Hyötöreaktori
Sivulta puuttuu 
Hyötöreaktori (engl. breeder reactor) on vielä kokeiluasteella oleva ydinreaktorityyppi, joka tuottaa uutta fissiiliä ydinpolttoainetta enemmän kuin ketjureaktion ylläpitämiseen kuluu. Toisin sanoen sen konversio- tai hyötösuhde >1. Hyötöreaktorit voidaan jakaa termisiin ja nopeisiin (engl. fast-breeder reactor) fission aikaansaavien neutronien energian (nopeuden) mukaan. Näistä terminen hyötöreaktori on yksinkertaisempi, mutta sen hyötösuhde on vaatimattomampi ja asettaa omat rajoituksensa polttoaineelle. Vaikka ensimmäinen koereaktori saatiin toimimaan jo 1946, ei kaupallista, suuritehoista hyötöreaktoria ole vielä ollut toiminnassa. [1] [2]
Sisällysluettelo |
Nopean hyötöreaktorin toimintaperiaate [muokkaa]
Siinä missä muissa ydinreaktoreissa fissiossa vapautuvia neutroneja hidastetaan sopivalla väliaineella kasvattamaan fission todennäköisyyttä, nopeissa reaktoreissa hidastamista ei tehdä. Sen sijaan tarvittavan suuri määrä fissioita varmistetaan käyttämällä väkevämpää polttoainetta, jossa fissiilejä, eli halkeavia ytimiä on riittävän tiheässä ketjureaktion varmistamiseksi. Tällä myös yritetään välttää fissiomateriaalin hukkaa, joka syntyy joidenkin ytimien pelkästään absorboidessa hitaat neutronit. Reaktorin nimi tulee nimenomaan nopeista, hidastamattomista neutroneista.
Reaktorin jäähdytykseen ja samalla lämpöenergian siirtämiseen käytetään kaasua tai alhaisen sulamispisteen omaavaa metallia, jolla on pieni hidastavuusvaikutus ja hyvä lämmönsiirtokyky. Ylivoimaisesti yleisin on tähän asti ollut natrium, mutta myös lyijy-vismutti -seoksen ja puhtaan lyijyn käyttöä tutkitaan. Fissiota hallitaan normaaliin tapaan säätösauvoilla.
Hyötöreaktorin reaktorin suurin etu on sen kyky hyödyntää esimerkiksi uraanin niitä isotooppeja, jotka eivät kykene ylläpitämään fissiota. Tämä perustuu transmutaatioon, eli alkuaineen muuttumiseen toiseksi neutronikaappauksen seurauksena. Uraanin fissiiliä isotooppia U-235 huomattavasti yleisempi on halkeamiskelpoinen U-238, joka ei kykene ylläpitämään ketjureaktiota. Sen sijaan nopeilla neutroneilla säteilytettäessä U-238 muuttuu neptunium-239:ksi, joka hajoaa nopeasti plutonium-239:ksi. Plutonium-239 on fissiili ja käy siis ydinpolttoaineeksi tai ydinaseisiin. Prosessi on niin tehokas, että uutta plutoniumia syntyy uraanista enemmän, kuin mitä sitä kuluu neutronien ja energian tuottamiseen. Tällöin puhutaan hyötämisestä. Hyötöreaktorin käynnistämiseen siis riittää tietty määrä fissiiliä polttoainetta, minkä jälkeen transmutaatio tuottaa uutta tilalle.
U-235:n ohella mahdollisia hyötöreaktorissa käytettäviä ”lähtöaineita” ovat U-238 (→Pu-239), Torium-232 (→U-233), ja Pu-240 (→Pu-241). Normaalissakin voimalaitosreaktorissa U-235:n joukkoon lisättävästä U-238:sta voidaan hyödyntää vain alle 1 %, hyötöreaktorissa jopa 70 %. U-238:n ja Th-232:n ollessa luonnossa huomattavasti yleisempiä, hyöty on ilmeinen.
Hyötöreaktoriin liittyviä ongelmia ovat muun muassa jäähdytysaineen hankalat ominaisuudet (esimerkiksi natrium syttyy palamaan joutuessaan kosketuksiin veden kanssa), reaktorissa oleva suuri määrä plutoniumia ja hallitsemattoman ketjureaktion mahdollisuus. [2] [1] [3]
Historiaa [muokkaa]
Ensimmäinen ketjureaktio nopeassa reaktorissa saatiin käynnistymään 1946 Yhdysvalloissa (Clementine-reaktori). Useat muutkin maat olivat jo aloittaneet tutkimustyön tällä saralla, mutta Yhdysvalloissa saavutettiin myös seuraava merkittävä virstanpylväs, kun 1951 EBR 1 -reaktorista tuli ensimmäinen sähköä tuottanut reaktori maailmassa. Kohta kuitenkin Britannia, Saksa, Ranska, Neuvostoliito ja Japani rakensivat kukin tahollaan omat koereaktorinsa. [4]
Tasaisesti kiihtynyt kehitys saavutti huippunsa 1980-luvun alkuun tultaessa ja useissa maissa oli käynnissä ohjelmia prototyyppi- ja kaupallisen koon nopeita hyötöreaktoreja varten. Näistä mainittakoon Ranskan Superphénix, Saksan SNR-300, Monju Japanissa ja BN-600 Neuvostoliitossa. 1990-luvulla kiinnostus teollisuusmaissa laimeni ja vuosikymmenen loppuun mennessä useat maat olivat sulkeneet tärkeimmät hyötöreaktorinsa ja yhä jatkuvistakin ohjelmista useimmat kokivat rahoituksen pienenemisen. Yksi syy oli se, että ei koettu pakottavaa tarvetta panostaa niiden kehitykseen. IAEA:n mukaan 2000-luvulla kiinnostus ydinvoimaa kohtaan on jälleen hieman lisääntynyt ja lisännyt tietoisuutta niistä keskipitkän ja pitkän aikavälin hyödyistä, joita suljetun polttoainekierron nopeat hyötöreaktorit tarjoavat. [4]
Superphénix [muokkaa]
Suurin käytössä ollut hyötöreaktori oli ranskalainen Superphénix, jonka sähköteho oli 1200 MW. Se käynnistyi 1985 ja tavoitteena oli sähkön ja plutoniumin tuotanto. Projektia rasittivat lukuisat ongelmat ja poliittinen vastustus, eikä se päässyt täyttämään siihen kohdistettuja odotuksia. Ranska sulki laitoksen lopullisesti 1998 ja sitä alettiin purkaa.
Monju [muokkaa]
Protyyppireaktoriksi rakennettu 280 MW Monju Japanin Tsurugaissa käynnistyi 1994, mutta jo 1995 joulukuussa laitoksessa sattui huomiota herättänyt toisiopiirin natriumvuoto. Vuoto ei ollut erityisen vaarallinen, mutta tapahtuman salailu oli osasyynä siihen, että seuraavana vuonna reaktori suljettiin. Uusittu reaktori käynnistettiin uudelleen toukokuussa 2010 ja Japanin atomienergiaviraston tavoitteena on päästä ajamaan sitä täydellä teholla 2013.[5] Monju on Superphénixin lailla natriumjäähdytteinen nopea reaktori, joka käyttää UO2/PuO2 sekaoksidipolttoainetta MOXia. Mutta toisin kuin allastyyppinen Superphénix, sen primäärinen jäähdytys on piirityyppiä.[6][7]
Kehitystyön nykytilanne [muokkaa]
Energianlähde, joka tuottaa käydessään uutta polttoainetta on luonnollisesti hyvin houkutteleva, joten nopeita reaktoreita on tutkittu laajalti. Tutkimus on edennyt niin pitkälle, että suurimmat hyötöreaktoreiden käytön tekniset esteet on jo ratkaistu ja maailmalla on käytetty useita sähköntuotantoon soveltuvia hyötöreaktoreita, mm. Ranskassa, Isossa-Britanniassa ja Japanissa. Lisäksi koereaktoreita on ollut Yhdysvalloissa, Isossa-Britanniassa, Ranskassa, entisessä Neuvostoliitossa sekä Intiassa ja Japanissa. Hyötöreaktoritekniikan polttoainetaloudellisten etujen vuoksi useimmissa suurissa teollisuusmaissa pidettiin selvänä, että ydinvoiman tuotannossa siirrytään ajan oloon hyötöreaktoreiden käyttöön, mutta nyttemmin monissa maissa, kuten Ranskassa, Saksassa ja Britanniassa, ollaan hyötöreaktoreiden voimalaitoskäytöstä luovuttu tai luopumassa poliittisella päätöksellä.
Kuten kaikesta uraanin tai plutoniumin fissiilejä isotooppeja sisältävistä aineista, myös hyötöreaktorin polttoaineesta on teoriassa mahdollista valmistaa ydinaseita. Käytännössä sellaista ei tiettävästi ole tapahtunut tai edes suunniteltu, koska tunnetaan huomattavasti yksinkertaisempiakin tapoja aloittaa ydinaseen rakentaminen. Monet asiantuntijat pitävät kuitenkin hyötöreaktorien tuottamaa plutoniumia sisältävää käytettyä ydinpolttoainetta riskinä ydinaseiden rajoittamiselle.
Venäjällä toimii Belojarskissa BN-600, joka on natriumjäähdytetty allastyyppinen reaktori, jonka sähkönteho on 600 MW. Venäjä suunnittelee Belojarskin laitokselle uuden samanlaisella periaatteella toimivan reaktoriyksikön, BN-800:n rakentamista. Intia on rakentamassa uudentyyppisen PFBR-nimisen 500 MW:n hyötöreaktorin, joka tulee käyttämään uraania ja toriumia polttoaineena. Intiassa on maailman suurimmat torium-esiintymät ja projekti on elintärkeä maan energiapolitiikassa.
| Nimi | maa | tyyppi | sähköteho MW(netto/brutto) | liit. verkkoon | pääas.rahoittaja/operaattori |
|---|---|---|---|---|---|
| Toiminnassa olevat | |||||
| Belojarsk 3 (BN-600) | Venäjä | nopea | 560/600 | 1980 | JSC "Concern Energoatom" |
| MONJU | Japani | nopea | 246/280 | 1995-95, 2010-[8] | Japanin atomienergiavirasto |
| Rakenteilla olevat | rak. alkoi | ||||
| PFRB | Intia | nopea | 470/500 | 23.10.2003 | Bharatiya Nabhikiya Vidyut Nigam Ltd |
| Belojarsk 4 (BN-800) | Venäjä | nopea | 750/800 | 18.7.2006 | JSC "Concern Energoatom" |
| Suljetut | liit. verkk.-sulj. | ||||
| Superphénix | Ranska | nopea | 1 200/1 242 | 1986-98 | Electricite de France |
| KNK 2 | Saksa | nopea | 17/21 | 1978-1991 | Kernkraftwerk-Betriebsgesellschaft MbH |
| DFR Dounreay | UK | nopea | 14/15 | 1962-77 | Britannian atomienergiavirasto |
| PFR Dounreay | UK | nopea | 234/250 | 1975-94 | Britannian atomienergiavirasto |
| Enrico Fermi 1 | USA | nopea | 61/65 | 1966-72 | Detroit Edison Co. |
| BN-350 | Kazakstan | nopea | 52/90 | 1973-99 | Nat. AC Kazatoprom J.s.c/Manghislak AEC Kazatoprom L.l.c. |
| Phénix | Ranska | nopea | 130/140 | 1973-2010[9] | Ranskan atomienergiakomissio |
Lähde: IAEA:n Power Reactor Information System -tietokanta[10]
Katso myös [muokkaa]
Viitteet [muokkaa]
- ↑ a b http://www.tkk.fi/Yksikot/Energiatalous/kurssit/Ene59020/Leppanen.pdf
- ↑ a b Encyclopedia Britannica, 15. painos, osa 18 s. 373-4
- ↑ http://www.stuk.fi/ydinturvallisuus/ydinvoimalaitokset/ydinvoimalaitoksen_toiminta/ydinvoimalaitostyypit/fi_FI/hyotyreaktorit/_print/
- ↑ a b IAEA: ”Liite 6”, Nuclear Technological Review 2008, s. 96-98. IAEA:n ydintekninen raportti 2008. Wien: IAEA www = http://www.iaea.org/Publications/Reports/ntr2008.pdf, 2008. (englanniksi)
- ↑ Japani käynnisti vuosia seisoneen prototyyppireaktorin 7.5.2010. Tekniikka&Talous. Viitattu 15.5.2010.
- ↑ http://www.tkk.fi/Units/AES/courses/crspages/Tfy-56.170_05/Lamminpaa_SFR.pdf
- ↑ ydinvoimauutiskooste 1/2009 (pdf) ("Hyötöreaktori Monjun käynnistäminen Japanissa viivästyy") Energiateollisuus ry.
- ↑ Käynnistetty uudelleen toukokuussa 2010
- ↑ Ranska sulki Phenix-reaktorin. Tekniikka & Talous 4.2.2010
- ↑ PRIS Homepage (IAEA:n PRIS tietokanta) Viitattu 11.5.2009.
Lähteet [muokkaa]
- Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA
- http://www.tkk.fi/Yksikot/Energiatalous/kurssit/Ene59020/Leppanen.pdf
- Encyclopedia Britannica, 15. painos, osa 2 s. 495; osa 18 s. 373-4
- Säteilyturvakeskus
Aiheesta muualla [muokkaa]
- http://www.soininvaara.fi/2008/11/15/maailma-ajautuu-ajolahtotilanteeseen-hyotoreaktorien-kanssa/
- Tulevaisuuden Ydinteknologiat, VTT:n tutkija Jaakko Leppänen 2008
