Ydinvoimala

Ydinvoimala tai ydinvoimalaitos (myös atomivoimala, atomivoimalaitos, atomimiilu) on lauhdevoimalaitos, jossa tuotetaan sähköä ydinvoimaa (ydinreaktori) hyödyntäen. Ydinvoimalla voidaan tuottaa myös lämpöä esimerkiksi kaukolämpöverkkoon, mutta lämmön tuotannossa edullinen vastapaineperiaate ei ole edullinen ydinreaktorin kanssa reaktorin matalien lämpötilaerojen ja ydinvoimaloiden syrjäisten sijaintien vuoksi. Pääsääntöisesti ydinreaktorin toimintaperiaate perustuu atomiydinten halkeamisessa vapautuvaan lämpöenergiaan; massaa muuttuu energiaksi (E=mc²). Toinen ydinreaktorin toimintaperiaate on atomiytimien yhdistäminen, eli ydinfuusio. Ydinfuusiossa lämpöenergiaa syntyy, kun yhdistettävissä ytimissä on enemmän massaa kuin tuotetussa ytimessä. Ydinfuusioperiaatteen reaktoreita ei ole vielä (v. 2021) kaupallisessa käytössä. Ydinreaktorissa syntyneen lämpöenergian avulla tuotetaan korkeapaineista vesihöyryä joka pyörittää höyryturbiinia, joka puolestaan pyörittää sähkögeneraattoria.
Historia.
Ensimmäinen sähköverkkoon sähköä tuottava ydinvoimalaitos, Obninskin ydinvoimalaitos, aloitti toimintansa 1. kesäkuuta 1954 Neuvostoliitossa. Ydinvoimalaitos yhdistettiin sähköverkkoon noin kolme viikkoa myöhemmin tuottaen sähköä tarpeeksi noin 2 000 kotitaloudelle. Sen sijaan maailman ensimmäinen täyden mittakaavan ydinvoimalaitos, Sellafield, avattiin 17. lokakuuta 1956 Isossa-Britanniassa.
Ydinvoimalaitoksen rakenne.
Ydinvoimalaitoksen pääosat ovat:
Ydinvoimalaitoksessa ydinreaktori tuottaa lämpöä, joka kuumentaa pääkiertopiirin vettä. Laitostyypistä riippuen joko pääkiertopiirin vesi höyrystyy, pyörittää turbiinia ja lauhdutetaan, tai sitten pääkiertopiirin vesi johdetaan erillisiin höyrystimiin, joissa toisiopiirin vesi höyrystetään turbiiniin ja lauhduttimeen. Turbiiniin on kytketty generaattori, jolla tuotetaan sähköä. Lauhduttimessa suljetun vesikierron vesi lauhdutetaan höyrystä jälleen vedeksi. Lauhdutinta jäähdytetään joko vesistöstä saatavalla vedellä tai jäähdytystornien avulla.
Ydinreaktori sisältää kaiken ydinvoimalaitoksen ydintekniikan ja radioaktiivisten aineiden selkeän pääosan. Reaktori on eristetty ympäristöstä ilmatiiviiseen suojarakennukseen. Muilta osin ydinvoimalaitos on kuten muutkin lämpövoimalaitokset.
Ydinreaktori.
Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tehtävänä on tuottaa lämpöä ydinpolttoaineesta. Tämä tapahtuu ylläpitämällä ja säätämällä reaktorissa tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen (tavallisesti uraanin) atomien fissio tuottaa lämpöä.
Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä 3–5 vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä harvinaisissa reaktorityypeissä (muun muassa CANDU ja RBMK), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu pääasiassa ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.
Ydinvoimareaktoreita on useita erilaisia pääasiallisten erojen ollessa "jäähdytteen" ja "hidastinaineen" valinnassa. Hidastinaineen tehtävä on jarruttaa fissioreaktioissa syntyviä neutroneita: vain tarpeeksi hitaina neutronit aiheuttavat tarpeeksi uusia fissioita, jotta ketjureaktio pysyisi käynnissä, nopeiden neutronien karatessa herkästi reaktorista. Hidastinaineena voidaan käyttää "grafiittia" tai "raskasta vettä", mutta yleisin on tavallinen "vesi", josta käytetään myös nimitystä "kevyt vesi", jotta ero raskaaseen veteen olisi selvä. Jäähdytteen tehtävä on siirtää reaktorin tuottama lämpö voimalaitosprosessiin, ja se on tavallisesti vettä.
Kevytvesireaktorit, joissa tavallinen vesi on sekä jäähdytteenä että hidastinaineena, ovat suunnittelultaan yksinkertaisia, ydinteknisiltä ominaisuuksiltaan luonnostaan vakaita ja helppoja säätää. Näistä ominaisuuksista johtuen maailman voimalaitosreaktorit ovat pääosin kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä. Varsinkin uudet voimalaitokset käyttävät lähes yksinomaan kevytvesireaktoreita. Maailmalla on käytössä myös eräitä harvinaisempia reaktorityyppejä, muun muassa Venäjällä ja Kanadassa; niistä kerrotaan tarkemmin artikkelissa ydinreaktori.
Reaktorin säätö.
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii seuraavien kolmen edellytyksen täyttymistä:
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 kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää noin sekunnin. Sammutuksen jälkeen uraanin hajoamistuotteet jatkavat kuitenkin hajoamistaan ja tuottavat huomattavasti jälkilämpöä, minkä vuoksi reaktorin jäähdytyksestä on huolehdittava vielä reaktorin sammutuksen jälkeenkin.
Kevytvesireaktorin luonteeseen kuuluu, että se on itsestään, fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta, vakaa. Tehon ja siten lämpötilan nousu reaktiossa johtaa hidastinaineen lämpölaajenemisen takia hidastumisen vähenemiseen, mikä itsestään vähentää fissioiden määrää.
Reaktorin säätölaitteiston tehtävänä on, turvallisuusmerkityksensä lisäksi, muuttaa reaktorin lämpötehoa sopivaksi aikoina, jolloin sähkön kulutus ei edellytä voimalaitoksen käyttöä täydellä teholla. Esimerkiksi on mahdollista, että ydinvoimalaitoksen energiantuotantoa vähennetään yön ajaksi oheisen kuvan havainnollistamalla tavalla. Tehon muutos ei ole välitön, vaan voimalaitosprosessi sopeutetaan vähittäisellä muutoksella uuteen tehontarpeeseen. Nykyaikaisessa ydinvoimalaitoksessa tehon säätö tapahtuu nopeammin kuin tyypillisissä fossiilisia polttoaineita käyttävissä laitoksissa, mutta vesivoimalaitokset voivat säädettävyydessään saavuttaa ydinvoimalaitokset. Ydinvoimalaitoksen polttoaineenkulutus luonnollisesti vähenee suhteessa alennettuun tehoon. Suomessa sähkön kysyntä on viime vuosikymmenet ollut niin suurta, ettei ydinvoimalaitosten sähköntuotantoa tavallisesti säädetä, vaikka se teknisesti onkin mahdollista.
Ydinvoimalle on muista energiantuotantotavoista poiketen mahdollista "automaattinen kuormanseuranta". Kun sähkönkulutus verkossa kasvaa, lisää se voimalaitoksella generaattorin kuormaa. Tällöin höyry luovuttaa enemmän energiaa turbiinissa ja se palaa enemmän jäähtyneenä prosessiin. Kevytvesireaktorissa tämä johtaa lämpötilan laskuun ja lämpölaajenemisen vastakkaisilmiöön eli tiheyden kasvuun hidastinaineessa. Tiheämpi hidastinaine hidastaa enemmän neutroneita ja lisää fissioiden määrää: reaktorin teho nousee itsestään suuremman kuorman seurauksena. Tästä syystä ydinvoimalaitokset pyrkivät luonnostaan tasaamaan tuotannon ja kulutuksen muutoksia sähköverkossa.
Suurimmat ydinvoimalat.
Maailman kymmenen suurinta ydinvoimalaitosta sijaitsevat pääosin Japanissa ja Ranskassa.
Ydinvoimalat Suomessa.
Suomessa on toiminnassa kaksi ydinvoimalaitosta ja kaikkiaan viisi ydinreaktoria. Niistä kolme sijaitsee Olkiluodossa ja kaksi Loviisassa. Olkiluodon voimalaitokset rakensi ruotsalainen Asea-Atom. Loviisan VVER-voimalaitokset rakennettiin puolestaan Suomen ja Neuvostoliiton väliseen clearing-kauppaan liittyen, ja Neuvostoliitossa käytettyihin vesijäähdytteisiin vastaaviin ydinvoimalaitoksiin pohjautuen. Olkiluodon kolmas ydinreaktori käynnistyi lopulta joulukuussa 2021 ranskalaisen Arevan rakentamana. Voimalaitoksen käyttöönotto piti alun perin tapahtua vuonna 2009. Pyhäjoen Hanhikivelle suunniteltiin 2010-luvulla 1 200 megawatin ydinvoimalaitosta, jonka rakentajaksi kaavailtiin venäläistä Rosatom-nimistä yritystä.