European Pressurized Water Reactor

European Pressurized Water Reactor (, lyh. EPR) 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 kuitenkin viivästyivät, ja reaktori alkoi tuottaa sähköä vasta maaliskuussa 2022. Olkiluoto 3:n viivästymisen takia ensimmäinen valmistunut EPR olikin Taishan 1 Kiinassa. Sen rakentaminen aloitettiin vuonna 2009, ja se valmistui 2018. Kiinan toinen EPR, Taishan 2, valmistui 2019. Lisäksi Ranskassa on rakenteilla yksi EPR, Flamanville 3. Britanniaan rakennetaan kahta EPR:ää, Hinkley Point C 1 ja 2.

EPR on maailman suurin ydinreaktori 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). Turvallisuusominaisuuksia on kehitetty. Suunnittelussa on alusta lähtien otettu huomioon sydämen sulamisonnettomuuden hallinta sekä suuren lentokoneen törmäys. 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. Parannukset suorituskyvyssä perustuvat toisaalta rikkaampaan ydinpolttoaineeseen, toisaalta reaktorisydämen suunnittelun yhteydessä laskettuihin odotuksiin.

Reaktorisydän 

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 10B 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.

Ydinpolttoaine 

EPR:ssä käytettävä ydinpolttoaine on polttoainenipuissa, joista jokainen sisältää 17 × 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.

Sekaoksidipolttoaine 

EPR on lähtökohtaisesti suunniteltu kykeneväksi käyttämään sekaoksidipolttoainetta eli MOX-polttoainetta. MOX poikkeaa tavallisesta uraanipolttoaineesta siten, että osa sen halkeamiskelpoisesta aineesta on plutoniumin isotooppia 239Pu uraanin isotoopin 235U 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.

Primääri- ja sekundääripiirit 

EPR:n primääripiiri koostuu neljästä kiertopiiristä, joita pitkin jäähdytysvesi virtaa reaktorista höyrystimiin ja takaisin. Pääkiertoputkien sisähalkaisija on 780 mm, seinämän paksuus 76 mm ja materiaali taottua austeniittista ruostumatonta terästä. Virtaus on yhteensä 23 135 kg/s. Kaikissa neljässä kiertopiirissä on 9 megawatin tehoinen pääkiertopumppu.

Höyrystimissä reaktorin tuottama lämpö siirtyy primääripiirin vedestä sekundääripiirin veteen. EPR:n höyrystimet ovat pystytyyppisiä ja 23 metriä korkeita. Jokaisessa neljässä höyrystimessä on 5 980 kappaletta ylösalaisin olevan U-kirjaimen muotoisia putkia, joiden sisällä primääripiirin vesi virtaa.

Höyrystinputkien ulkopinnalla sekundääripiirin vesi kiehuu. Höyryä syntyy 2 443 kg/s. Höyryn lämpötila on 293 °C ja paine 78 bar. Höyry johdetaan neljää päähöyryputkea pitkin ensin korkeapaineturbiiniin ja sen jälkeen välitulistimien kautta kolmeen matalapaineturbiiniin. Lopuksi höyry lauhdutetaan vedeksi lauhduttimessa ja vesi pumpataan uudestaan höyrystimiin esilämmittimien kautta.

Korkeapaineturbiini tuottaa laitoksen tehosta noin 40 prosenttia ja kolme matalapaineturbiinia yhteensä noin 60 prosenttia. Turbiinin akselin kokonaispituus on 68 metriä. Turbiinit pyörittävät vetyjäähdytteistä generaattoria 1 500 kierrosta minuutissa.

Suojarakennus ja apurakennukset 

Reaktori ja primääripiiri on sijoitettu suojarakennukseen, jonka ulkohalkaisija on 57 metriä ja korkeus maanalaiset tilat mukaan luettuna 70 metriä. Suojarakennuksessa on kaksi sisäkkäistä sylinterin muotoista teräsbetoniseinää ja kupolin muotoinen katto. Sisempi seinä on ilmatiivis ja paineenkestävä. Ulompi seinä suojaa sisempää ulkoisilta vaikutuksilta, kuten lentokonetörmäyksiltä. Kaksoisseinä on uusi turvallisuusratkaisu verrattuna aiempiin ydinvoimaloihin. Mahdolliset vuodot kerätään ulomman ja sisemmän suojarakennuksen välitilaan, suodatetaan ja johdetaan 100 metriä korkeaan ilmastointipiippuun.

Sydämen sulamisonnettomuuden varalta suojarakennuksen alaosassa sijaitsee niin sanottu sydänsieppari. Sen tarkoituksena on jäähdyttää reaktorin sydämessä sulanut polttoaine ja suojata suojarakennuksen pohjaa vaurioilta, jotka voisivat johtaa vuotoihin.

Suojarakennuksen ympärillä on polttoainerakennus ja neljä turvallisuusrakennusta. Polttoainerakennuksessa säilytetään tuoretta ja käytettyä polttoainetta. Voimalaitoksen turvallisuusjärjestelmät on jaettu neljään itsenäiseen osajärjestelmään, jotka sijaitsevat omissa turvallisuusrakennuksissaan. Valvomo sijaitsee yhdessä turvallisuusrakennuksista. Polttoainerakennus ja turvallisuusrakennuksista kaksi on suojattu suuren lentokoneen törmäystä vastaan.

EPR-reaktorit maailmalla
Olkiluodon ydinvoimalan kolmannen yksikön oli tarkoitus olla maailman ensimmäinen EPR-tyyppinen reaktori. Sen rakentaminen alkoi vuonna 2005, ja reaktorin piti valmistua 2009. Rakentaminen viivästyi pahasti alkuperäisistä arvioista, kuten kaikki muutkin EPR-reaktorit. Reaktori tuotti ensimmäisen kerran sähköä maaliskuussa 2022, ja säännöllisen sähköntuotannon odotetaan alkavan heinäkuussa 2022. 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 joulukuussa 2007. Reaktorin oli tarkoitus aloittaa kaupallinen tuotanto 2013, mutta senkin rakennustyöt ovat viivästyneet. Lokakuussa 2019 arvioitiin, että Flamanville 3 valmistuu vuonna 2023. Rakennuskustannusten arvioidaan olevan 12,4 miljardia euroa, eli lähes nelinkertaiset 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 aloitti kaupallisen tuotannon 7. syyskuuta 2019.

EDF Energy aloitti kahden EPR-reaktorin, Hinkley Point C 1 ja 2, rakentamisen Somersetissa Englannissa vuonna 2018. Kiinalainen China General Nuclear omistaa voimalasta 33,5 prosenttia. Hinkley Point C on Britannian ensimmäinen uusi ydinvoimala lähes 20 vuoteen, ja se tulee tuottamaan noin 7 prosenttia maan sähköstä. Ensimmäisen reaktorin on suunniteltu käynnistyvän vuonna 2027. Toukokuussa 2022 arvioitiin, että reaktorien rakentaminen maksaa yhteensä noin 26 miljardia puntaa. Britannian hallitus takaa, että omistajat saavat tuotetusta sähköstä vähintään 92,50 puntaa megawattitunnilta ensimmäisten 35 vuoden ajan. Hallitus perustelee takuuhintaa sillä, että se haluaa vähentää sähköntuotannon hiilidioksidipäästöjä ja siihen tarvitaan tuulivoiman lisäksi ydinvoimaa, jonka tuotanto ei vaihtele sään mukaan. Investoinnin tuotoksi voimalan omistajille odotetaan noin 7,2 prosenttia.

Katso myös
Olkiluoto 3 -ydinvoimalan rakennushanke

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Olkiluoto 3:n rakennuksesta vastaavan Arevan sivut 
 International Call against EPR  

Ydinreaktorityypit