Otaniemen tutkimusreaktori

Otaniemen tutkimusreaktori FiR 1 oli Suomen ensimmäinen ydinreaktori ja tutkimusreaktori. Se sijaitsi Espoossa Aalto-yliopiston Otaniemen kampusalueella osoitteessa Otakaari 3. Reaktorilla on tuotettu radioisotooppeja mm. teollisuusmittausten käyttöön. Aktivointianalyysillä (näytteen aktivoiminen neutronisäteilyllä tiettyjen alkuaineiden pitoisuuksien määrittämiseksi) on tutkittu geologisia ja biologisia näytteitä sekä erilaisten materiaalien ja prosessiliuosten epäpuhtauksia. Reaktorilla on tutkittu myös laitteiden säteilynkestävyyttä: mm. ITER-fuusioreaktorin magneettikentän mittausantureita on säteilytetty reaktorilla. Yliopiston opiskelijat ovat tehneet tutkimusreaktorilla harjoitustöitä. 2000-luvulla reaktorin merkittävin toimintamuoto oli erityisesti kaulan ja pään alueen syöpiä sairastaville annettu boorineutronisädehoito (BNCT, Boron Neutron Capture Therapy).

Historia

1960–2015
Sopimus tutkimusreaktorin hankkimiseksi allekirjoitettiin 1960. Reaktorin hankkimisen puuhamiehinä olivat Pekka Jauho, Erkki Laurila ja Heikki Lehtonen. Hankkeessa tähdättiin ydinvoimalan saamiseen Suomeen. Tutkimusreaktori tarvittiin, jotta pystyttiin kouluttamaan henkilökuntaa Loviisaan ja Olkiluotoon. Reaktori maksoi 226,5 miljoonaa markkaa, eli vuoden 2019 rahassa 5,1 miljoonaa euroa.

Reaktori käynnistettiin 1962. Vuonna 1967 sen teho korotettiin 100 kilowatista 250 kilowattiin. Reaktori oli aluksi Teknillisen korkeakoulun hallinnassa. Vuonna 1971 valtioneuvosto siirsi sen Teknologian tutkimuskeskus VTT:lle. Tontin ja rakennuksen omistaa nykyään Aalto-yliopistokiinteistöt Oy.

Reaktorin yhteyteen rakennettiin BNCT-säteilytysasema, jolla annettiin sädehoitoa yli 200 syöpäpotilaalle vuosina 1999–2011. Hoidon tulokset olivat hyviä. Boorineutronikaappaushoito toimii siten, että potilaan suoneen ruiskutetaan boorin kantaja-ainetta, jolloin boori hakeutuu syöpäkasvaimeen. Tämän jälkeen kasvaimen alueelle suunnataan neutronisäteilyä. Kun neutroni osuu syöpäkasvaimessa olevaan booriatomiin, atomi halkeaa, jolloin paikallisesti muodostuu suuri säteilyannos ja syöpäsolut tuhoutuvat. Hoito säästää tervettä kudosta. Tutkimusreaktorin sulkemisen takia HUS on hankkimassa uutta, hiukkaskiihdyttimeen perustuvaa BNCT-hoitoasemaa, jonka on tarkoitus käynnistyä vuonna 2019.

BNCT-syöpähoidoista vastannut yritys Boneca Oy ajautui konkurssiin tammikuussa 2012. Sen jälkeen VTT päätti sulkea reaktorin, koska sen ylläpito maksoi noin 400 000 euroa vuodessa. Reaktori sammutettiin pysyvästi vuonna 2015 poistamalla sydämestä useita polttoainesauvoja.

Purkaminen 
Reaktorin käytön lopettamisen jälkeen laitokselta poistettiin ensin ydinpolttoaine. Tämän jälkeen puretaan muut radioaktiiviset osat (reaktorisydän sisäosineen, reaktoriallas, betonista tehty biologinen suoja, BNCT-asema ja jäähdytysjärjestelmän primääripiiri). Käytetty ydinpolttoaine ja pääosa reaktorisydämestä ovat korkea-aktiivista jätettä. Muut radioaktiiviset purku- ja huoltojätteet luokitellaan matala- ja keskiaktiivisiksi ydinjätteiksi. Tavoitteena on rajoittaa purkutöistä aiheutuva työntekijöiden kollektiivinen säteilyannos alle 10 millimansievertiin. Reaktorirakennus puhdistetaan niin, että sen jatkokäytölle ei ole rajoituksia.

Reaktorilla oli yhteensä 103 kappaletta käytettyjä polttoainesauvoja, ja niissä oli uraania yhteensä 21,4 kg. Reaktori kulutti hyvin vähän polttoainetta, koska sen teho oli niin pieni ja sitä käytettiin vain muutamia tunteja päivässä. Osa polttoainesauvoista oli reaktorissa koko sen 53-vuotisen käytön ajan. Käytetty polttoaine ei vaadi jäähdytystä, koska sen jälkilämpöteho on niin pieni. Käytetyn polttoaineen lisäksi varastossa oli 24 käyttämätöntä polttoainesauvaa, joissa oli uraania yhteensä 5,7 kg.

Ydinpolttoaine on yhdysvaltalaista alkuperää ja kuluu Yhdysvaltojen energiaministeriön käytetyn polttoaineen palautusohjelman piiriin. Ohjelman tarkoituksena on ydinmateriaalien leviämisen estäminen. Ydinenergialaki kieltää ydinjätteen viennin pois Suomesta. Laissa on kuitenkin poikkeus, jonka mukaan kielto ei koske tutkimusreaktorin ydinjätteitä. Helmikuussa 2021 VTT kuljetti tutkimusreaktorin polttoaineen Denveriin, jossa Yhdysvaltain geologian tutkimuskeskus käyttää sitä vielä useita vuosia omassa reaktorissaan. Sen jälkeen Yhdysvallat huolehtii käytetystä polttoaineesta.

VTT on tehnyt Fortumin kanssa sopimuksen reaktorin purkamisesta, joka aloitettiin kesäkuussa 2023. Reaktorin purkamisesta syntyvän matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen määräksi arvioidaan 100 m3 (140 tonnia), josta pääosa on betonia. Purkujäte aiotaan kuljettaa Loviisan tai Olkiluodon matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoitusluolaan.

FiR 1 on ensimmäinen purettava ydinlaitos Suomessa. Tutkimusreaktorin purusta saatavia oppeja aiotaan käyttää ydinvoimalaitosten käytöstäpoiston valmisteluun. Vuonna 2018 hallitus päätti myöntää VTT:lle 13,5 miljoonan euron erityisavustuksen tutkimusreaktorin purkamiseen, ja ydinenergialain edellyttämä purkamislupa myönnettiin kesäkuussa 2021. Purkutyöt kestävät noin vuoden ja sen jälkeen tiloja voidaan käyttää muihin tarkoituksiin.

Tekniikka 

FiR 1 oli yhdysvaltalaisen General Atomicsin valmistama TRIGA  Mark II -tyyppinen reaktori . TRIGA on lyhenne sanoista Training, Research, Isotopes, General Atomics. TRIGA-reaktoreita on rakennettu yhteensä 66 kappaletta 24 eri maahan. 

Reaktorin alkuperäinen lämpöteho oli 100 kilowattia, ja reaktoria jäähdytettiin juoksuttamalla vesijohtovettä lämmönvaihtimen kautta viemäriin. Vuonna 1967 reaktorin teho nostettiin 250 kilowattiin ja samalla jäähdytysjärjestelmä uusittiin ottamalla käyttöön haihduttavat jäähdytystornit. Lämpöä ei käytetty hyödyksi, koska reaktoria käytettiin vain muutamia tunteja päivässä. Reaktorin jälkilämpö oli niin vähäistä, ettei aktiivista jäähdytystä tarvittu, kun reaktori oli sammutettu. 

Reaktorin sydän oli noin 6 metriä syvän, ylhäältä avoimen vesialtaan pohjalla . Vesi toimi jäähdytteenä, neutronien hidastimena ja säteilysuojana. Uraania sisältävän sydämen halkaisija oli noin 44 cm ja korkeus noin 36 cm. Uraania sydämessä oli noin 15 kg. 

Reaktorissa oli 79 polttoainesauvaa. Polttoaineen materiaali oli uraanizirkoniumhydridi (UZrH). Polttoaineen uraanipitoisuus oli 8–12 prosenttia ja väkevöintiaste eli uraani-235 isotoopin osuus 20 prosenttia. Sydämen ylä- ja alapuolella ja ympärillä oli grafiittiheijastin, jonka tarkoituksena oli sirottaa osa reaktorisydämestä ulospäin suuntautuvista neutroneista takaisin reaktorisydämeen. Reaktoriallas oli ympäröity betonista rakennetulla biologisella suojalla, joka toimi reaktorin säteilysuojana sivusuunnassa. Reaktorissa oli neljä boorikarbidista tehtyä säätösauvaa . 

Polttoainemateriaalin eli uraanizirkoniumhydridin ominaisuus on voimakas negatiivinen takaisinkytkentä lämpötilan ja reaktiivisuuden välillä. Tämän ansiosta ketjureaktion karkaaminen hallitsemattomasti on fysikaalisesti mahdotonta.  Voimakkaan takaisinkytkennän ansiosta reaktorilla voitiin ”ampua” tehopulsseja. Siinä säätösauva ammuttiin paineilmalla pois sydämestä, jolloin reaktorin teho nousi tuhatkertaiseksi eli 250 megawattiin. Tämä nosti polttoaineen lämpötilaa, ja reaktiivisuuden ja lämpötilan negatiivinen takaisinkytkentä pysäytti ketjureaktion itsestään. Tehopulssi kesti vain 30 millisekuntia.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 VTT:n verkkosivusto FiR 1 -tutkimusreaktorin käytöstäpoistosta
 Ylen Elävä arkisto -sivu Otaniemen tutkimusreaktorista
 Bruno Bärs: Drag ur FiR 1 reaktorns historia, del 1/2. ATS Ydintekniikka 3/2008, sivut 28–31 
 Bruno Bärs: Drag ur FiR 1 reaktorns historia, del 2/2. ATS Ydintekniikka 4/2008, sivut 18–21 

Ydinvoima Suomessa
Otaniemi
VTT