNCT-hoitoasemaa, jonka on tarkoitus käynnistyä vuonna 2019.
BNCT-syöpähoidoista vastannut yritys Boneca Oy ajautui konkurssiin tammikuussa 2012. Sen jälkeen VTT päätti sulkea reaktorin, koska sen ylläpito maksoi noin 400 000 euroa vuodessa. Reaktori sammutettiin pysyvästi vuonna 2015 poistamalla sydämestä useita polttoainesauvoja.

Purkaminen

Reaktorin käytön lopettamisen jälkeen laitokselta poistetaan ensin ydinpolttoaine. Tämän jälkeen, vuosina 2019–2022 puretaan muut radioaktiiviset osat (reaktorisydän sisäosineen, reaktoriallas, betonista tehty biologinen suoja, BNCT-asema ja jäähdytysjärjestelmän primääripiiri). Käytetty ydinpolttoaine ja pääosa reaktorisydämestä ovat korkea-aktiivista jätettä. Muut radioaktiiviset purku- ja huoltojätteet luokitellaan matala- ja keskiaktiivisiksi ydinjätteiksi. Tavoitteena on rajoittaa purkutöistä aiheutuva työntekijöiden kollektiivinen säteilyannos alle 10 millimansievertiin. Reaktorirakennus puhdistetaan niin, että sen jatkokäytölle ei ole rajoituksia.
Reaktorilla on yhteensä 103 kappaletta käytettyjä polttoainesauvoja, ja niissä on uraania yhteensä 21,4 kg. Reaktori kulutti hyvin vähän polttoainetta, koska sen teho oli niin pieni ja sitä käytettiin vain muutamia tunteja päivässä. Osa polttoainesauvoista on ollut reaktorissa koko sen 53-vuotisen käytön ajan. Käytetty polttoaine ei vaadi jäähdytystä, koska sen jälkilämpöteho on niin pieni. Käytetyn polttoaineen lisäksi varastossa on 24 käyttämätöntä polttoainesauvaa, joissa on uraania yhteensä 5,7 kg.
Ydinpolttoaine on yhdysvaltalaista alkuperää ja kuluu Yhdysvaltojen energiaministeriön käytetyn polttoaineen palautusohjelman piiriin. Ohjelman tarkoituksena on ydinmateriaalien leviämisen estäminen. VTT aikoo palauttaa käytetyn polttoaineen Idaho National Laboratorylle Yhdysvaltoihin. Toisena vaihtoehtona on loppusijoitus Olkiluotoon yhteistyössä Posivan kanssa. Ydinenergialaki kieltää ydinjätteen viennin pois Suomesta. Laissa on kuitenkin poikkeus, jonka mukaan kielto ei koske tutkimusreaktorin ydinjätteitä.
Reaktorin purkamisesta syntyvän matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen määräksi arvioidaan 100 m³ (140 tonnia), josta pääosa on betonia. Purkujäte aiotaan kuljettaa Loviisan tai Olkiluodon matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoitusluolaan.
FiR 1 on ensimmäinen purettava ydinlaitos Suomessa . Tutkimusreaktorin purusta saatavia oppeja aiotaan käyttää ydinvoimalaitosten käytöstäpoiston valmisteluun. Vuonna 2018 hallitus päätti myöntää VTT:lle 13,5 miljoonan euron erityisavustuksen tutkimusreaktorin purkamiseen.