European Pressurized Water Reactor
European Pressurized Water Reactor () on kolmannen sukupolven ydinreaktorityyppi, joka perustuu painevesireaktoriin eli "PWR:ään" (). Sen ovat suunnitelleet ja kehittäneet pääasiassa Commissariat à l'Énergie Atomique Ranskassa ja Karlsruhen tutkimuskeskus Saksassa.
Olkiluodon ydinvoimalan kolmannen reaktorin oli tarkoitus olla maailman ensimmäinen EPR. Ranskalainen teollisuuskonserni Areva aloitti sen rakennustyöt vuonna 2005, ja tavoitteena oli aloittaa sähköntuotanto vuonna 2009. Rakennustyöt ovat kuitenkin viivästyneet, ja vuoden 2018 marraskuussa arvioitiin, että reaktori valmistuu vasta tammikuussa 2020. Olkiluoto 3:n viivästymisen takia ensimmäinen valmistunut EPR olikin Taishan 1 Kiinassa. Sen rakentaminen aloitettiin vuonna 2009, ja se valmistui 2018. Kiinassa on rakenteilla myös toinen EPR, Taishan 2. Lisäksi Ranskassa on rakenteilla yksi EPR, Flamanville 3.
EPR on käynnistyessään maailman suurin ydinvoimalaitos teholla mitattuna. Sen lämpöteho on 4 300 MW ja sähköteho 1 600 MW. EPR:n suunnittelu perustuu ranskalaiseen N4-reaktoriin (sähköteho 1 450 MW) ja saksalaiseen Konvoi-reaktoriin (1 290–1 400 MW). Painevesireaktorina EPR on kevytvesihidasteinen ja -jäähdytteinen; sen tekniset perusratkaisut edustavat valmistuttajansa mukaan maailman ydinvoimalaitoksissa eniten käytettyä reaktoritekniikkaa.
Reaktoria on suunniteltu käytettävän kahden vuoden latausväleillä ja sen käyttöiäksi on määritetty 60 vuotta 90 % käyttöasteella. Polttoaineessa on tarkoitus saavuttaa aiempaa korkeampi palama ja sitä kautta parempi polttoainetaloudellisuus. Yhdessä korkean lämpötehon kanssa näiden ominaisuuksien odotetaan tekevän EPR:stä tekniseltä suorituskyvyltään vaikuttavan reaktorin. Parannukset suorituskyvyssä perustuvat toisaalta rikkaampaan ydinpolttoaineeseen, toisaalta reaktorisydämen suunnittelun yhteydessä laskettuihin odotuksiin.
Voimalaitoksesta otettavan tehon johdosta EPR:n reaktorisydän on mittava. Se sisältää 89 säätösauvaa ja 241 ydinpolttoainenippua, joiden aktiivinen pituus on 4,2 metriä. Läpimittaa reaktorisydämellä on 3,77 metriä. Tyypillisellä latauksella reaktori sisältää 128 tonnia uraania.
Reaktorisydämen lämpötila on painevesireaktoreille tyypilliseen tapaan noin 300 °C, tarkemmin 295,9 °C painesäiliön sisäänvirtauksessa ja 327,5 °C ulosvirtauksessa reaktorin käydessä täydellä teholla. Käytönaikainen paine reaktorissa on 15,5 MPa (155 bar). Normaalikäytössä lämpötila vaihtelee reaktorin eri osissa tehokuormituksen mukaan, mutta paine pyritään pitämään vakaana paineistimen avulla. Paineistimen ja kemiallisen tilavuudensäätelyjärjestelmän (KBA) avulla kompensoidaan jäähdytteen tilavuuden muutosten vaikutukset reaktorin toimintaan.
Uutena osana reaktorisydäntä ympäröi ns. raskas heijastin (heavy reflector). Heijastimen oletetaan kasvattavan reaktorin käyttöikää vähentämällä painesäiliön neutronikuormitusta sekä parantavan polttoainetehokkuutta mahdollistamalla korkeamman palaman. Se on ruostumatonta terästä (Z2 CN 19–10) ja kokonaismassaltaan 90 tonnia. Heijastimen toiminta perustuu raskaiden rauta-atomien taipumukselle heijastaa takaisinpäin ytimiin osuvaa neutronisäteilyä.
Heijastimesta kimpoavista neutroneista suuri osa palaa reaktorisydämeen, jossa ne voivat aiheuttaa fissioita ja osallistua ketjureaktioon. Tämä mahdollistaa suuremman palaman polttoaineessa ja tasoittaa tehojakaumaa reaktorisydämessä. Samalla plutoniumin määrä reaktorissa lisääntyy. Tavallisesti reaktorisydämen reuna-alueilla neutronivuo ja siten palama jäävät keskialueita alhaisemmiksi. Lisäksi neutronisäteilyn heijastuminen merkitsee alhaisempaa neutronikuormitusta reaktoripainesäiliölle. Tämä osaltaan mahdollistaa EPR:n pitkän käyttöiän.
Reaktorin koko tehoalueella vallitsee reaktiivisuuden negatiivinen takaisinkytkentä jäähdytteen lämpötilasta. Toisin sanoen reaktorin teho pyrkii laskemaan jäähdytteen lämpötilan noustessa. Tämä on tärkeä turvallisuusominaisuus ja lisäksi mahdollistaa automaattisen kuormanseurannan. Reaktiivisuuden vesikemiallinen hallinta EPR:ssä tapahtuu kuitenkin hieman tavallisuudesta poiketen. Kuten painevesireaktoreissa yleensäkin, reaktiivisuutta säädellään jäähdytteen booripitoisuuden avulla, boorin ollessa neutroniabsorbaattori. Vaikka reaktorissa käytetään rikastettua booria, jossa neutroneita kaappaavan isotoopin B osuutta on kasvatettu, EPR:n käyttö edellyttää korkeampia booripitoisuuksia, kuin veteen on mahdollista liuottaa, jotta jäähdytteen lämpötilan negatiivinen takaisinkytkentä olisi voimassa. Reaktiivisuuden pienentämiseen käytetään siksi lisäksi gadoliniumia, niin sanottuna palavana neutronimyrkkynä. Gadoliniumia on polttoainenipuissa kiinteänä aineena ja sen määrä vähenee ajanoloon neutronisäteilytyksessä. Kaksi vuotta kestävän reaktorin käyttöjakson aikana absorbaattorin määrän pitää vähetä, jotta kompensoitaisiin halkeamiskelpoisen aineen väheneminen polttoaineessa ja halkeamistuotteisiin absorboituvat neutronit.
EPR:ssä käytettävä ydinpolttoaine on polttoainenipuissa, joista jokainen sisältää 17 x 17 zirkoniumlejeeringistä M5 valmistettua polttoainesauvaa. Kaikkiaan polttoainesauvoja on reaktorissa 63 865 kappaletta. Sauvojen pituus on 4,8 metriä, josta aktiivista, uraanipolttoainetta sisältävää pituutta on 4,2 metriä. Yhteensä reaktorissa on siis aktiivista polttoainesauvan mittaa 268 233 metriä. Kun reaktorin lämpöteho on mainitut 4 300 MW, tulee polttoainesauvojen tehoksi pituusyksikköä kohden 164 W/cm. Tämä on varsin alhainen lukema, minkä ansioista reaktorissa on varsin suuret marginaalit polttoaineen turvallisen käytön kannalta. Toisaalta on ajateltavissa, että tehonkorotus saattaa tulevaisuudessa tulla kyseeseen. Esimerkiksi N4-reaktorissa vastaava lukema on 179 W/cm.
Polttoainenippu koostuu polttoainesauvojen lisäksi ylä- ja alakappaleesta, niitä yhdistävistä tukirakenteista sekä väylistä instrumentaatiolle ja säätösauvoille. Lämpölaajenemisen, virtauksen ja värähtelyjen aiheuttamien vaurioiden ehkäisemiseksi polttoainesauvat eivät ole kiinteästi yhteydessä nipun rakenteisiin, vaan ne pysyvät paikoillaan 10 irtaimen välikön avulla. Jäähdytevirtaus kohdistuu nippuihin alhaaltapäin. Tämän vuoksi nipun alakappale on rakenteeltaan siivilä, jonka on tarkoitus estää irtokappaleiden kulkeutuminen polttoainenippuihin.
EPR on lähtökohtaisesti suunniteltu kykeneväksi käyttämään sekaoksidipolttoainetta eli MOX-polttoainetta. MOX poikkeaa tavallisesta uraanipolttoaineesta siten, että osa sen halkeamiskelpoisesta aineesta on plutoniumin isotooppia Pu uraanin isotoopin U sijaan. Plutoniumia ei esiinny merkityksellisiä määriä luonnossa, joten sitä saadaan MOX-polttoaineeseen kierrättämällä käytettyä ydinpolttoainetta tai ydinaseriisunnasta.
MOX-polttoainetta ei käytetä Suomessa, joskin muualla Euroopassa ja Yhdysvalloissa se on yleistä. Sen käyttö saattaa kuitenkin muodostua houkuttelevaksi jos ydinjätteen määrää halutaan vähentää, uraanin kulutusta alentaa, uraanin hinta nousee tai aseistariisunnan kautta plutoniumia vapautuu nykyistä enemmän. MOX-polttoaineella voidaan saavuttaa korkea palama, joten se sopii EPR:n polttoaineeksi ominaisuuksiensa puolesta hyvin. MOX:n käyttäminen edellyttää eräitä muutoksia esimerkiksi säätösauvoihin, lataukseen ja polttoaineen jakautumiseen nipuissa. MOX-polttoaineen valmistusta ja käyttöä vaikeuttaa tuoreen polttoaineen korkeampi radioaktiivisuus verrattuna tavanomaiseen uraanipolttoaineeseen.
EPR:ää varten yksittäisen MOX-polttoainesauvan rikastusaste voi olla korkeintaan 7,44 massaprosenttia halkeamiskelpoista plutoniumia. Keskimäärin polttoainenipussa voi olla korkeintaan 7 massaprosenttia halkeamiskelpoista plutoniumia neutronifysikaalisista syistä. Reaktorin polttoaineesta korkeintaan 50 % voi kerrallaan olla MOX-polttoainetta.
Olkiluodon ydinvoimalan rakenteilla olevan kolmannen yksikön oli tarkoitus olla maailman ensimmäinen EPR-tyyppinen reaktori. Sen rakentaminen alkoi vuonna 2005, ja reaktorin piti valmistua 2009. Rakentaminen on pahasti viivästynyt alkuperäisistä arvioista, kuten kaikki muutkin EPR-reaktorit. Marraskuussa 2018 laitostoimittaja Areva arvioi, että reaktori tuottaa ensimmäisen kerran sähköä lokakuussa 2019 ja säännöllinen sähköntuotanto alkaa tammikuussa 2020. Voimalan avaimet käteen -sopimushinta oli 3,2 miljardia euroa. Viivästymisen takia reaktorin omistaja Teollisuuden Voima arvioi, että investointi maksaa sille 5,5 miljardia euroa. Arevalle reaktorin rakentaminen maksaa noin 10 miljardia euroa.
Toisen EPR-reaktorin rakentaminen aloitettiin Flamanvillessä Ranskan Normandiassa vuonna 2007. Reaktorin oli tarkoitus valmistua 2012, mutta senkin rakennustyöt ovat viivästyneet. Heinäkuussa 2018 arvioitiin, että Flamanville 3 valmistuu vuonna 2020. Rakennuskustannusten arvioidaan olevan 10,9 miljardia euroa, eli kolminkertaiset alkuperäiseen budjettiin verrattuna. Ranskan ydinturvallisuusviranomainen ASN sallii reaktorin käynnistämisen, mutta paineastian teräskansi pitää vaihtaa seitsemän vuoden kuluessa. Syynä tähän on, ettei teräksen kemiallinen koostumus ole aivan sellainen kuin sen pitäisi olla, minkä vuoksi paineastian kannen murtumisen turvarajat ovat suppeammat kuin oli tarkoitus.
Guangdongissa Kiinassa aloitettiin EPR-reaktorin Taishan 1 rakentaminen marraskuussa 2009 ja toisen samanlaisen reaktorin Taishan 2 rakentaminen huhtikuussa 2010. Niiden kustannusarvio oli yhteensä noin 8 miljardia euroa. Taishan 1:stä tuli ensimmäinen valmistunut EPR. Se tuotti sähköä ensimmäisen kerran 29. kesäkuuta 2018. Sen koekäyttö saatiin päätökseen 13. joulukuuta 2018, jolloin se aloitti kaupallisen tuotannon. Taishan 2:n odotetaan käynnistyvän vuonna 2019.