European Pressurized Water Reactor

Wikipedia

Olkiluoto sellaisena, miltä se näyttää Suomen viidennen ydinvoimalan valmistuttua

European Pressurized Water Reactor^[1] (suom. eurooppalainen painevesireaktori, lyh. EPR) on kolmannen sukupolven ydinreaktori-tyyppi, joka perustuu painevesireaktoriin eli PWR:n (engl. Pressurized Water Reactor). Sen ovat suunnitelleet ja kehittäneet pääasiassa Commissariat à l'Énergie Atomique Ranskassa ja Karlsruhen tutkimuskeskus Saksassa.

Olkiluodon ydinvoimalan rakenteilla oleva kolmas yksikkö tulee olemaan maailman ensimmäinen EPR-reaktori valmistuessaan talvella 2009. Sen rakennustöistä vastaa ranskalainen teollisuuskonserni Areva. Kolmosreaktorin kaupallinen toiminta alkaa 2011.^[2]

EPR on käynnistyessään maailman suurin ydinvoimalaitos teholla mitattuna. Sen lämpöteho on 4300 MW ja sähköteho 1600 MW. EPR:n suunnittelu perustuu ranskalaiselle N4-reaktorille (sähköteho 1450 MW) ja saksalaiselle Konvoi-reaktorille (1290–1400 MW). Painevesireaktorina EPR on kevytvesihidasteinen ja -jäähdytteinen; sen tekniset perusratkaisut edustavat maailman ydinvoimalaitoksissa eniten käytettyä reaktoritekniikkaa. ^[3]

Reaktoria on suunniteltu käytettävän jopa kahden vuoden latausväleillä ja sen käyttöiäksi on lähtökohtaisesti määritetty 60 vuotta 90 % käyttöasteella. Polttoaineessa on tarkoitus saavuttaa aiempaa korkeampi palama ja sitä kautta polttoainetaloudellisuuden pitäisi parantua. Yhdessä korkean lämpötehon kanssa nämä ominaisuudet tekevät EPR:stä tekniseltä suorituskyvyltään vaikuttavan reaktorin. Parannukset suorituskyvyssä perustuvat toisaalta kehitykseen ydinpolttoaineessa, toisaalta reaktorisydämen suunnitteluun.

[muokkaa] Reaktorisydän

Voimalaitoksen suuresta tehosta johtuen EPR:n reaktorisydän on varsin mittava. Se sisältää 89 säätösauvaa ja 241 ydinpolttoainenippua, joiden aktiivinen pituus on 4,2 metriä. Läpimittaa reaktorisydämellä on 3,76 metriä. Tyypillisellä latauksella reaktori sisältää 128 tonnia uraanioksidia.

Reaktorisydämen lämpötila on painevesireaktoreille tyypilliseen tapaan noin 300 °C, tarkemmin sanoen 295,9 °C painesäiliön sisäänvirtauksessa ja 327,5 °C ulosvirtauksessa reaktorin käydessä täydellä teholla. Käytönaikainen paine reaktorissa on 15,5 MPa. Normaalikäytössä lämpötila vaihtelee reaktorin eri osissa tehokuormituksen mukaan, mutta paine pidetään 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). Heijastin kasvattaa reaktorin käyttöikää vähentämällä painesäiliön neutronikuormitusta sekä parantaa polttoainetehokkuutta mahdollistamalla korkeamman palaman. Se koostuu ruostumattomasta teräksestä (Z2 CN 19–10) ja on massaltaan kaikkiaan 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. Tavallisesti reaktorisydämen reuna-alueilla neutronivuo ja siten palama jäävät nimittäin keskialueita alhaisemmiksi. Lisäksi neutronisäteilyn heijastuminen merkitsee alhaisempaa neutronikuormitusta reaktoripainesäiliölle. Tämä osaltaan mahdollistaa EPR:n pitkän käyttöiän.^[4]

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 kevytvesireaktoreissa yleensäkin, reaktiivisuutta säädellään jäähdytteen booripitoisuuden avulla, boorin ollessa tehokas neutroniabsorbaattori. EPR:n käyttö edellyttää kuitenkin korkeampia booripitoisuuksia, kuin mitä veteen on mahdollista liuottaa, jotta jäähdytteen lämpötilan negatiivinen takaisinkytkentä olisi voimassa. Reaktiivisuutta pienennetään edelleen palavan myrkyn, gadoliniumin, avulla. Gadoliniumia on polttoainenipuissa kiinteänä aineena ja sen määrä vähenee ajanoloon neutronisäteilytyksessä. Jopa kaksi vuotta kestävän reaktorin käyttöjakson aikana absorbaattorin määrän pitääkin vähetä, jotta kompensoitaisiin halkeamiskelpoisen aineen väheneminen polttoaineessa ja halkeamistuotteisiin absorboituvat neutronit. Reaktorissa käytetään rikastettua booria, jossa tehokkaimmin neutroneita kaappaavan isotoopin ¹⁰B osuutta on kasvatettu boorin kokonaismäärän vähentämiseksi.^[5]

[muokkaa] Ydinpolttoaine

EPR:ssä käytettävä ydinpolttoaine on polttoainenipuissa, joista jokainen sisältää 17 x 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 4300 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.^[6]

[muokkaa] 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 käyttämättömän polttoaineen korkeampi radioaktiivisuus verrattuna tavanomaiseen uraanipolttoaineeseen.

EPR:ää varten yksittäisen MOX-polttoainesauvan rikastus voi olla korkeintaan 7,44 massa-% halkeamiskelpoista plutoniumia. Keskimäärin polttoainenipussa voi olla korkeintaan 7 massa-% halkeamiskelpoista plutoniumia neutronifysikaalisista syistä. Reaktorin polttoaineesta korkeintaan 50 % voi kerralla olla MOX-polttoainetta.^[7]

[muokkaa] EPR-reaktorit maailmalla

Olkiluodon ydinvoimalan rakenteilla oleva kolmas yksikkö tulee olemaan maailman ensimmäinen EPR-reaktori. Joulukuussa 2006 TVO ilmoitti reaktorin valmistuvan alkuvuodesta 2011.^[8]

EPR-reaktori on aikomus rakentaa myös Ranskan pohjoisosiin Flamanvilleen ja sen on alustavasti tarkoitus olla toiminnassa 2012. Tosin rakentamistöitä ei ole tiettävästi vielä aloitettu vaan siellä odotellaan kokemuksia Olkiluodon reaktorin käyttöönotosta^[9][10]

[muokkaa] Lähteet

1. ↑ http://www.ol3.framatome-anp.com/, Areva NP, Olkiluoto-3
2. ↑ http://www.kauppalehti.fi/4/i/uutiset/etusivu/uutinen.jsp?oid=4522&ls=talentum
3. ↑ Teollisuuden Voima: Olkiluoto 3, Eurajoki, 2005.
4. ↑ Areva: EPR, Pariisi, 2005.
5. ↑ Tapani Eurasto, Juhani Hyvärinen, Marja-Leena Järvinen, Jorma Sandberg, Kirsti-Liisa Sjöblom: Ydinturvallisuus, Luku 2 (PDF) Säteily- ja ydinturvallisuus. STUK. Viitattu 13.11.2007.
6. ↑ Sengler, G. & al.: EPR core design, Nuclear Engineering and Design 187 79 119, Elsevier Science, Bryssel, 1999.
7. ↑ Sengler, G. & al.: EPR core design, Nuclear Engineering and Design 187 79 119, Elsevier Science, Bryssel, 1999.
8. ↑ HS: Joulukuu: TVO ilmoitti ydinvoimalan valmistuvan 2011 alussa.
9. ↑ NUCLEAR NOTES FROM FRANCE Fall 2004: Construction is scheduled to begin in 2007, and the power plant should be operating by 2012.
10. ↑ Greenpeace assault on EPR

[muokkaa] Aiheesta muualla

• Olkiluoto 3:n rakennuksesta vastaavan Arevan sivut (englanniksi)
• International Call against EPR (englanniksi)