Ydinpolttoainekierto

Ydinpolttoainekierto tarkoittaa ydinpolttoaineen raaka-aineiden hankinnan, valmistuksen, kuljetusten, käytön, kierrätyksen ja jätehuollon muodostamaa kokonaisuutta, joka on tarpeen ydinreaktoreiden käyttämiseksi ja ydinenergian tuottamiseksi. Vuonna 2007 Suomi toi ydinpolttoainetta Ruotsista 20 tonnia uraania ja Venäjältä 13 tonnia uraania, mikä tilavuudeltaan vastaa kolmea kuutiometriä ja riitti tuottamaan 28 % sähköstä Suomessa.
Erilaisia ydinpolttoainekiertoja on olemassa, riippuen siitä minkä tyyppisestä reaktorista on kyse. Nykyään selvästi yleisin käytössä oleva reaktori on tyypiltään ns. kevytvesireaktori (Light Water Reactor – LWR), joka käyttää ns. uraani-ydinpolttoainekiertoa (katso myös Torium-ydinpolttoainekierto ja sulasuolareaktori). Luonnonuraani on raskas, puhtaassa muodossaan lievästi radioaktiivinen metalli, jota esiintyy luonnossa varsin paljon; luonnonuraani on suurin piirtein yhtä yleistä kuin tina ja noin 500 kertaa kultaa yleisempää. Kuitenkin kevytvesireaktorissa ydinenergian tuottamiseen vaadittavaa ²³⁵U:a on luonnonuraanista vain 0,7 %, minkä vuoksi tarvitaan polttoaineen rikastamista. Loput, eli noin 99,3 % ²³⁸U:a, ei suoraan sovellu energiantuottoon kevytvesireaktorissa, joskin osa siitä muuttuu reaktorin käydessä plutoniumiksi, joka voi osallistua energiaa tuottavaan ketjureaktioon.
Ydinpolttoaineelle on tyypillistä, että hyvin pienet polttoainemäärät luovuttavat suuria määriä energiaa. Siksi ydinpolttoaineen tuotannon mittakaava ja sen vaikutukset samoin kuin loppusijoitettavien aineiden määrät ovat pieniä suhteessa tuotettuun energiaan. Ydinpolttoaineen käyttö ei synnytä useimmille muille polttoaineille tyypillisiä päästöjä, kuten rikki-, typpi- ja hiilidioksidipäästöjä. Käytetty polttoaine voidaan joko jälleenkäsittelyllä palauttaa polttoainekiertoon 95 %:sesti (vaikkakin suurin osa jälleenkäsitellystä polttoaineesta on ²³⁸U:aa, joka ei siis osallistu fissioenergiantuottoon kevytvesirektorissa) tai loppusijoittaa. Suomessa käytettyä ydinpolttoainetta ei jälleenkäsitellä, vaan se on tarkoitus loppusijoitettaa kokonaan kallioon.
Käyttämätön ydinpolttoaine uraanidioksidi UO₂ on vain lievästi radioaktiivista. Sen ²³⁵U-isotooppirikastusastejakaumua on yleensä noin 3–5 % eli noin 95–97 % ²³⁸UO₂ ja noin 3–5 % ²³⁵UO₂. Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan säteilee hyvin voimakkaasti, joten säteilysuojelutoimet ovat sen varastoinnissa ja kuljetuksessa tarpeen. Käytetystä ydinpolttoaineesta radioaktiivisen tekee ²³⁵U hajoamisen (fission) seurauksena syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet ja reaktorissa neutronikaappauksella aktivoituneet aineet.

Polttoaineen käyttö

Ydinpolttoaine, eli uraanioksidisauvat, jotka sisältävät noin 4 % ²³⁵U-isotooppia, lopun uraanin ollessa ²³⁸U-isotooppia, ladataan ydinreaktoriin, jossa se osallistuu ydinreaktioihin tyypillisesti useiden vuosien ajan. Ydinreaktiossa ydinpolttoaineen ²³⁵U-isotooppipitoisuus laskee 4 %:sta noin 0,8 % kun ²³⁵U-nuklidit hajoavat pienemmiksi ytimiksi vapauttaen energiaa. ²³⁸U-nuklidit eivät hajoa ja eivät siis tuota energiaa, mutta noin 1 % ²³⁸U-isotoopista voi absorboida neutronin ja muuttua beta-hajoamisen seurauksena ²³⁹Pu isotoopiksi. Kun ydinpolttoaineen ²³⁵U-pitoisuus on alle 0,8 %, pidetään polttoainetta käytettynä ja se poistetaan reaktorista.
Tavallisesti polttoainetta siirretään reaktorissa optimaalisen ”palamisen” aikaansaamiseksi kerran vuodessa polttoaineenvaihdon yhteydessä, jotta Fissiilien aineiden väheneminen otettaisiin huomioon reaktion säätelyssä.
Ydinvoimaloiden teho ja hyötysuhde ovat parantuneet vuosikymmenien kuluessa. Nykyisin ydinreaktorin lämpötehosta voidaan muuttaa uusimman käytössä olevan tekniikan avulla noin 37 % sähkötehoksi, lopun energian siirtyessä lämpönä mereen. Parannukset johtuvat käytettävän höyryturbiinitekniikan ja höyry/vesikierron kehityksestä sekä itse reaktorin kehityksestä. Uusi rakenteilla oleva Olkiluodon kolmas ydinvoimala tulee tuottamaan 1 600 MW tehon 32 tonnin vuotuisella polttoainekulutuksella, kun vanhempaa tekniikkaa edustavat Olkiluoto 1 ja 2 ovat tuottavat 880 MW sähkötehon noin 20 tonnin polttoainekulutuksella. Uudessa ydinvoimalassa varsinaisen polttoaineen, eli fissiokelpoisen U235:n, käyttö on siis tehokkaampaa, mutta vastaavasti myös muodostuva ydinjäte on radioaktiivisempaa.

Käytetty polttoaine

Ydinpolttoaine poistetaan reaktorista kun ²³⁵U-isotoopin osuus polttoaineesta on alle 0,8 %. Tällöin polttoaine on voimakkaasti radioaktiivista ja tuottaa suuria määriä lämpöä, joten sitä säilytetään vesialtaassa reaktorin lähellä. Vesi jäähdyttää polttoaineen ja toimii säteilysuojana. Jo muutama metri vettä riittää pysäyttämään lähes kaiken säteilyn, jota polttoaineesta lähtee. Lyhytikäiset ja siksi voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet polttoaineessa hajoavat nopeasti, jolloin säteily ja lämmöntuotanto heikkenevät. Ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen polttoaineen aktiivisuus laskee nopeasti alle sadasosaan alkuperäisestä, mutta säteilyn voimakkuus on kuitenkin lähietäisyydellä edelleen vaarallisen korkea. Käytetyn ydinpolttoaineen lämpöenergiaa ei hyödynnetä sähköenergian tuottoon.
Kun käytetyn polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily ovat vähentyneet tarpeeksi, se siirretään välivarastoon säilytettäväksi vesialtaissa. Koska ydinpolttoainetta kuluu hyvin pieniä määriä (alle 0,03 %) suhteessa tuotettuun energiaan, sen säilyttäminen ei ole teknisesti tai taloudellisesti ongelmallista. Esimerkiksi Eurajoen Olkiluodossa TVO:n ydinvoimaloiden käytetyn ydinpolttoaineen välivarasto sijaitsee meren rannassa ja se sisältää noin 1 200 tonnia korkea-aktiivista ydinjätettä varastoituna maanpäällisiin vesialtaisiin. Vesialtaiden tehtävä on kuljettaa pois jälkilämpöä ja vaimentaa polttoaineen säteily.

Kuljetukset

Käyttämätön ydinpolttoaine säteilee vain hyvin vähän eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Ydinpolttoainetta voidaan vähällä vaivalla kuljettaa suuriinkin energiantarpeisiin polttoaineen korkean energiapitoisuuden vuoksi. Rekkalastillinen ydinpolttoainetta vastaa energialtaan noin kymmentä miljoonaa hiilitonnia eli yli 100 000 hiilirekkaa. Meri-, maantie- ja laivakuljetukset ovat yleisiä.
Käytetty ydinpolttoaine on voimakkaasti säteilevää ja kehittää lämpöä vielä reaktorista poistonkin jälkeen. Tämän vuoksi säteilysuojelusta ja jäähdytyksestä on huolehdittava kuljetuksissa. Polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily vähenevät itsestään ajanoloon. Kun ne ovat noin 20 vuoden kuluessa vähentyneet tarpeeksi, polttoainetta voidaan siirrellä ja kuljettaa pitkiäkin matkoja. Vaikka säteily on heikentynyt huomattavasti, säteilysuojelutoimet ovat edelleen tarpeen polttoainetta käsiteltäessä. Kuljetuksessa käytetään tukevia terässäiliöitä, joiden seinämät ovat tarpeeksi paksut vaimentaakseen säteilyn turvalliselle tasolle. Polttoaine on edelleen olomuodoltaan kiinteää, keraamista ainetta, joten sen karkaaminen tai vuotaminen nesteiden tai kaasujen tapaan ei ole riski.
Polttoaineen ominaisuudet – kiinteä, palamaton ja liukenematon olomuoto – sekä kuljetussäiliöiden hyvä onnettomuudensietokyky tekevät paikallisen säteilyvaaran syntymisen onnettomuustilanteessa hyvin epätodennäköiseksi. Tiettävästi tällaista ei ole sattunut kertaakaan. Sen sijaan tavanomaisia liikenneonnettomuuksia käytetyn polttoaineiden kuljetusten historia tuntee. Kuljetuksiin liittyvä tavanomaisen liikenneonnettomuuden riski onkin itse asiassa huomattavasti korkeampi verrattuna ydinaineisiin liittyvään riskiin.
Polttoaineen kehittämä lämpö absorboituu kuljetussäiliön rakenteisiin ja siirtyy siitä ympäristöön. Usein kuljetussäiliöissä on lämpöenergian poistoon tarkoitettuja jäähdytysripoja.
Kuljetettavat polttoainemäärät mahtuvat pieneen tilaan ydinpolttoaineen pienen kulutuksen takia. Kokonaisen maan energiahuolto onnistuu suhteellisen vähin kuljetuksin. Esimerkiksi Japani toimittaa jälleenkäsittelyyn käytettyä ydinpolttoainetta Ranskaan – tämä onnistuu yhdellä laivalla aika-ajoin tehtävin kuljetuksin. Maailmalla tehdään silloin tällöin käytetyn polttoaineen rautatie-, maantie- ja laivakuljetuksia. Myös Suomessa on kuljetettu käytettyä polttoainetta lyhyitä matkoja maantiellä ja pidempiä matkoja junalla. Ruotsissa kuljetuksia tehdään laivalla.

Jätehuollon vaihtoehdot

Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuollolle on olemassa tai ehdotettu lukuisia erilaisia ratkaisuja. Noin 95 prosenttia käytetystä polttoaineesta voidaan kierrättää jälleenkäsittelyllä, jota tehdään muun muassa Ranskassa ja Japanissa. Muista jätehuollon vaihtoehdoista geologinen loppusijoitus on merkittävin ja kustannuksiltaan edullisin. YK:n alaisen Kansainvälisen atomienergiajärjestön, OECD:n ydinenergiajärjestö NEA:n, ja Euroopan yhteisöjen yhteinen kanta on, että
»nykyisin on olemassa menetelmiä arvioida riittävällä tarkkuudella hyvin suunnitellun loppusijoitusjärjestelmän mahdollisia pitkän aikavälin radiologisia vaikutuksia ihmisiin ja ympäristöön, ja […] että oikeanlainen turvallisuuden arviointi yhdistettynä riittävään tietotasoon ehdotetusta loppusijoituspaikasta voi tarjota teknisen perustan päättää tarjoaako tietty loppusijoitusratkaisu riittävän turvallisuustason nykyiselle ja tuleville sukupolville.» 
Vuodesta 1978 NEA on koonnut yhteen jäsenmaitaan edustavista asiantuntijoista ydinjätehuoltokomitean (Radioactive Waste Management Committee, RWMC) kehittämään ydinjätehuollon suuntaviivoja. RWMC:n mukaan alan asiantuntijoiden parissa vallitsee laaja yhteisymmärrys siitä, että loppusijoituksen suunnittelulla voidaan saavuttaa riittävä turvallisuustaso pitkälle tulevaisuuteen ja että ydinsähköstä hyötyneiden sukupolvien velvollisuus on toteuttaa ydinjätehuolto kestävällä tavalla. Asiantuntijoiden luottamus geologisen loppusijoitukseen on jäsenmaissa vahvistettu lukuisissa kansallisissa turvallisuusselvityksissä ja ympäristölupaprosesseissa. RWMC myös tunnistaa yhtä suopean suhtautumisen olevan harvinaisempaa vähemmän asiaa tuntevien parissa.
Myös YK:n Agenda 21 -ohjelmajulistuksessa kannustetaan jäsenmaita keskittymään geologisen loppusijoituksen tutkimiseen sen ympäristö- ja turvallisuusetujen vuoksi. Toistaiseksi käytetyn polttoaineen loppusijoitusta ei ole toteutettu missään, mutta loppusijoitushankkeita on käynnissä useissa maissa, muun muassa Ranskassa, Yhdysvalloissa, Saksassa, Ruotsissa ja Suomessa.
Greenpeace vastustaa ydinjätteen geologista loppusijoitusta koska järjestö esittää että ydinjätettä voisi päätyä pohjaveteen. Greenpeace vaatii jätteen säilömistä maanpäällisiin varastoihin ydinvoimaloiden yhteyteen, kunnes turvallisempi loppusijoitusratkaisu on löydetty.

Jälleenkäsittely

Ydinpolttoaineessa ”palavat” käytön aikana lähinnä tuoreen polttoaineen sisältämät fissiilit aineet. Koska polttoaine on pääasiassa ketjureaktioon osallistumatonta isotooppia U-238 ja koska osa fissiileistä aineista jää palamatta ja edelleen koska osa U-238:sta muuttuu neutronikaappauksen ja beeta-hajoamisen kautta fissiiliksi plutonium-239:ksi, on itse asiassa suurin osa käytetystä ydinpolttoaineesta mahdollista kierrättää ja käyttää uudestaan polttoaineena. Kaikkiaan yli 95 % käytetystä polttoaineesta on mahdollista palauttaa polttoainekiertoon jälleenkäsittelyllä, mikä tekee ydinpolttoainekierrosta suurimmaksi osaksi suljetun ja kutistaa entisestään käytetyn polttoaineen loppusijoitustarvetta.
Jälleenkäsittelyssä uraani ja plutonium eristetään käytetystä polttoaineesta ja jäljelle jäävä osa, noin 5 %, jää jätteeksi. Tästä pääosa on uraanin fissiotuotteita. Jälleenkäsittely alkaa polttoainesauvojen mekaanisella aukileikkaamisella. Seuraavaksi yleisimmässä Purex-prosessissa polttoaine liuotetaan nesteeseen voimakkaan typpihapon avulla. Uraani, plutonium ja fissiotuotteet erotellaan toisistaan kemiallisesti tributyylifosfaatin ja kerosiinin seoksella. Saatu uraani ja plutonium käytetään uuden ydinpolttoaineen valmistuksessa. Fissiotuotteet eristetään korkea-aktiivisena jätteenä.
Jälleenkäsittely mahdollistaa käytetyn ydinpolttoaineen 95-prosenttisen kierrätyksen. Siksi polttoainetta kierrätetään Britanniassa, Ranskassa, Venäjällä ja Japanissa, jotka jälleenkäsittelevät myös ulkomailta, muun muassa Saksasta, tuotua polttoainetta. Jälleenkäsittely tuottaa sekaoksidipolttoainetta (MOX), jossa osa polttoaineen uraanioksidista on korvattu plutoniumilla. Sekaoksidipolttoaineen käyttö on myös tärkeä osa aseistariisuntaa. MOX-polttoaineessa voidaan käyttää myös ydinaseista peräisin olevaa plutoniumia, jolloin siitä voidaan ydinpolttoaineena hävittää noin 30 % ja muuttaa loput ydinaseisiin sellaisenaan kelpaamattomaan muotoon. Ilman asemateriaalien tuhoamista on ydinaseriisuntaa on hankala varmentaa, joten aseistariisunnan osapuolet yleensä hävittävät ydinaseita nimenomaan muuttamalla niitä polttoaineeksi. Sekaoksidipolttoaineen raaka-aineet tulevat siis joko kierrätyksestä tai aseistariisunnasta.
Eräät ydinvoimaa vastustavat järjestöt esittivät vuonna 1999 vastalauseen ydinaseriisunnan toteutukselle MOX-polttoaineen käytön kautta. Heidän mukaansa ratkaisu on tehoton ja he epäilevät sen lisäävän riskiä ydinaseiden leviämiseen. Aseplutoniumin varastointi turvallisiin kohteisiin on esitetty vaihtoehtona MOX-polttoaineen käytölle. Vastalause ei kuitenkaan johtanut käytännön muuttamiseen, vaan ydinaseriisuntasopimusten mukaisesti ydinräjähteitä hävitetään aktiivisesti Yhdysvalloissa ja Venäjällä nimenomaan MOX-polttoaineena. Yhdysvaltojen sähköntuotannosta noin 10 % on peräisin hävitettävistä ydinaseista saatavasta ydinpolttoaineesta, mikä vastaa noin puolta maan kaikesta ydinsähköstä.