European Pressurized Water Reactor

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Olkiluoto sellaisena, miltä se näyttää Suomen viidennen ydinvoimalaitosyksikön valmistuttua

European Pressurized Water Reactor (suom. eurooppalainen painevesireaktori, lyh. EPR) on kolmannen sukupolven ydinreaktorityyppi, joka perustuu painevesireaktoriin eli PWR:ään (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 valmistuessaan olemaan maailman ensimmäinen EPR-reaktori. Sen rakennustöistä vastaa ranskalainen teollisuuskonserni Areva. Vuoden 2013 tammikuussa yksikön arvioitiin valmistuvan mahdollisesti vuoden 2015 aikana.[1]

EPR on käynnistyessään maailman suurin ydinvoimalaitos teholla mitattuna. Sen lämpöteho on 4 300 MW ja sähköteho 1 600 MW. EPR:n suunnittelu perustuu ranskalaiseen N4-reaktoriin (sähköteho 1 450 MW) ja saksalaiseen Konvoi-reaktoriin (1 290–1 400 MW). Painevesireaktorina EPR on kevytvesihidasteinen ja -jäähdytteinen; sen tekniset perusratkaisut edustavat valmistuttajansa mukaan maailman ydinvoimalaitoksissa eniten käytettyä reaktoritekniikkaa. [2]

Reaktoria on suunniteltu käytettävän kahden vuoden latausväleillä ja sen käyttöiäksi on määritetty 60 vuotta 90 % käyttöasteella. Polttoaineessa on tarkoitus saavuttaa aiempaa korkeampi palama ja sitä kautta parempi polttoainetaloudellisuus. Yhdessä korkean lämpötehon kanssa näiden ominaisuuksien odotetaan tekevän EPR:stä tekniseltä suorituskyvyltään vaikuttavan reaktorin. Parannukset suorituskyvyssä perustuvat toisaalta rikkaampaan ydinpolttoaineeseen, toisaalta reaktorisydämen suunnittelun yhteydessä laskettuihin odotuksiin.

Reaktorisydän[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Voimalaitoksesta otettavan tehon johdosta EPR:n reaktorisydän on 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 295,9 °C painesäiliön sisäänvirtauksessa ja 327,5 °C ulosvirtauksessa reaktorin käydessä täydellä teholla. Käytönaikainen paine reaktorissa on 15,5 MPa (155 bar). Normaalikäytössä lämpötila vaihtelee reaktorin eri osissa tehokuormituksen mukaan, mutta paine pyritään pitämään 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). Heijastimen oletetaan kasvattavan reaktorin käyttöikää vähentämällä painesäiliön neutronikuormitusta sekä parantavan polttoainetehokkuutta mahdollistamalla korkeamman palaman. Se on ruostumatonta terästä (Z2 CN 19–10) ja kokonaismassaltaan 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. Samalla plutoniumin määrä reaktorissa lisääntyy. Tavallisesti reaktorisydämen reuna-alueilla neutronivuo ja siten palama jäävät keskialueita alhaisemmiksi. Lisäksi neutronisäteilyn heijastuminen merkitsee alhaisempaa neutronikuormitusta reaktoripainesäiliölle. Tämä osaltaan mahdollistaa EPR:n pitkän käyttöiän.[3]

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 painevesireaktoreissa yleensäkin, reaktiivisuutta säädellään jäähdytteen booripitoisuuden avulla, boorin ollessa neutroniabsorbaattori. Vaikka reaktorissa käytetään rikastettua booria, jossa neutroneita kaappaavan isotoopin 10B osuutta on kasvatettu, EPR:n käyttö edellyttää korkeampia booripitoisuuksia, kuin veteen on mahdollista liuottaa, jotta jäähdytteen lämpötilan negatiivinen takaisinkytkentä olisi voimassa. Reaktiivisuuden pienentämiseen käytetään siksi lisäksi gadoliniumia, niin sanottuna palavana neutronimyrkkynä. Gadoliniumia on polttoainenipuissa kiinteänä aineena ja sen määrä vähenee ajanoloon neutronisäteilytyksessä. Kaksi vuotta kestävän reaktorin käyttöjakson aikana absorbaattorin määrän pitää vähetä, jotta kompensoitaisiin halkeamiskelpoisen aineen väheneminen polttoaineessa ja halkeamistuotteisiin absorboituvat neutronit.[4]

Ydinpolttoaine[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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.[5]

Sekaoksidipolttoaine[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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 tuoreen polttoaineen korkeampi radioaktiivisuus verrattuna tavanomaiseen uraanipolttoaineeseen.

EPR:ää varten yksittäisen MOX-polttoainesauvan rikastusaste voi olla korkeintaan 7,44 massaprosenttia halkeamiskelpoista plutoniumia. Keskimäärin polttoainenipussa voi olla korkeintaan 7 massaprosenttia halkeamiskelpoista plutoniumia neutronifysikaalisista syistä. Reaktorin polttoaineesta korkeintaan 50 % voi kerrallaan olla MOX-polttoainetta.[5]

EPR-reaktorit maailmalla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Olkiluodon ydinvoimalan rakenteilla olevan kolmanen yksikön on tarkoitus olla maailman ensimmäinen EPR-tyyppinen reaktori. Reaktorin oletetaan valmistuvan aikaisintaan vuonna 2015[6]

EPR-reaktori on ollut aikomus rakentaa myös Ranskan pohjoisosiin Flamanvilleen ja sen oli alustavasti tarkoitus olla toiminnassa vuonna 2012.[7][8]

Guangdongissa, Kiinassa, aloitettiin EPR-reaktorien Taishan-1 rakentaminen marraskuussa 2009 ja Taishan-2:n rakentaminen huhtikuussa 2010. Reaktorien on määrä käynnistyä 2013 ja 2014.[9]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Olkiluoto 3:n automaatio on yhä levällään. Tekniikka & Talous, 1.2.2013.
  2. Teollisuuden Voima: Olkiluoto 3, Eurajoki, 2005.
  3. Areva: EPR, Pariisi, 2005.
  4. Tapani Eurasto, Juhani Hyvärinen, Marja-Leena Järvinen, Jorma Sandberg, Kirsti-Liisa Sjöblom: Ydinturvallisuus, Luku 2 (PDF) Säteily- ja ydinturvallisuus. STUK. Viitattu 13.11.2007.
  5. a b Sengler, G. & al.: EPR core design, Nuclear Engineering and Design 187 79 119, Elsevier Science, Bryssel, 1999.
  6. Taas viivästys - Olkiluodon ydinvoimala valmis aikaisintaan 2015
  7. NUCLEAR NOTES FROM FRANCE Fall 2004: Construction is scheduled to begin in 2007, and the power plant should be operating by 2012.
  8. Greenpeace assault on EPR
  9. China Builds Nuclear Reactor for 40% Less Than Cost in France, Areva Says

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]