Ydinreaktori

Ydinreaktori on tekninen laite, jolla tuotetaan ja ylläpidetään ydinreaktioita. 

Fissioreaktoreita käytetään varsinkin sähköntuotantoon ydinvoimaloissa. Muita käyttökohteita ovat muun muassa tutkimus, säteilyn tuottaminen (esimerkiksi sädehoitoon), isotooppien valmistaminen (mm. lääketieteen käyttöön), toimiminen kulkuneuvon (laiva tai sukellusvene) voimanlähteenä. 

Fuusioreaktoreita ei ole toistaiseksi operatiivisessa käytössä, mutta toimivia koereaktoreita on tehty.

Historia
Siviiliydintekniikan juuret ovat sotilastarkoituksiin kehitetyssä tekniikassa. 1950-luvun ydinaseiden kehitysprojektien tuloksena tarvittiin väkevöityä uraania ja plutoniumia, jonka tuotantoon ensimmäiset reaktorit rakennettiin.Viite?

Siviilikäytön ydinreaktoreiden kehitykseen vaikutti eniten Yhdysvaltain ydinsukellusveneohjelma, jonka tavoitteena oli kehittää kompakti reaktori sukellusveneiden toiminta-ajan pidentämiseen. Tämän ohjelman aikana kehitetyt kevytvesihidasteiset kiehutus- ja painevesireaktorit tarvitsivat väkevöityä uraania, jota Yhdysvalloilla oli käytössään riittävästi -  kiitos sotilastarkoituksiin rakennetun väkevöintikapasiteetin. Kapasiteetti riittikin aina 1970-luvulle, jolloin vuoden 1970 Almelon sopimuksen perusteella avattiin Alankomaissa uusi väkevöintilaitos.

Yhdysvallat kielsi  väkevöidyn uraanin maastaviennin vuoteen 1956 asti. Tämän vuoksi Ranska ja Britannia kehittivät aluksi kaasujäähdytteiset reaktorit, jotka saattoivat käyttää polttoaineenaan luonnonuraania. Brittiläinen Magnox-malli on edelleen käytössä. Ensimmäinen brittiläinen kaupallinen laitos tuotti myös plutoniumia aseteollisuuden tarpeisiin. Ranskassa viimeiset kaasujäähdytteiset reaktorit suljettiin 1994. Niiden kehitystyö keskeytettiin jo 1969 painevesireaktorien hyväksi.

Kanada seurasi omia polkujaan, koska sillä oli käytössään toisen maailmansodan aikaisen aseohjelman aikainen kapasiteetti raskaan veden tuotantoon. Kanadan reaktori hyödynsi raskasta vettä ja luonnonuraania.

Neuvostoliitossa kehitettiin kaksi siviilireaktoria vuodesta 1954 lähtien, ensimmäisen Obninskin ydivoimalaitoksessa käyttöön otetun AM-1-reaktorin jälkeen. Ensimmäinen, RBMK on grafiittihidasteinen ja kevytvesijäähdytteinen reaktorimalli. Reaktorista rakennettiin kahta mallia, 1000 megawatin ja 1500 megawatin sähköntuotantotehoon kykenevät RBMK-1000 ja RBMK-1500-mallit. Reaktoria ei rakennettu missään muualla kuin Neuvostoliitossa. Sielläkin kaikki nykyisen Venäjän ulkopuolella olevat laitokset on sittemmin suljettu. Nykyisen Venäjän ulkopuolella Tšernobylin lisäksi Ignalinan ydinvoimalaitos nykyisen Liettuan tasavallan alueella olivat ainoat joissa tyypin reaktoreita oli käytössä.

Toinen versio on painevesireaktori VVER joka pitkälti vastaa länsimaissa kehitettyä painevesireaktoria, lukuun ottamatta pieniä eroavaisuuksia suunnittelussa. Näitä ovat esimerkiksi: VVER-reaktorissa höyrystimet ovat vaakatasossa ja polttoainekanavat kuusikulmaisen muotoisia, kun PWR-reaktorissa höyrystimet ovat pystysuunnassa ja polttoainekanavat neliönmuotoiset.. NL:n ensimmäinen painevesireaktori otettiin käyttöön 1964. Tätä mallia on myyty myös muille maille. Esimerkiksi Suomessa Loviisan ydinvoimaitoksen kaksi reaktoria ja suunnitteila oleva Hanhikiven voimalaitos ovat tätä tyyppiä. Loviisassa kuitenkin reaktorin hallintajärjestelmät ovat länsimäistät tekoa. Hanhikivi I on vasta suunnitteluvaiheessa.

Ydinvoimareaktori 
Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tehtävänä on tuottaa lämpöä ydinpolttoaineesta. Tämä tapahtuu ylläpitämällä, säätämällä ja valvomalla reaktorissa tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen (tavallisesti uraanin tai plutoniumin, mutta myös torium on mahdollinen) atomien fissio tuottaa lämpöä.

Voimalaitosreaktorit ovat yleisimmin kevytvesihidasteisia reaktoreita (painevesireaktori tai kiehutusvesireaktori). Lisäksi käytössä on grafiittihidasteisia reaktoreita (Venäjä RBMK, Britannia ja Ranska), sekä  raskasvesireaktoreita joita on rakennettu ainakin Kanadassa ja Intiassa.

Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä 3–5 vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä reaktorityypeissä (mm. CANDU ja RBMK), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.

Reaktorin säätö 
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii kolmea asiaa:

 väkevöityä ydinpolttoainetta, joka reagoi 
 neutroneja, jotka aiheuttavat fissiot 
 hidastinainetta, joka jarruttaa neutroneja niin etteivät ne karkaa reaktorista aiheuttamatta fissiota. 

Tätä voi verrata tulisijaan, jossa tarvitaan polttoainetta, kuumuutta ja happea tulen ylläpitämiseksi. Jos yksikin menetetään, reaktio ei kykene jatkumaan.

Kevytvesireaktori on suunniteltu siten, että sen toimiessa nämä kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Täten reaktorin teho voidaan valita vapaasti suunnitellulta tehoalueelta ja ydinvoimalan energiantuotantoa voidaan säätää kulutuksen mukaisesti. Toisaalta reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää parhaimmillaan vain noin sekunnin.

Kevytvesihidasteisen reaktorin - kevytvesireaktorin -  luonteeseen kuuluu, että se on luonnostaan vakaa. Mahdollisessa toimintahäiriössä ketjureaktion kiihtyminen  nostaa jäähdytys- ja hidastinaineena toimivan veden lämpötilaa ja pienentää täten veden tiheyttä. Veden tiheyden pieneneminen puolestaan vähentää veden kykyä hidastaa neutronien nopeutta ketjureaktion syntymiseen vaadittavaan nopeuteen. Kevytvesihidasteisessa reaktorissa on tehon negatiivinen takaisinkytkentä; tehon epätarkoituksenmukainen nousu laskee reaktorin tehoa.

Reaktorityypit 
Ydinreaktoreita voidaan jaotella monella eri tavalla. Yksi tapa on käyttötarkoituksen mukaan tutkimusreaktoreihin, lääketieteellisiin reaktoreihin, isotooppien tuotantoreaktoreihin, voimalaitosreaktoreihin, laivareaktoreihin, avaruusreaktoreihin jne. Toinen tapa on neutronien nopeuden mukaan hitaisiin ja nopeisiin reaktoreihin. Suurimmassa osassa reaktoreita fissioissa syntyviä neutroneita täytyy jarruttaa hidastinaineella, etteivät liian monet karkaa reaktorista synnyttämättä uusia fissioita. Nopeissa reaktoreissa hidastamista ei tehdä, vaan reaktion jatkuminen varmistetaan muuten, esimerkiksi käyttämällä väkevämpää polttoainetta. Kolmas tapa jaotella reaktoreita onkin hidastinaineen mukaan lähinnä kevytvesireaktoreihin, raskasvesireaktoreihin ja grafiittihidasteisiin reaktoreihin. Neljäs tapa jaotella reaktoreita on jäähdytyksen mukaan muun muassa kaasujäähdytteisiin ja kiehutus- ja painevesireaktoreihin. Suurin osa maailman voimalaitosreaktoreita on kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä.

Tässä reaktorit on luokiteltu hidastinaineen mukaan.

Kevytvesireaktorit 
Ydinvoimareaktorien selkeä pääosa on kevytvesireaktorit. Varsinkin uusissa voimalaitoksissa miltei kaikissa on kevytvesireaktori, joita on kahta tyyppiä:
 painevesireaktori (, )
 kiehutusvesireaktori (BWR)

Grafiittihidasteiset reaktorit 
Lähinnä Britanniassa käytetään kaasujäähdytteisiä, grafiittihidasteisia reaktoreita (GCR). 

Neuvostoliitossa kehitetty RBMK-reaktori on vesijäähdytteinen grafiittihidasteinen reaktori, jota käytetään nykyään vain Venäjän federaation alueella. RBMK on surullisenkuuluisa Tšernobylin onnettomuusreaktorina. RBMK:ssa on useita vain sille tyypillisiä suunnittelupuutteita, jotka osaltaan mahdollistivat onnettomuuden. Esimerkiksi toisin kuin kevytvesireaktorit, se ei ole kaikilla tehoalueilla luonnostaan vakaa, mikä osaltaan mahdollisti onnettomuuden käynnistäneen nopean tehopiikin.

 kaasujäähdytteinen reaktori (GCR)
 grafiittihidasteinen vesijäähdytteinen kanavareaktori (RBMK)
 nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori (LMR), käytetään usein hyötöreaktoreissa

Raskasvesireaktorit 
Kanadassa kehitetty CANDU voi käyttää luonnonuraania polttoaineenaan, joten uraanin väkevöintiä ei vaadita. Toisaalta reaktori tarvitsee miltei yhtä vaikeasti valmistettavaa raskasta vettä. CANDUn polttoainetta voi vaihtaa reaktorin käytön aikana, mikä tekee ydinaineiden valvonnasta kevytvesireaktoreita hankalampaa.
 paineistettu raskasvesireaktori (CANDU)

Kehittyneet reaktorit 
Maailmalla tutkitaan eräitä edistyksellisiä reaktorityyppejä, joita ei vielä ole laajalti käytössä. Pisimmällä ollaan nopean hyötöreaktorin kehityksessä. Niitä on ollut sähkön tuotantokäytössä muun muassa Japanissa, Ranskassa ja Venäjällä. Hyötöreaktorin suurin etu on polttoainetaloudellisuus: reaktori voi tuottaa toisesta halvasta, yleisestä ja muuten ydinreaktioon sopimattomasta aineesta kuten U-238 isotoopista ydinreaktioon sopivaa fissiiliä ainetta kuten esimerkiksi Pu-239-isotooppia transmutaation, avulla. Lisäksi vaikutusala, eli hajoamistodennäköisyys, U-238 kaltaiselle nuklidille on suurempi kuin esimerkiksi kevytvesireaktorissa. 
 nopea hyötöreaktori
 neljännen sukupolven reaktori
 fuusioreaktori

Nopeassa reaktorissa ei käytetä hidastinainetta. Fuusioreaktorin toiminta perustuu fission - atomiytimien pilkkomisen -sijasta fuusioon - atomiytimien yhdistämiseen.

Ydinreaktorisukupolvet 
Ydinreaktorisukupolvi-jaottelua käytetään ydinvoimalaitoksien luokitteluun.

Ensimmäinen, toinen ja kolmas sukupolvi 
Toisen sukupolven voidaan laskea alkaneen 1970-luvun alussa kevytvesireaktoreiden ja niiden vaatiman polttoaineen väkevöimisteknologian kehittymisen myötä. 1980-luvulla ja 1990-luvun alussa rakennetut toisen sukupolven kevytvesireaktorit muodostavat ylivoimaisen enemmistön käytössä olevista reaktoreista.

Kolmannen sukupolven reaktorit ovat hyväksyttyjä ja jo käytössä olevia laitoksia, jotka hyödyntävät kehityksen uudempaa antia. Suurimmat edistysaskeleet on otettu odotetun käyttöiän kasvattamisessa noin 40:stä 60 vuoteen ja turvallisuudessa, erityisesti vakavien tapaturmien seurausten vähentämisessä.

Sukupolven IV ydinreaktorit 
Neljännen sukupolven reaktorit ovat tutkimuksen alla. Vaikka niitä ei odoteta saatavan kaupalliseen käyttöön ennen vuotta 2030, niiden tutkimukseen panostetaan, sillä fuusiovoiman ei odoteta olevan hyödynnettävissä ennen vuosisadan puoliväliä. Tekniikaltaan ja toimintaperiaatteiltaan tutkimuksen  kohteena on monia eri tyyppejä, mutta yleisesti voidaan sanoa seuraavaa

Erityisiä odotuksia uudelta tekniikalta
uusien polttoaineiden saaminen hyödynnettäviksi (suurempi osa luonnonuraanista, torium)
uraanivarantojen riittävyyden parantaminen ja sitä myötä ydinvoiman elinkaaren pidentäminen yleisesti
polttoaineen uudelleenkierrätys reaktorissa
lopullisen jätteen radioaktiivisuuden, sen puoliintumisajan, lämmöntuoton sekä kokonaismäärän pienentäminen
niin sanottujen korkean lämpötilan reaktorien lämmön samanaikainen hyödyntäminen muuhunkin kuin sähkön tuottoon

Tekniikan asettamia vaatimuksia ja ongelmia
käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelylaitoksien rakentaminen
paljon korkeampi säteilytaso monissa polttoainekierron osavaiheissa, joissa myös ihmisiä työskentelemässä

Vuonna 2001 perustettiin valtioiden välinen yhteistoimintaelin Generation IV International Forum (GIF) koordinoimaan seuraavan sukupolven ydintekniikan kehitystä jasenmaissa. Vuonna 2009 jäseninä oli 12 maata ynnä Euroopan atomienergiayhteisö Euratom.

Reaktorityypit 
Erittäin korkean lämpötilan reaktori
Ylikriittisellä vedellä jäähdytetty reaktori
Sulasuolareaktori
Kaksoisfluidireaktori

Hyötöreaktorit 
Kaasulla jäähdytetty nopea reaktori
Natriumilla jäähdytetty nopea reaktori
Sulalla metallilla jäähdytetty hyötöreaktori
Lyijyllä jäähdytetty nopea reaktori

Katso myös 
 Ydinvoima
 Raskasvesi

Lähteet 
 Choppin et al.: Principles of Nuclear Power, 19. luku

Viitteet

Ydinvoima
Ydinfysiikka
Ydinreaktorityypit
Seulonnan keskeiset artikkelit