Ydinvoima
Ydinvoima eli ydinenergia (vanhahtavasti atomivoima eli atomienergia) on energiantuotantoa, joka perustuu atomiytimien sidosenergian vapautumiseen[1] 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).[2] 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.[3][4]
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.[5]
Ylivoimaisesti merkittävin ydinvoiman muoto on hallitun fissioreaktion hyödyntäminen. Fissiossa atomiydin halkeaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiytimeksi, ja atomi hajoaa yhtä moneksi kevyemmän alkuaineen atomiksi. Lisäksi reaktiossa ytimestä sinkoutuu neutroneita, ja osa sen massasta muuttuu energiaksi.
Eräissä alkuaineissa voi suotuisissa olosuhteissa syntyä ketjureaktio, jossa fissiossa vapautuvat neutronit törmäävät muihin atomeihin ja aiheuttavat uusia fissioita. Jos kussakin fissiossa vapautuneet neutronit aiheuttavat keskimäärin ainakin yhden uuden fission, ketjureaktio pysyy käynnissä, muutoin se väistämättä pysähtyy. Ydinreaktorin tehon säätö perustuu yleensä vapaiden neutronien absorbointiin säätösauvoilla tai muilla keinoilla.
Ydinpolttoaineiksi kelpaavilta aineilta vaaditaan muutamia tekijöitä. Ensinnäkin vain harvat aineet pystyvät ylläpitämään ketjureaktiota eli ovat fissiilejä. Toisaalta taas energiaa saadaan vapautettua ainoastaan raskaista ytimistä, jotka hajoavat keskiraskaiksi ytimiksi. Tämä johtuu siitä, että keskiraskaiden alkuaineiden ytimien sidososuus (ytimen sidosenergia ytimen hiukkasten lukumäärää kohti) on suurempi kuin raskaiden tai keveiden aineiden sidososuus. Sidososuuden kasvaessa vapautuu ytimien rakenneosasten väliltä potentiaalienergiaa. Keveiden aineiden potentiaalienergiaa saadaan vapautettua fuusiolla.
Ydinpolttoaineessa käytetään yleensä uraanin fissiiliä isotooppia U-235 tai plutoniumin fissiiliä isotooppia Pu-239 tai molempia. Plutonium tuotetaan keinotekoisesti ydinreaktorilla, mutta uraania esiintyy luonnossa. Luonnon uraaniesiintymissä tiedetään jopa syntyneen luonnonydinreaktoreita, joissa ketjureaktio on käynnistynyt itsestään ja pysynyt käynnissä, kunnes polttoaine on loppunut.[5]
Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa kaksi kevyen alkuaineen atomiydintä yhdistyy muodostaen uuden raskaamman alkuaineen. Samalla vapautuu hyvin suuria määriä energiaa. Yleensä fuusiossa yhdistyy kaksi vetyatomia, jolloin muodostuu heliumatomi. Fuusioreaktion vaatima suunnattoman korkea lämpötila ja siihen liittyvät ongelmat ovat tähän asti osoittautuneet suureksi tekniseksi esteeksi hallitun fuusioreaktion energiakäytössä. Toistaiseksi fuusion voimalaitoskäyttö vaikuttaisi olevan vähintään vuosikymmenien päässä. Luonnossa Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin fuusioreaktiosta. Auringon energia on maapallon pääasiallinen energianlähde, sillä kaikki ihmisen käyttämä energia on tavalla tai toisella lähtöisin Auringosta, lukuun ottamatta ydinvoimaa ja geotermistä energiaa.[6]
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.[7]
Ensimmäiset vihjeet atomin sisällä tapahtuvista reaktioista saatiin vuonna 1896, kun Antoine Henri Becquerel havaitsi radioaktiivisuuden. Ytimen olemassaolosta saatiin viitteitä vuonna 1919, kun Ernest Rutherford altisti typpikaasun alfahiukkassäteilylle: osa hiukkasista törmäsi ja jäi typpiatomiin transmutatoiden eli muuttaen ne hapeksi. Reaktiossa atomi emittoi protonin, jonka myöhemmät tutkimukset osoittivat ydinhiukkaseksi. Toisen ydinhiukkasen, neutronin, löysi Sir James Chadwick vuonna 1932. Pian italialainen Enrico Fermi kollegoineen havaitsi, että uraaniin törmätessään hitaat neutronit synnyttävät kohteessa ainakin neljää erilaista ainetta. Vähän myöhemmin saksalaiset Otto Hahn ja Fritz Strassmann osoittivat yhteistyössä Lise Meitnerin kanssa, että reaktiossa uraaniatomit halkeavat. Keinotekoinen fissio oli keksitty.
Vuonna 1939 Fermi pakeni Italian fasisteja Yhdysvaltoihin; Niels Bohr puolestaan pakeni saksalaisten miehitystä Tanskasta. He aloittivat yhteistyön Columbian yliopistossa ja kehittivät energianlähteeksi käyvän ketjureaktion käsitteen. Energiakäytöstä tutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeasti ydinaseen kehittämiseen. Vuonna 1940 alkoi Yhdysvaltain hallituksen Manhattan-projekti, jonka tavoitteena oli ydinaseen kehittäminen.[5]
Vuonna 1942 Enrico Fermin johdolla rakennettiin ensimmäinen kokeellinen ydinreaktori Chicagon yliopistoon. Tämä oli ensimmäinen kerta maailmanhistoriassa, kun ihminen toteutti hallitun fissioiden ketjureaktion. Vuotta myöhemmin Oak Ridgessä kokeiltiin plutoniumin tuotantoon tarkoitettua reaktoria, ja jo vuoteen 1945 mennessä Hanfordissa oli käynnissä kolme täysimittaista reaktoria.
Toisen maailmansodan päätyttyä atomiytimen energian hyödyntäminen oli kaksijakoista: toisaalta ydinaseiden tuhovoima ja määrä kasvoivat nopeasti, mutta toisaalta myös ydinvoiman, säteilyn ja radioaktiivisuuden rauhanomainen hyödyntäminen lisääntyi monissa käyttökohteissa kuten lääketieteessä, tutkimuksessa, energiantuotannossa, merenkulussa, maanviljelyssä ja avaruustutkimuksessa. Ensimmäinen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori saavutti kriittisyyden 27. kesäkuuta 1954 Neuvostoliitossa, Obninskissa lähellä Moskovaa. Vuonna 1956 Calder Hallissa, Englannissa aloitti toimintansa ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos. Vuonna 1957 aloitti toimintansa ensimmäinen ydinvoimalaitos Yhdysvalloissa Shippingportissa. 1950-luvun jälkeen ydinvoimaloiden määrä on kasvanut huomattavasti. Vuoteen 1964 mennessä maailmassa oli 14 reaktoria kytkettynä sähköverkkoon, vuonna 1970 81 reaktoria, vuonna 1975 jo 167, vuonna 1985 365 ja vuonna 1999 428.[5][8]
Ydinvoimaa käytetään hyvin vaihtelevissa käyttötarkoituksissa voimalaitoksista sukellusveneisiin ja satelliiteista majakoihin. Ydinpolttoaineen suuri energiasisältö mahdollistaa toisaalta suurten energiamäärien tuottamisen pienillä materiaalivirroilla ja toisaalta sallii pitkäkestoisen energiantuotannon ilman tarvetta lisätä polttoainetta.[5]
Vuonna 2017 ydinvoimalla tuotettiin 4,4prosenttia maailman primäärienergiasta. Se oli toiseksi merkittävin päästötön energianlähde vesivoiman jälkeen. Noin 85 prosenttia maailman primäärienergiasta tuotettiin fossiilisilla polttoaineilla. Energiasisällöltään ydinvoiman käyttö vastasi 596 miljoonan öljytonnin polttamista vuodessa.[2]
Maailman sähköntuotannosta ydinvoiman osuus oli 10,3 prosenttia vuonna 2017.[2] Vielä 1990-luvulla ydinvoiman osuus oli noin 17 prosenttia. 2000-luvulla osuus on laskenut, koska maailman sähkönkulutus on kasvanut, mutta ydinvoimalla tuotetun sähkön määrä on pysynyt suunnilleen ennallaan. Kulutuksen kasvu on katettu hiilivoimalla, maakaasulla ja uusiutuvilla energiamuodoilla.[9]
Ydinvoimaa pidetään useissa maissa jatkuvaan, mittakaavaltaan suureen sähkönkulutukseen sopivana energiamuotona. Suurin ydinvoiman osuus on Ranskassa, joka tuottaa 72prosenttia sähköstään ydinvoimalla (vuonna 2017)[10]. Sähkömarkkinoilla voimalaitosten ajojärjestyksestä tavallisesti muotoutuu sellainen, että kulutuksen laskiessa ensimmäisinä tuotantoa vähennetään kalliiden muuttuvien kustannusten voimalaitoksissa, kuten maakaasuvoimaloissa. Suhteellisen edullista sähköä tuottavia ydinvoimaloita käytetään yleensä miltei tauotta perusvoimantarpeen kattamiseen. Ydinvoimalaitoksen tuotantoa voidaan toki tarvittaessa myös säätää ja niin yleisesti tehdään paljon ydinsähköä tuottavissa maissa.
Tammikuussa 2019 maailmassa tuotettiin sähköä 454 ydinreaktorilla 30 eri maassa. Niiden teho oli yhteensä 400285megawattia.[11] Vuonna 2017 10,3prosenttia maailman sähköstä tuotettiin ydinvoimalla.[2] EU-maissa lähes 30prosenttia sähköstä tuotetaan ydinvoimalla.[12] Tammikuussa 2019 rakenteilla oli 55 uutta reaktoria 18 eri maahan: Arabiemiraatteihin, Argentiinaan, Bangladeshiin, Brasiliaan, Etelä-Koreaan, Intiaan, Iso-Britanniaan, Japaniin, Kiinaan, Pakistaniin, Ranskaan, Slovakiaan, Suomeen, Ukrainaan, Turkkiin, Valko-Venäjälle, Venäjälle ja Yhdysvaltoihin.[13]
Suurimmat ydinvoiman tuottajamaat ovat Yhdysvallat, Ranska ja Kiina. Näissä kolmessa maassa sijaitsee lähes puolet maailman ydinreaktoreista, ja yhdessä ne tuottavat hieman yli puolet maailman ydinenergiasta. Muita suuria ydinenergiamaita ovat Japani, Venäjä ja Etelä-Korea. Suomi on 17. suurin ydinvoiman tuottaja 2769 megawatin teholla neljässä reaktorissa.[11] Vuodesta 1998 vuoteen 2010 maailmassa ydinvoimalla tuotetun sähkön määrä kasvoi 14 prosenttia. Seuraavien kahden vuoden aikana se laski 11 prosenttia, kun monet maat sulkivat reaktoreita Fukushiman onnettomuuden jälkeen. Vuodesta 2012 vuoteen 2017 ydinsähkön tuotanto on taas kasvanut 6 prosenttia.[14]
Pohjoismaissa ydinvoimaa tuotettiin tammikuussa 2019 Suomessa neljällä ja Ruotsissa kahdeksalla reaktorilla.[11] Ruotsin hallitus päätti 1980 luopua ydinvoimasta sen jälkeen, kun maassa oli järjestetty kansanäänestys, jossa kaikki vaihtoehdot sisälsivät ydinvoimasta luopumisen.[15][16] Vuonna 2009 Ruotsin hallitus päätti kumota päätöksen ydinvoimasta luopumisesta ja sallia uusien ydinreaktoreiden rakentamisen.[17]
Reaktorityypeistä kevytvesireaktori on selvästi yleisin. Tammikuussa 2019 niitä oli toiminnassa yhteensä 373, joista 301 painevesireaktoreita ja 72 kiehutusvesireaktoreita. Seuraavaksi yleisin on raskasvesireaktori, joita oli 49 kappaletta. Lisäksi toiminnassa oli 29 grafiittihidasteista reaktoria, joista 15 vesijäähdytteistä ja 14 kaasujäähdytteistä, sekä 3 hyötöreaktoria.[18]
Suomessa on neljä kaupallista ydinreaktoria. Vuonna 2017 ne tuottivat 17 prosenttia Suomen primäärienergiasta[19] ja 33prosenttia Suomen sähköntuotannosta[20]. Suomessa ydinvoimaloiden käyttöaste on yleensä ollut yli 90prosenttia, mikä on parempi kuin maailman keskiarvo.[21]
Espoon Otaniemessä on pieni Triga-tutkimusreaktori, joka käynnistettiin 1962. Reaktorin tuottamaa säteilyä käytettiin tutkimuksen lisäksi aivokasvainten boorineutronikaappaushoitoon. Hoitotoiminta päättyi 2012, ja reaktori suljettiin lopullisesti 2015. Reaktorin omistaja VTT aikoo purkaa sen.[22]
Sähköntuotannossa olevista ydinreaktoreista kaksi sijaitsee Satakunnassa Eurajoen Olkiluodon saarella, lähellä Raumaa. Niiden omistaja on Teollisuuden Voima TVO. Toiset kaksi reaktoria ovat Fortumin omistuksessa, ja ne sijaitsevat Itä-Uudellamaalla Loviisassa Hästholmenin saarella.[23]
Olkiluodon 900 megawatin kiehutusvesireaktorit valmisti ruotsalainen Asea-Atom, nykyinen monikansallinen ABB. Loviisan 500 megawatin painevesireaktorit ovat neuvostoliittolaisen Atomenergoexportin tuotosta. Loviisan ensimmäinen yksikkö aloitti sähköntuotannon helmikuussa 1977 ja toinen yksikkö marraskuussa 1980. Olkiluodon reaktorit käynnistettiin vuosina 1978 ja 1980.[23]
Ydinvoimaa piti rakentaa aikoinaan Suomeen nykyistä enemmän. Muun muassa Helsinki osti 1970-luvulla osan Sipooseen kuuluvasta Granön saaresta uutta ydinvoimalaitosta varten. Pääkaupunkiseudulle perustettiin myös yhtiö, Helsingin Seudun Lämpövoima Oy, ydinvoimalan rakentamiseksi. Voimaloita ei lopulta rakennettu läheskään suunniteltua määrää. Suurin syy lisärakentamisen tyssäämiseen oli ydinvoiman riskejä pelännyt kansa. Toisen syy oli maakaasun ja kivihiilen hintojen lasku.[24]
Eduskunta antoi vuonna 2002 TVO:lle luvan rakentaa kolmannen ydinvoimalaitosyksikön Olkiluotoon. Alun perin yksikkö oli tarkoitus ottaa käyttöön vuonna 2009, mutta nyt uusimpien uutisten mukaan voimala otetaan käyttöön vuonna 2019 [25]. 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 saksalais-ranskalainen Framatome-Siemens-konsortio. Rakennusprojektin aikana on raportoitu huomattava määrä laatu- ja toimintopoikkeamia, joiden johdosta hankkeen toteutusaikataulu on viivästynyt. Merkittävimmät ongelmat on kirjattu Säteilyturvakeskuksen uutisiin [26].
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 [27]. Toinen lupa myönnettiin uudelle tulokkaalle, vuonna 2007 perustetulle Fennovoimalle, äänin 121-71. Uusi ydin­voimala rakennetaan Pyhä­joelle.[28]
Ydinvoimalaitoksessa ydinreaktori tuottaa lämpöä, joka kuumentaa pääkiertopiirin vettä. Kiehutusvesireaktorissa pääkiertopiirin vesi höyrystyy. Höyry pyörittää turbiinia ja lauhdutetaan takaisin vedeksi lauhduttimessa. Painevesireaktorissa taas pääkiertopiirin kuuma vesi johdetaan höyrystimiin, joissa toisiopiirin vesi höyrystetään. Höyry johdetaan turbiiniin ja sieltä lauhduttimeen. Lauhdutinta jäähdytetään joko vesistöstä saatavalla vedellä tai jäähdytystornin avulla. Turbiini pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä.[29]
Ydinvoimalaitokset käyttävät tavallisesti polttoaineenaan uraanioksidia, jossa on 3–5 prosenttia fissiiliä uraani-235:ttä. Polttoaineena voidaan käyttää myös plutonium-239:ää, jota syntyy ydinreaktorin toimiessa ja joka voidaan kierrättää uudeksi polttoaineeksi. Ydinpolttoaineen energiatiheys on erittäin suuri, koska ydinvoimaloiden energiantuotanto perustuu fissioreaktioon eikä hapettamiseen, kuten polttolaitoksissa. Maailman kaikkien reaktoreiden vuodessa kuluttama uraani – noin 70000 tonnia – mahtuisi kuutioon, jonka särmät ovat 15 metriä pitkät.[21]
Ydinpolttoaineen valmistus alkaa uraanikaivokselta. Tyypillinen tuhannen megawatin ydinvoimalaitos kuluttaa vuodessa polttoainetta noin kolmen kuutiometrin verran, minkä polttoaineen valmistusta varten kaivetaan noin 50000 tonnia[30] uraanimalmia. Vastaavan kokoinen hiilivoimala kuluttaa hiiltä yli kolme miljoonaa tonnia vuodessa[31], ja tavallisesti hiilikaivoksissa kutakin hiilitonnia kohti on täytynyt kaivaa yli kymmenen kertaa suurempi määrä kiveä[32]. Näin ollen samansuuruisen energiamäärän tuottamiseen hiilellä tarvitaan kaikkiaan yli 500-kertainen määrä kaivostoimintaa.
Koska luonnonuraanista vain 0,7prosenttia on uraanin fissiiliä isotooppia U-235, täytyy luonnonuraani väkevöidä kevytvesireaktoreissa tarvittavaan suurempaan pitoisuuteen erillisissä väkevöintilaitoksissa. Polttoaineen valmistuksessa uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi, tavallisesti sylinterinmuotoisiksi napeiksi, joiden pituus ja halkaisija ovat noin 1cm. Napit ovat kovia, kiinteitä ja materiaali vaikeasti liukenevaa. Kukin nappi riittää noin 10000 kilowattitunnin sähkön tuottamiseen. Uraaninapit pinotaan sauvoiksi ohutseinämäisten zirkoniumputkien sisälle. Putket hitsataan päistään umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Nämä niput laitetaan reaktoriin, jossa vesi kulkee sauvojen välissä ja lämpenee ydinreaktioiden tapahtuessa nippujen sisällä.[21] Ydinpolttoainetta valmistetaan kaupallisessa mittakaavassa Argentiinassa, Belgiassa, Brasiliassa, Kanadassa, Kiinassa, Ranskassa, Saksassa, Intiassa, Japanissa, Kazakhstanissa, Etelä-Koreassa, Pakistanissa, Romaniassa, Venäjällä, Espanjassa, Ruotsissa, Englannissa ja Yhdysvalloissa[33].
Ydinpolttoaineen olomuoto ei muutu käytön aikana, vaan käytetty polttoaine pysyy kokonaisuudessaan reaktorissa polttoaineen vaihtojen välillä. Käyttämätön ydinpolttoaine ei säteile merkittävästi, eikä sen lyhytaikainen käsittely vaadi erityisiä suojatoimia. Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan säteilee voimakkaasti ja aiheuttaa vaaran lähellä oleskeleville, jos säteilysuojelusta ei huolehdita.[21] Käytettyä polttoainetta säilytetään ja käsitellään vesialtaassa, joka vaimentaa säteilyn miltei täysin. Polttoainenippuja on säilytettävä vesialtaissa useita vuosia, ennen kuin ne voidaan siirtää muualle jatkokäsittelyyn. Käytetty ydinpolttoaine on mahdollista kierrättää 95-prosenttisesti jälleenkäsittelyn avulla, jolloin vain noin 5prosenttia polttoaineesta jää jätteeksi. Suomalaisten ydinvoimaloiden polttoainetta ei kuitenkaan jälleenkäsitellä, koska ydinenergialaki kieltää käytetyn ydinpolttoaineen maastaviennin ja maahantuonnin[34]. Jos jälleenkäsittelyä ei tehdä, käytetty ydinpolttoaine on ydinjätettä.[35]
Käytetyn ja käyttämättömän ydinpolttoaineen kuljetuksia on käsitelty artikkelissa ydinpolttoainekierto.
Uraani on uusiutumaton luonnonvara, jota kuitenkin on maankuoressa suhteessa sen kulutukseen niin huomattava määrä, ettei sen ehtyminen ennakoitavissa olevalla aikajänteellä ole realistinen mahdollisuus. Uraania on maapallolla kaikkiaan noin 63 biljoonaa tonnia, ja maankuoressa sen pitoisuus on noin 4 miljoonasosaa.[36] Tämän lisäksi käytössä ovat olemassa olevat uraanivarastot, ydinpolttoaineen jälleenkäsittely sekä ydinaseriisunnasta saatava polttoaine. Noin 40% maailman ydinsähköstä tuotetaan tällä hetkellä näistä kaivostoimintaa kaipaamattomista polttoaineenlähteistä.[37]
OECD:n ydinenergiajärjestön NEA:n ja YK:n alaisen IAEA:n yhteisen raportin mukaan alle 130 dollarin kilohinnalla taloudellisesti käytettävissä olevat tunnetut malmivarannot ovat runsaat 4,7 miljoonaa tonnia, mikä riittäisi nykyisten reaktorien tarpeisiin seuraavaksi 85 vuodeksi.[37] Tunnettujen varantojen lisäksi maankuoressa on kuitenkin toistaiseksi löytämättömiä uraanivaroja. Nykyisin kaivostoiminta edellyttää vähintään 1000 ppm pitoisuutta uraania malmissa, jotta sen hyödyntäminen olisi kannattavaa. Näissä esiintymissä on Yhdysvaltojen energiaministeriössä tehdyn geologisen kartoituksen perusteella noin 90 miljoonaa tonnia uraania.[36][38] NEA:n ja IAEA:n uraanivarantojen inventoinnista vastaavat tutkijat ovat arvioineet, että nykykaivostoiminnalle hyödynnettävät tavanomaiset varannot uraania riittävät ainakin vuosisadoiksi, kun huomioidaan tunnettujen varantojen lisäksi toistaiseksi löytämättömät esiintymät, joita geologian nojalla maankuoressa arvioidaan olevan.[39]
Käytettävissä olevan uraanin määrä riippuu voimakkaasti uraanin hinnasta, koska mitä korkeampi hinta on, sitä köyhempiä esiintymiä voidaan hyödyntää panostamalla enemmän kaivostoimintaan. Uraanin hinnan kaksinkertaistuminen kasvattaa uraanivarat kymmenkertaisiksi, hinnan kymmenkertaistuminen jo noin 300-kertaisiksi. Jos viime vuosina nähdystä uraanin hinnan yli kymmenkertaistumisesta edes osa on pysyvää, on seurauksena taloudellisesti kiinnostavien uraanivarojen erittäin huomattava kasvu aivan uuteen suuruusluokkaan. Raakauraanin osuus ydinsähkön hintarakenteessa on vain joitakin prosentteja, joten uraanin huomattavakaan kallistuminen ei nostaisi sähkön hintaa kovinkaan merkittävästi.[36][40]
Uraanin riittävyyteen vaikuttaa merkittävästi myös käytetty tekniikka. Ydinvoimaloiden polttoainetaloudellisuus kehittyy koko ajan, mikä kasvattaa uraanivarantojen energiasisältöä. Toisaalta kierrättämällä ydinpolttoaine jälleenkäsittelyn kautta yli 90% polttoaineesta on mahdollista palauttaa ydinpolttoainekiertoon. Merkittävimmin polttoainevaroja kasvattaisi kuitenkin hyötöreaktorien laajempi käyttäminen, sillä ne kykenevät käydessään tuottamaan enemmän polttoainetta kuin kuluttavat. Lisäksi hyötöreaktorit voivat käyttää polttoaineena uraania huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi hyötöreaktoritekniikka on tuotantokäytössä kuitenkin vain Venäjällä, vaikka kokeita on tehty muun muassa Yhdysvalloissa, Ranskassa, Japanissa ja Britanniassa. Kaikkein eniten ydinpolttoaineen riittävyyttä lisäisi fuusioreaktorien käyttöönotto, sillä ne voivat käyttää polttoaineenaan tavallisesta vedestä saatavaa vetyä.[5]
Ydinvoiman käytössä ydinpolttoaine muuttuu ydinjätteeksi, koska ydinreaktioiden aikana polttoaineeseen syntyy fissiotuotteita, joista osa haittaa reaktorin toimintaa. Jätteen suuresti kohonnut radioaktiivisuus johtuu näistä polttoainesauvoihin kertyneistä fissiotuotteista. Käytetyn ydinpolttoaineen ja muun korkea-aktiivisen jätteen lisäksi ydinvoimalassa syntyy matala- ja keskiaktiivisia ydinjätteitä esimerkiksi huoltojen ja voimalan normaaliin käyttöön liittyvän toiminnan aikana. Ydinturvallisuuden kannalta merkittävin vaikutus on käytetyllä ydinpolttoaineella, eli korkea-aktiivisella ydinjätteellä.[41]
Ydinvoiman käytössä tilavuudessa laskettuna eniten syntyy matala- ja keskiaktiivisia ydinjätteitä, joihin kuuluvat muun muassa heikosti radioaktiiviset aineet tai aktiivisten aineiden tahrimat työvaatteet, suojavarusteet, työvälineet, laitteet, osat sekä suodattimet ja suodatusjätteet. Näiden jätteiden aktiivisuus laskee nopeasti ja ne alun alkaenkin sisältävät vain pienen osan voimalan tuottamasta radioaktiivisuudesta. Usein näiden jätteiden radioaktiivisuuden puoliintumisaika on niin lyhyt, että jätteet yksinkertaisesti varastoidaan odottamaan radioaktiivisuuden häipymistä omia aikojaan. Kun aktiivisuus on laskenut tarpeeksi, jätteet kierrätetään tai toimitetaan tavalliseen jätehuoltoon. Ne jätteet, joiden kohdalla odottaminen kestäisi liian pitkään – noin vuosisadan tai enemmän – säilytetään vartioiduissa varastoissa tai loppusijoitetaan paikkaan, jossa vartiointi ei ole tarpeen, yleensä suljettuun kallioluolaan. Monilla mailla on käytössä loppusijoituslaitoksia matala- ja keskiaktiivisille ydinjätteille.[42] Ydinvoimateollisuuteen verrattuna suurempia määriä matala-aktiivisia jätteitä syntyy muualla yhteiskunnassa: EU:n alueella maatalous, rakentaminen, öljyn- ja kaasuntuotanto, hiilen ja turpeen poltto, jätevesien puhdistus ja muu ihmisen toiminta synnyttävät vuosittain kymmeniä miljoonia tonneja luonnon radioaktiivisuutta sisältäviä jätteitä, jotka saattavat ylittää radioaktiivisuudeltaan matala-aktiivisten ydinjätteiden vapaarajan.[29] Suomessa matala- ja keskiaktiiviset jätteet varastoidaan laitospaikalle yhteen keskitettyyn varastoon ja samoin välivarastoidaan käytetty ydinpolttoaine. Myös vanhojen ydinvoimaloiden purkamisen yhteydessä syntyy radioaktiivista matala- ja keskiaktiivista jätettä.[29]
Korkea-aktiivinen ydinjäte on pääasiassa käytettyä ydinpolttoainetta, ja se sisältää suurimman osan kaikesta ydinvoimalan tuottamasta radioaktiivisuudesta. Korkea-aktiivinen ydinjäte sisältää lukuisan määrän uraanin fissiotuotteita, joista monet ovat voimakkaasti radioaktiivisia eri alkuaineiden isotooppeja, kuten plutoniumin isotoopit Pu-238 sekä Pu-239, ksenon-135 kaasu ja jodi-131. Käytetyssä ydinpolttoaineessa eli korkea-aktiivisessa ydinjätteessä on yhä jäljellä käyttökelpoista uraania, mutta sitä ei voida enää käyttää reaktorissa, koska reaktorin toiminta voi häiriintyä fissiotuotteiden vaikutuksesta. Tuore korkea-aktiivinen ydinjäte säteilee erittäin voimakkaasti, ja se tuottaa runsaasti lämpöä. Tästä syystä jätettä on jäähdytettävä jatkuvasti vesialtaassa. Käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus kuitenkin laskee aluksi nopeasti: ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen aktiivisuus on laskenut 99prosenttia. Tällöin iso osa fissiotuotteista on hajonnut toisiksi alkuaineiksi. Koska korkea-aktiivinen ydinjäte sisältää myös puoliintumisajaltaan pitkäkestoisia alkuaineita, kestää kauan, ennen kuin säteily on vaimentunut niin paljon, että käytetyn polttoaineen lähellä on turvallista oleskella lyhytaikaisesti. Kuparisen loppusijoituskapselin vieressä voi olla muutaman vuosikymmenen kuluttua. Itse polttoaineen läheisyydessä voi oleskella lyhyitä aikoja noin tuhannen vuoden kuluttua. Loppusijoituksen suunnittelussa tavoitellaan kuitenkin noin sadan tuhannen vuoden eristysaikaa, sillä esimerkiksi jauhemaisessa olomuodossa elimistöön joutuessaan jäte on vaarallista eliöille vielä pitkään.[29][43]
Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuoltoon on esitetty lukuisia erilaisia ratkaisuja. Noin 95 prosenttia käytetystä polttoaineesta voitaisiin kierrättää jälleenkäsittelyllä, jota tehdään pääasiassa Ranskassa ja Japanissa. Muista jätehuollon vaihtoehdoista geologinen loppusijoitus on merkittävin ja kustannuksiltaan edullisin. Yhdistyneiden kansakuntien alaisen Kansainvälisen atomienergiajärjestön, OECD:n ydinenergiajärjestö NEA:n ja Euroopan yhteisöjen yhteinen kanta on,[44] että
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.[45]
Myös YK:n Agenda 21 -ohjelmajulistuksessa kannustetaan jäsenmaita keskittymään geologisen loppusijoituksen tutkimiseen sen ympäristö- ja turvallisuusetujen vuoksi. Käytetyn polttoaineen loppusijoitusta ei ole vielä aloitettu missään, mutta loppusijoitushankkeita on käynnissä useissa maissa, muun muassa Suomessa.[42]
Greenpeace, Maan ystävät, Suomen luonnonsuojeluliitto ja monet muut kansalaisjärjestöt vastustavat ydinvoimaa ja ydinjätteen geologista loppusijoitusta, koska ydinjätettä voi päätyä pohjaveteen ja sitä kautta muualle elinympäristöön. Greenpeace vaatii jätteen säilömistä maanpäällisiin varastoihin ydinvoimaloiden yhteyteen, kunnes nykyisiä suunnitelmia turvallisempi loppusijoitusratkaisu on löydetty.[29][46]
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 (11g/kWh) mutta paljon pienemmät kuin hiilivoimalla (820g/kWh) ja maakaasulla (490g/kWh).[47] IPCC luokitteleekin ydinvoiman, kuten myös uusiutuvat energiamuodot, vähäpäästöiseksi energiaksi.[48]
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"[49] IPCC:n mukaan ydinvoimateknologia voi energiatehokkuuden, uusiutuvien energiamuotojen, hiilidioksidin talteenoton ja monen muun teknologian ohella olla merkittävässä roolissa ilmastonmuutoksen hillinnässä.[50] IPCC:n arvioiden mukaan ydinvoiman osuus maailman sähköntuotannosta voisi nousta vuoden 2005 16 prosentista 18 prosenttiin vuonna 2030.[51] Kansainvälinen energiajärjestö IEA:n arvion mukaan ydinvoimalla voisi vuoteen 2030 vähentää yli kolme prosenttia maailman energiantuotannon päästöjä verrattuna perusuraan.[52] Merkittävinä haasteina ydinvoiman lisärakennukselle ovat kuitenkin muun muassa turvallisuuskysymykset, ydinjätteen käsittely ja kustannukset.[53][54]
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.[55][56]
Ydinvoiman käyttöön liittyy ionisoiva säteily ja radioaktiivisuus, joiden huomioon ottamisen tarve tekee ydinvoiman käytöstä erilaista muihin energianlähteisiin verrattuna. Ydinvoimalaitoksen prosessissa esiintyy ionisoivan säteilyn eri lajeja ja radioaktiivisia aineita, joille altistuminen suurina määrinä on terveydelle vaarallisia. Ydinvoimalaitoksen eräät työntekijät voivat työssään altistua ionisoivalle säteilylle ja heidän kohdallaan on huolehdittava säteilysuojelusta.
Ydinvoimalaitokset erottelevat toiminnassaan syntyvät radioaktiiviset aineet, jotka joko laitetaan odottamaan luonnollisen hajoamisen kautta tapahtuvaa muuttumista stabiileiksi aineiksi tai loppusijoitetaan. Tarkemmin aihetta käsitellään artikkelissa ydinjätehuolto. Joitain kaasumaisia tai nestemäisiä radioaktiivisia aineita on hyvin vaikeaa eristää, joten niiden tarkkaan valvottu päästäminen tarpeeksi laimennettuna ympäristöön sallitaan. Esimerkiksi Olkiluodon ydinvoimalan kohdalla aktiiviset päästöt veteen olivat vuonna 2006 0,6 gigabequerelliä. Saman laitoksen tritiumpäästöt veteen olivat vuonna 2006 2,46 terabequerelliä.[57]
Ydinvoimalaitosten toiminta Suomessa aiheuttaa eniten altistuvalle väestöön kuuluvalle yksilölle alle 0,05 mikrosievertin vuosiannoksen, mikä on alle 0,05% viranomaisten määrittelemästä 100 mikrosievertin rajasta ja noin 0,0001%:n lisäys säteilyannokseen, jonka keskivertosuomalainen saa luonnollisista säteilylähteistä vuosittain. Muu osa väestöä saa vielä pienemmän annoksen. Näin vähäpätöiset säteilyannokset paitsi alittavat taustasäteilyssä esiintyvän luonnollisen vaihtelun, niin täysin katoavat siihen. On selvää, että mitään terveysvaikutuksia ei näin pienillä muutoksilla säteilyssä ole koskaan havaittu.[58]
Ydinreaktorissa syntyy radioaktiivisia fissiotuotteita, kun uraaniatomit halkeavat fissioreaktioissa. Jos reaktori vaurioituu niin, että fissiotuotteita pääsee leviämään ympäristöön, niiden lähettämä säteily voi aiheuttaa vahinkoa ihmisille. Ydinvoiman käyttöön liittyvää onnettomuusriskiä ei pystytä täysin poistamaan, mutta huolellisella suunnittelulla ja käytöllä riski saadaan hyvin pieneksi. Ydinturvallisuuden kolme perustoimintoa ovat ketjureaktion hallinta, reaktorin jäähdytys ja radioaktiivisten aineiden leviämisen estäminen. Jos nämä perustoiminnot pystytään hoitamaan, niin ydinvoiman käyttö on turvallista.[29]
Ketjureaktion hallinnan menettäminen voi johtaa ns. reaktiivisuusonnettomuuteen, jossa ydinreaktorin teho kasvaa äkillisesti, kuten tapahtui Tšernobylin onnettomuudessa. Tällöin reaktorin polttoaine kuumenee nopeasti, mikä voi johtaa sen vaurioitumiseen ja radioaktiivisten aineiden vapautumiseen. Ydinreaktorit pyritään suunnittelemaan siten, että lämpötilan nousu tai jäähdytysveden kiehuminen hidastaa ketjureaktiota. Tämä estää reaktorin tehon hallitsemattoman kasvun. Ketjureaktion nopeaa pysäyttämistä varten reaktoreissa on pikasulkujärjestelmä, joka työntää säätösauvat reaktorin sydämeen. Jos säätösauvat jumittuvat, niin ketjureaktio voidaan pysäyttää myös pumppaamalla reaktoriin booriliuosta, joka absorboi neutroneja.[29]
Ydinreaktoria täytyy jäähdyttää vielä ketjureaktion pysäyttämisen jälkeenkin, koska fissiotuotteiden radioaktiivisessa hajoamisessa syntyy jälkilämpöä. Suuren reaktorin jälkilämpöteho on niin suuri, että se voi sulattaa polttoainesauvat. Ydinreaktorit varustetaan hätäjäähdytysjärjestelmillä, joilla reaktoriin voidaan pumpata lisää jäähdytysvettä, vaikka normaalit jäähdytysjärjestelmät eivät toimisi. Three Mile Islandin ja Fukushiman[59] onnettomuudet johtuivat siitä, että reaktoreiden jäähdytys ei toiminut.[29]
Radioaktiivisten aineiden leviämisen estämistä varten ydinvoimalassa on useita peräkkäisiä leviämisesteitä. Reaktorin normaalin toiminnan aikana lähes kaikki radioaktiiviset aineet ovat polttoainesauvojen sisällä. Siksi pelkkä vesivuoto ei aiheuta suurta säteilyvaaraa, ellei siihen liity polttoaineen vaurioitumista. Onnettomuustilanteessa polttoainesauvat voivat rikkoutua, jolloin radioaktiiviset aineet pääsevät vapautumaan paineenkestävään suojarakennukseen. Jos suojarakennus pysyy ehjänä, kuten Three Mile Islandin onnettomuudessa, niin päästöt ympäristöön jäävät hyvin pieniksi.[29]
Pääartikkeli: Ydinonnettomuus Katso myös: Luettelo ydinonnettomuuksista
Siviilikäytössä olevissa ydinvoimaloissa on sattunut kolme vakavaa onnettomuutta. Pahin niistä oli Tšernobylin reaktorin räjähdys Ukrainan alueella Neuvostoliitossa 26. huhtikuuta 1986. Yli 30 työntekijää kuoli onnettomuudessa saamiinsa vammoihin.[60] Maailman terveysjärjestön WHO:n arvion mukaan jopa 9000 ihmistä voi kuolla Tšernobylin säteilyn aiheuttamiin syöpiin.[61] Kaikki asukkaat evakuoitiin 30 kilometrin etäisyydeltä voimalasta ja lisäksi evakuoitiin pahiten saastuneita kyliä 30 kilometrin suoja-alueen ulkopuolella.[62] Onnettomuuden aiheuttamat taloudelliset vahingot olivat satoja miljardeja euroja.[63]
Historian toiseksi pahin ydinvoimalaonnettomuus sattui Japanissa, kun 11. maaliskuuta 2011 tapahtunut maanjäristys aiheutti tsunamin, joka tuhosi Fukushiman ydinvoimalan sähköjärjestelmät. Sähkökatkos pysäytti voimalan jäähdytysjärjestelmät, ja kolmen reaktorin sydämessä polttoaine ylikuumeni ja lopulta suli.[59] Noin 30 kilometrin alueelta voimalan ympäriltä evakuoitiin noin 170000 henkilöä.[64] Evakuoinnissa kuoli 51 ihmistä.[65] Suoria säteilyn haittavaikutuksia ei ole havaittu. Ihmisten saamat säteilyannokset jäivät niin pieniksi, että ne eivät oleellisesti lisää syöpäsairauksia.[64] Onnettomuuden aiheuttamat taloudelliset vahingot olivat satoja miljardeja euroja.[66]
Three Mile Islandin onnettomuus Harrisburgissa Yhdysvalloissa 28. maaliskuuta 1979 alkoi virheestä syöttövesijärjestelmän huoltotöissä. Sen jälkeen auki jumittuneen varoventtiilin kautta vuoti niin paljon jäähdytysvettä, että reaktorin sydän ylikuumeni ja suli osittain. Päästöt ympäristöön jäivät hyvin pieniksi, koska suojarakennus pysyi ehjänä. Onnettomuusreaktori vaurioitui käyttökelvottomaksi.[29] Seitsenportaisella INES-asteikolla Three Mile Islandin onnettomuus kuuluu luokkaan 5, kun Tšernobylin ja Fukushiman onnettomuudet ovat korkeimmassa luokassa 7.[60]
Katso myös: Ydinase ja Ydinaseriisunta
Luonnonuraanista alle prosentti on fissiiliä eli ketjureaktiota ylläpitävää isotooppia U-235. Ydinvoimaloissa käytetään yleensä väkevöityä uraania, jossa U-235-pitoisuus on noin kolme prosenttia. Ydinaseissa sen sijaan käytetään yli 95 prosentin väkevöintiastetta. Tästä syystä ydinaseen tekeminen ei onnistu käyttämällä ydinvoimaloiden polttoainetta sellaisenaan. Tavanomaisen ydinvoimalaitoksen kevytvesireaktori kuluttaa käydessään fissiilejä aineita, joten polttoaineen rikastusaste edelleen laskee reaktorissa ollessaan.
Vaikka tavanomaisesta kevytvesireaktorilla toimivasta ydinvoimalaitoksesta ei aseenhankinnassa olekaan juuri apua, montaa muunlaista ydintekniikkaa, kuten väkevöintiteknologiaa, voi käyttää sekä rauhanomaisesti että sotilaallisesti. Ydinpolttoainetta voidaan edelleen väkevöidä ydinaseisiin kelpaavaksi, minkä takia ydinaineista pidetään kirjaa ja niiden määrä varmennetaan tarkastuksin ja valvonnalla. Suomessa ydinainevalvonnasta huolehtii säteilyturvakeskus ja kansainvälisesti IAEA. Valvonnan laajentamista fissiilien aineiden lisäksi sotilastekniikaksi kelpaavaan ydintekniikkaan on ehdotettu, sillä esimerkiksi Intia ja Pakistan ovat hankkineet paljon asetuotantoon käytettyä ydinteknologiaa länsimaista ilmoittaen aikeekseen sen rauhanomaisen käytön.
Ydinasehankkeen naamiointi rauhanomaiseksi on yleensä kömpelöä tarvittavan tekniikan erilaisuuden ja IAEA:n tarkastusten takia. Peittelyllä ei ole koskaan onnistuttu salaamaan ydinasehanketta ydinaseen valmistumiseen asti. Peittely ei ole välttämättä tarpeenkaan, sillä jos maa ei kuulu ydinsulkusopimuksen piiriin, saa se laillisesti hankkia ydinaseen. Israelilla on ydinaseita, vaikka maalla ei ole ydintekniikan rauhanomaista voimalaitoskäyttöä. Samoin on väitetysti Pohjois-Korean laita. Alkuvuodesta 2006 on kohuttu Iranin ydinhankkeesta: maata on uhattu asian viemisellä YK:n turvallisuusneuvostoon ja pakotteilla. Jopa Yhdysvaltojen tai Israelin sotilaallisia toimia on väläytelty. Iran on uhannut puolestaan muun muassa ydinsulkusopimuksesta irtisanoutumisella. Yhdessäkään mainituista maista ei käytetä ydinvoimaa.
Ydinvoiman rauhanomainen käyttö ilman sotilaallisia pyrkimyksiä on selvästi yleisempää: yhteensä 27 ydinaseetonta maata käyttää ydinvoimaa yksinomaan rauhanomaisesti. Ydinaseen tavoittelua ehkäisevät toisaalta tässä kuvatut tekniset esteet, toisaalta kansainväliset sitoumukset. Ilman edistyksellistä teknologista kykyä väkevöidä fissiilien aineiden osuutta noin 90 prosenttiin luonnonuraanissa tai ydinpolttoaineessa ei ole teknisesti mahdollista valmistaa ydinasetta. Lisäksi miltei kaikki maailman maat ovat ydinsulkusopimuksella sitoutuneet olemaan valmistamatta ydinasetta, eikä tätä sitoumusta ole tähän mennessä rikottu. Ydinsulkusopimukseen kuulumattomia maita on tällä hetkellä koko maailmassa neljä. Ydinaseen hankkineet maat ovat – riippumatta siitä käyttävätkö ne ydinvoimaa vai eivät – poikkeuksetta joko hankkineet aseen ennen ydinsulkusopimuksen olemassaoloa tai olleet harvoja sopimuksen ulkopuolisia maita ja siten myös YK:n ydinainevalvonnan ulkopuolella.
Ydinvoimaloita käytetään myös ydinaseriisuntaan. Ydinaseen plutoniumia hävitetään laimentamalla ne ydinpolttoaineeksi kelpaavaksi ja sen jälkeen käyttämällä niitä ydinvoimalaitoksissa sähkön tuottamiseen. Ydinaseista saatavan MOX-polttoaineen käyttäminen voimalaitoksissa on kohdannut vastustusta eri järjestöiltä, jotka pitävät prosessia tehottomana ja katsovat siihen liittyvän muun muassa suuria ydinaseiden leviämiseen ja ydinturvallisuuteen liittyviä riskejä.[67] Esimerkiksi Japanin ydinvoimaonnettomuudessa pahasti vaurioituneessa Fukushima Daiichi 3 -reaktorissa käytettiin MOX-polttoainetta.
Ydinvoiman kaupallinen käyttö on alusta asti perustunut tiukalle viranomaisvalvonnalle, jonka synty ajoittuu 1950-luvun Yhdysvaltoihin. Amerikkalaisen Atomic Energy Commissionin säädöstön pohjalta on hyvin pitkälti laadittu nykyaikainen ydinvoiman rauhanomaista käyttöä koskevat säännöt ympäri maailman. Ydinvoiman käytön periaatteiden pääasiallisina ohjenuorina ovat, että käytön hyötyjen on oltava haittoja suuremmat ja sen on aina oltava turvallista. Esimerkiksi Suomessa ydinenergialaissa () määrätään seuraavaa:
5 § Yhteiskunnan kokonaisetu Ydinenergian käytön tulee olla, sen eri vaikutukset huomioon ottaen, yhteiskunnan kokonaisedun mukaista.
6 § Turvallisuus Ydinenergian käytön on oltava turvallista eikä siitä saa aiheutua vahinkoa ihmisille, ympäristölle tai omaisuudelle.
Muunlainen ydinenergian käyttö on Suomessa laitonta. Ydinenergialain ja muiden ydinenergiaa koskevien lakien ja määräysten noudattamista valvotaan sekä kansallisesti että kansainvälisesti. Päävastuu valvonnasta on aina paikallisella viranomaisella. Esimerkkinä tyypillisestä kaupallisen ydinvoiman valvontajärjestelmästä tässä annetaan suomalainen valvonta.
Työ- ja elinkeinoministeriö eli TEM vastaa ydinenergian ylimmästä valvonnasta sekä ydinenergian käytön johdosta Suomessa. Ministeriö valmistelee alan lainsäädännön ja huolehtii sen täytäntöönpanosta. TEM osallistuu Suomen edustajana ydinalan kansainvälisten sopimusten valmisteluun. TEM valvoo Suomen ydinjätehuoltoa ja hallinnoi ydinsähkön hintaan lisätyistä maksuista kerättyä Valtion ydinjäterahastoa. TEM edustaa Suomea Euratomissa, IAEA:ssa ja OECD:n atomienergiajärjestössä (NEA) sekä pohjoismaisessa ydinturvallisuuden tutkimusohjelmassa (NKS).
Säteilyturvakeskus eli STUK on ydinvoimalaitosten suunnittelua ja käyttöä valvova laitosoperaattoreista ja poliittisista päättäjistä riippumaton viranomainen. Muissa maissa on vastaavat ydinturvallisuuden valvontaviranomaiset.
Euroopan atomienergiayhteisö eli Euratom on Euroopan unionin ydinvoima-alan yhteisö, jolla on viranomaisvaltuudet. Se valvoo ydinvoiman käyttöä Euroopan unionin alueella.
Kansainvälinen atomienergiajärjestö eli IAEA on Yhdistyneiden kansakuntien ydinenergiajärjestö, joka valvoo ydintekniikan ja ydinaineiden käyttöä kansainvälisesti. Sillä on valvontaoikeus kaikissa ydinsulkusopimuksen allekirjoittajamaissa. Ydinsulkusopimuksen piiriin kuuluvat Pakistania, Intiaa ja Israelia lukuun ottamatta kaikki maailman itsenäiset valtiot.
Lappeenrannan teknillisen yliopiston laskelman mukaan ydinvoima on Suomen olosuhteissa toiseksi halvin sähköntuotantomuoto tuulivoiman jälkeen. Suurin osa ydinvoiman kustannuksista on pääomakustannuksia. Yliopiston laskelmassa pääomakustannukset muodostavat 62 prosenttia kokonaiskustannuksista, kun reaalikorko on viisi prosenttia. Polttoaineen osuus ydinvoiman kustannuksista on vain 13 prosenttia. Loput 25 prosenttia ovat käyttö- ja kunnossapitokustannuksia, joihin sisältyy rahojen varaaminen ydinvoimalan purkamiseen ja ydinjätteen loppusijoitukseen.[68]
Jos ydinvoimala aiheuttaa vahinkoja sivullisille, niin voimalaitoksen haltijan eli voimayhtiön täytyy korvata vahingot. Suomen ydinvastuulain mukaan taloudellinen vastuu on rajoittamaton. Voimayhtiön täytyy ottaa vastuuvakuutus, joka korvaa vahinkoja 700 miljoonaan euroon asti.[71][72]
Ydinsähkön hintaan on sisällytetty suuri joukko varsinaisen sähköntuotannon kustannusten ulkopuolisia odotettavissa olevia tai mahdollisia kustannuksia. Aivan kaikkia ulkoiskustannuksia ei ydinsähkön hinnan kuitenkaan arvioida sisältävän. Euroopan komission julkaisemassa tutkimuksessa on laskettu sähkön tuotannon ulkoiskustannuksia eri energianlähteillä. Ydinvoiman ulkoiskustannuksiksi tutkimuksessa saatiin 0,2–0,5 c/kWh. Tätä voi verrata hiileen (2–15 c/kWh), öljyyn (3–11 c/kWh), kaasuun (1–4 c/kWh), biomassaan (0–5 c/kWh) ja tuulivoimaan (0,05–0,25 c/kWh).[73]
Eri energiateknologioiden kehitykseen sijoitettujen resurssien määrä vaihtelee suuresti. Esimerkiksi vuonna 1999 Yhdysvalloissa ydinvoimaa tuettiin 685 miljoonalla dollarilla (n. 0,1 c/kWh) tuulivoiman tukiaisten ollessa 38,4 miljoonaa (n. 1 c/kWh) ja vesivoiman 3,8 miljoonaa dollaria (n. 0,001 c/kWh). Ydinenergian kehitystyön aikana 1947–1961 Yhdysvallat panosti erään arvion mukaan yhteensä 39,4 miljardin dollarin arvosta (15,30 dollaria/kWh) uuteen energianlähteeseen. Tätä on verrattu tuulivoiman tukeen, joka on ollut 1,2 miljardia dollaria (0,46 dollaria/kWh) yhtä pitkällä 15 vuoden jaksolla 1975–1989. Suhteutettaessa tuet nykypäivään asti tuotetun energian määrään on laskettu, että tuet nostaisivat ydinenergian hintaa laskennallisesti 1,2c/kWh. Vastaavasti aurinkoenergian tuotantoa on tuettu 51c/kWh ja tuulienergian tuotantoa 4c/kWh.[74] OECD-maissa ydinenergian tutkimukseen panostettiin vuosina 1995–1998 16 miljardia dollaria. Tämä sisältää fuusiotutkimuksen. Samalla aikavälillä uusiutuvia energia ja energian säästöä tutkittiin OECD-maiden julkisilla varoilla 9 miljardilla dollarilla.[75]
Ydinvoiman käyttö on voimakkaasti polarisoitunut poliittinen kysymys ja sitä koskevaa keskustelua ja argumentointia esiintyy tuon tuostakin medioissa. Aiheen tiimoilta järjestetään myös mielenosoituksia, mainoskampanjoita ja muita mielenilmauksia. Ydinvoimakielteiset mielenosoitukset ovat myönteisiä yleisempiä, kun taas maksettuun ilmoitteluun turvautuu useammin atomivoimaa puolustava osapuoli.
Useimmissa mielipidemittauksissa ydinvoiman käyttö saa osakseen enemmän kannatusta kuin vastustusta. Vastustajia on kuitenkin merkittävä vähemmistö. Ydinvoiman lisärakentamisesta mittaukset antavat vaihtelevia tuloksia.[77]
Ydinvoimasta käytävä poliittinen kiistely on sikäli merkittävää, että ydinvoiman tuotantoon liittyy vahvasti poliittinen lupamenettely, johon yleensä liittyy laaja julkinen keskustelu. Ydinvoiman tuotantomäärä ei siis kasva tai vähene vapaasti kysynnän mukaan, vaan sen käytön sallimisesta ja rajoittamisesta päättävät vaaleilla valitut poliitikot. Viime vuosikymmenien näkyvällä ydinvoimakeskustelulla on tuntuva vaikutus nykypäivän ydinvoimapolitiikassa. Monissa maissa ydinvoiman käyttö on poliittisella päätöksellä pysähtynyt tai kääntynyt laskuun.[34]
1950–1980-luvuilla ydinvoiman kasvu oli erittäin nopeaa ja eräissä maissa, kuten Ranskassa, sillä korvattiin fossiilisten polttoaineiden käyttö sähköntuotannossa lähes kokonaan.[78] Suomi ja Ruotsi (ks. kaavio oikealla) ovat esimerkkejä maista, joissa ydinvoiman tuotantoa on pitkään kasvatettu määrätietoisesti. Sen seurauksena fossiilisten polttoaineiden osuus kokonaisenergiantuotannosta on selvästi pienempi kuin teollisuusmaissa yleensä. Ruotsissa ja Suomessa on lisäksi mahdollista käyttää biopolttoaineita ja vesivoimaa merkittävästi, mikä myös näkyy kaavioissa.
Saksa ja Tanska ovat maita, joissa ydinvoiman käyttö on vähäistä. Tanskassa ydinvoimaan tuotantoa ei ikinä edes aloitettu ja Saksassa aluksi kasvanut ydinvoiman tuotanto on päätetty lopettaa. Maiden energiantuotanto tapahtuu enimmäkseen fossiilisilla polttoaineilla samalla kun uusiutuvien energianlähteiden käyttöä on pyritty lisäämään. Maat ovat keskittyneet lähinnä tuulivoiman lisärakentamiseen biopolttoaineiden ja vesivoiman ollessa näissä maissa mahdollisuuksiltaan rajallisia.
Huoltovarmuuden kannalta ydinvoima muodostuu lähiaikoina Suomessa merkittäväksi tekijäksi. Fennovoiman suunnitteilla oleva Hanhikiven ydinvoimala sekä rakenteilla oleva Olkiluoto 3 lisäävät Suomen ydinvoimakapasiteetin noin kaksi kertaa nykyistä suuremmaksi. Suurten ja alueellisesti erittäin keskitettyjen tuotantopaikkojen vuoksi ydinvoima on myös haavoittuva energiantuotantotapa. Sotilaallinen tai terrori-isku esimerkiksi Olkiluodon tai Loviisan ydinvoimala-alueille voisi aiheuttaa merkittävää haittaa esimerkiksi pääkaupunkiseudulla mahdollisen säteilylaskeuman vuoksi. Toisaalta myös sähkönsaanti voisi vaikeutua merkittävällä tavalla.[79]
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[80]. 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[37].
Ydinvoiman määrän tämänhetkistä kehitystä käsitellään edellä osiossa ydinvoiman käyttö.
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.[81] 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.[82]
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.[83][84]
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,[80] 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.[85]
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.[86]
Tulevaisuudessa fuusioreaktio saattaa tarjota miltei ehtymättömän energianlähteen. Fuusioenergian hyödyntäminen käytännössä on kuitenkin vuosikymmenten päässä. Fuusioenergian hinta saattaa myös muodostua suhteellisen korkeaksi. Kansainvälinen ITER-tutkimushanke tähtää toimivan, voimalaitoskoon fuusioreaktorin prototyypin rakentamiseen Cadaracheen Ranskaan. Kun ITER:n käyttö näillä näkymin 2025 alkaa, voidaan alkaa suunnitella ensimmäisiä prototyyppivoimalaitoksia reaktorin käytöstä saatujen kokemusten perusteella. Fuusiovoiman on arveltu olevan tuotantokäytössä aikaisintaan 2050. Fuusio hyödyntää vedyn kahta isotooppia, deuteriumia ²H ja tritiumia ³H, ja perustuu atomien yhdistämiseen, päinvastoin kuin fissio. Reaktiotuote on helium, kemiallisesti stabiili ja myrkytön jalokaasu.[87]
Fuusioreaktorin polttoaineena käytettävää tritiumia voidaan tuottaa litiumista. Nykyisellä energiankulutuksella tunnetut litium-varannot kestäisivät 3000 vuotta, ja merivedestä erotettu litium kestäisi 60 miljoonaa vuotta. Monimutkaisempaan fuusioprosessiin, joka käyttäisi vain deuteriumia merivedestä, polttoainetta riittäisi 150 miljardiksi vuodeksi.[88] Vertailuksi auringon jäljellä olevaksi eliniäksi arvioidaan 5 miljardia vuotta.
Tämä luettelo sisältää ydinvoimaa käsitteleviä tieteellisiä ja viranomaissivustoja sekä muita epäpoliittisia sivustoja. Linkkejä ydinvoimaa vastaan tai sen puolesta kampanjoiville sivustoille löytyy artikkelista ydinvoimakeskustelu.
Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. – Kalifornian yliopiston tutkimuslaboratorion kausijulkaisun artikkeli (syksy 2003) Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. – kansainvälinen fuusioreaktorihanke Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead.
Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. – EU:n ydinenergiaviranomainen Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. – Hallitustenvälinen yhteistyöelin ydintekniikan, ydintutkimuksen, ydinturvallisuuden, lainsäädännön ja ympäristönsuojelun alalla. Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead. – Yhdysvaltojen energiaministeriön ydinvoimaosasto Transclusion error: {{En}} is only for use in File namespace. Use {{lang-en}} or {{en icon}} instead.
Luokka:62.09 Energia * Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit