Jaakko Leppänen – 4.3.2020

VTT julkaisi viime viikon maanantaina lehdistötiedotteen, jossa kerrottiin suomalaisen kaukolämmön tuotantoon tarkoitetun pienydinreaktorin kehitystyön aloittamisesta. Koska blogin tarkoitus on käsitellä ydinenergiaan liittyviä asioita (ja kirjoittajat ovat mukana hankkeessa), työn taustoja on luontevaa avata myös täällä. Kaukolämpöreaktoreiden teknologiaa ja päästövähennyspotentiaalia on käsitelty yleisemmällä tasolla jo aikaisemmassa blogikirjoituksessa. Tässä kirjoituksessa keskitytään enemmän nyt käynnistyneeseen hankkeeseen.

Ajatus oman kaukolämpöreaktorin kehittämisestä ei syntynyt tyhjästä. Yli 80% kotimaisesta sähköstä saadaan jo nykyisin vähäpäästöisistä energialähteistä, mutta lämmön muodossa käytettävän energian tuotanto on edelleen vahvasti riippuvainen fossiilisista polttoaineista. Kylmän talvi-ilmaston maalle kaukolämmöntuotannon puhdistaminen on luontevasti seuraava askel eteenpäin. Nykyiset suunnitelmat nojaavat vahvasti bioenergiaan, mutta koska biomassasta voi tulevaisuudessa kehittyä tärkeä raaka-aine esimerkiksi muovien ja liikennepolttoaineiden valmistukseen, sen polttamiselle on syytä kehittää hyvissä ajoin myös vaihtoehtoja.

Suomi tunnetaan ydinenergia-alalla erityisesti turvallisuus- ja loppusijoitusosaamisesta, mutta meillä tehdään myös uusiin reaktorityyppeihin liittyvää tutkimusta. Neljännen sukupolven ydinteknologian mahdollisuuksia selvitettiin 2000-luvun alkupuolella yliopistojen ja tutkimuslaitosten muodostamassa Gen4Fin-verkostossa. Ilmastotavoitteiden kiristyessä tutkimuksen painopiste alkoi kuitenkin siirtyä yhä enemmän lähitulevaisuuden perinteisempiin teknologioihin, erityisesti pienreaktoreihin, joilla olisi mahdollista saavuttaa suuria päästövähennyksiä jo tällä vuosikymmenellä. Pienreaktoreihin liittyvää tutkimusta tehdään tällä hetkellä esimerkiksi EU:n Horisontti 2020 -ohjelmaan kuuluvissa tutkimushankkeissa. VTT valmistelee myös Business Finlandin alla toimivaa EcoSMR -liiketoimintaekosysteemiä, joka kerää yhteen pienreaktoreista kiinnostuneita tahoja, ja selvittää suomalaisten yritysten mahdollisuuksia osallistua kehitykseen.

Kaukolämmöntuotantoon tarkoitettuja pienreaktoreita suunnitellaan erityisesti Kiinassa, missä kyse ei ole ainoastaan hiilidioksidipäästöjen vähentämisestä, vaan myös siitä, että kivihiilivoimaloiden aiheuttamat ilmansaasteet alkavat olla jo kansanterveydellinen ongelma. VTT:llä viime vuonna tehdyssä soveltuvuusselvityksessä kiinalainen 400 megawatin allasreaktori todettiin varsin kilpailukykyiseksi vaihtoehdoksi myös Helsingin lämmitykseen. Pienempiin kaukolämpöverkkoihin reaktori on kuitenkin aivan liian suuri. Nyt käynnistyneen hankkeen tavoitteena on ratkaista juuri tämä mittakaavaongelma, eli kehittää kotimaiseen teknologiaan perustuva kaukolämpöreaktori suomalaisten kaupunkien ja taajamien lämmitystarpeisiin.

Kuva 1: Kaukolämpöä käytetään Suomessa kaikkiaan 166 kunnassa. Tuotantolaitoksia on yli tuhat, joista valtaosa on kapasiteetiltaan pieniä (alle 20 MW). Lähde: Energiateollisuus ry.

Mitä lämmitysreaktori käytännössä tarkoittaa?

Kaukolämpö on Suomen yleisin lämmitysmuoto. Lämmön jakelu toimii keskitetysti maan alle asennetun putkiverkon kautta. Vesi lämmitetään verkkoon kytketyissä tuotantolaitoksissa, ja siirretään lämmönvaihtimien välityksellä kiinteistöjen sisäiseen patterikiertoon. Suurimmissa kaupungeissa tuotantolaitokset voivat olla satojen megawattien kombivoimaloita, mutta verkkoon on kytketty myös varavoimana ja huipputeholaitoksina toimivia lämpökeskuksia, jotka antava lisää tehoa kylmimpien talvipäivien aikana.

Lämmöntuotantoon suunniteltu reaktori toimisi osana olemassa olevaa kaukolämpöverkkoa. Toimintaperiaate on pohjimmiltaan sama kuin kaikissa muissakin ydinreaktoreissa: uraanipolttoaineessa tapahtuvat fissioreaktiot vapauttavat energiaa, joka lämmittää sydämen läpi virtaavaa jäähdytettä. Jäähdytys toimii suljetussa kierrossa laitoksen sisällä, ja lämpö siirretään reaktorista kaukolämpöverkkoon lämmönvaihtimien ja välipiirin kautta. Reaktori toimii samalla polttoaineella koko käyttöjakson ajan, lämpöreaktorin tapauksessa useamman vuoden kerrallaan. Jakson jälkeen käytetystä polttoaineesta tulee korkea-aktiivista ydinjätettä, joka varastoidaan ensin laitospaikalle, ja siirretään myöhemmin odottamaan geologista loppusijoitusta.

Kaikilta osin kaukolämpöreaktori ei kuitenkaan vertaudu perinteisiin ydinvoimaloihin. Sähköntuotantokäyttöön tarkoitetut paine- ja kiehutusvesilaitokset toimivat lauhdevoimaloina, joissa tuotannon hyötysuhdetta rajoittavat termodynamiikan lait. Höyryllä pyöritettävä turbiini kykenee muuttamaan vain osan reaktorin tuottamasta lämmöstä mekaaniseksi energiaksi, ja edelleen generaattorissa sähköksi. Esimerkiksi Olkiluodon uusi EPR-laitos on lämpöteholtaan 4300 ja sähköteholtaan 1600 megawattia. Erotus päätyy hukkalämpönä mereen.

Kun reaktoria käytetään yksinomaan lämmöntuotantoon, energiaa ei tarvitse muuttaa muodosta toiseen. Polttoaineessa vapautunut primäärienergia saadaan tällöin häviöitä lukuun ottamatta kokonaan hyötykäyttöön. Käytännössä tämä tarkoittaa myös huomattavasti pienempää yksikkökokoa. Suomalaisiin kaukolämpöverkkoihin sopivan reaktorin kokoluokka voisi olla esimerkiksi 50 MW, eli reilu sadasosa yhden EPR:n lämpötehosta. Fyysisesti tällainen reaktori vaatisi oheislaitteistoineen tilaa pienen teollisuuslaitoksen verran. Aivan talo- tai korttelikohtaisesta lämpöratkaisusta ei siis kuitenkaan ole kyse.i

Myös reaktoreiden toimintaolosuhteissa on eroja. Lauhdevoimaloina toimivissa kevyvesilaitoksissa jäähdytteen lämpötila on korkean termodynaamisen hyötysuhteen saavuttamiseksi nostettava 300 asteen tuntumaan. Tämä puolestaan edellyttää jäähdytyskierron paineistamista. Esimerkiksi EPR:ssä reaktorin käyttöpaine on 155 baaria. Kaukolämpöreaktorin toiminta-alue on perinteisiin kevytvesireaktoreihin verrattuna varsin vaatimaton. Reaktori on käytännössä pelkkä vedenlämmitin, jonka ainoa tehtävä on tuottaa noin sata-asteista vettä kaukolämpöverkkoon. Jäähdytyskierto voi tällöin toimia lähellä yhden baarin normaalia ilmanpainetta.

Teknologian valinta

VTT:n hankkeen tavoitteena on laatia konseptitason suunnitelma, jonka pohjalta varsinaista teknistä toteutusta lähdetään viemään eteenpäin. Yksityiskohdat tarkentuvat vielä suunnittelun edetessä, mutta jo näin alkuvaiheessa voidaan sanoa, että reaktori tulee perustumaan hyvin perinteiseen kevytvesiteknologiaan. Valintaa voidaan perustella useammallakin tekijällä.

Kevytvesireaktori saadaan helposti toimimaan kaukolämpöverkon edellyttämällä lämpötila-alueella. Reaktorin polttoaineena voidaan käyttää samaa 3-5%:ksi väkevöityä uraanioksidia kuin Suomen nykyisissäkin ydinvoimalaitoksissa. Tällaiselle polttoainetyypille on olemassa kaupalliset markkinat, minkä lisäksi se on myös yhteensopiva suomalaisen loppusijoitusratkaisun kanssa. Ylivoimaisesti suurin osa maailmalla käytössä olevista ydinreaktoreista on tyypiltään paine- ja kiehutusvesityyppisiä kevytvesireaktoreita, eli tämä on juuri se teknologia, josta on myös kaikkein eniten käytännön kokemusta.

Ydinvoimasta keskustellaan paljon. Viime vuosina erityisesti seuraavan sukupolven sulasuola- ja toriumreaktorit ovat saaneet paljon huomiota osakseen esimerkiksi tiede- ja teknologialehtien palstoilla. Uusiin reaktorityyppeihin kohdistuu suuria odotuksia, minkä vuoksi vuosikymmeniä vanhan kevytvesiteknologian valinta kaukolämpöreaktorin kehityksen lähtökohdaksi saattaa kuulostaa vähintään tylsältä ratkaisulta.

Meneillään oleva ydinenergiahype antaa kuitenkin helposti harhaanjohtavan kuvan uusien teknologioiden kypsyysasteesta. Esimerkiksi toriumhyötöreaktori vaatii ympärilleen kokonaisen jälleenkäsittelyinfrastruktuurin, jonka rakentaminen vie aikaa. Monet innovatiivisista reaktorityypeistä ovat myös reilusti ylimitoitettuja kaukolämmöntuotantoon. yli 600 asteessa toimivan sulasuolareaktorin käyttölämpötila on tarkoitukseen 500 astetta liian korkea.

Uusia reaktorityyppejä markkinoidaan toisinaan myös sellaisilla erityispiirteillä, jotka ovat todellisuudessa yhteisiä kaikille ydinreaktoreille. Sulasuolareaktorin eduksi voidaan kertoa, että nestemäisen polttoaineen lämpölaajeneminen saa reaktorin säätämään itse itseään, mikä estää fissiotehoa karkaamasta hallitsemattomaan kasvuun. Tällaisten lupausten yhteydessä unohtuu kuitenkin helposti mainita, että ketjureaktio on itse asiassa stabiili prosessi myös kaikissa kevytvesireaktoreissa. Veden tiheyteen ja polttoaineen lämpötilaan liittyvät negatiiviset takaisinkytkennät vastustavat samalla tavalla reaktorin toimintatilan muutosta.

Yksinkertainen rakenne ja passiivinen turvallisuus

Ydinreaktorin suunnittelussa on aina kyse myös turvallisuudesta. Kevytvesireaktoreiden turvallisuushaasteet liittyvät pitkälti siihen, että ydinpolttoaineeseen kertyy käytön aikana paljon lyhytikäisiä isotooppeja, joiden radioaktiivinen hajoaminen tuottaa paljon lämpöä vielä reaktorin sammuttamisen jälkeen. Eli vaikka ketjureaktio saadaan tarvittaessa katkaistua nopeasti, lämmöntuotto ei putoa välittömästi nollaan. Reaktoritekniikassa tätä kutsutaan polttoaineen jälkilämmöksi.ii Jos jälkilämpöä ei saada siirrettyä riittävän tehokkaasti reaktorista ulos, sydän kiehuu ennen pitkää kuivaksi, jolloin polttoaine ylikuumenee ja vaurioituu. Juuri tällainen tapahtumaketju oli vuonna 2011 tapahtuneen Fukushiman ydinvoimalaonnettomuuden taustalla.

Perinteisissä toisen sukupolven kevytvesilaitoksissa reaktorin hätäjäähdytykseen ja jälkilämmönpoistoon käytetään pääasiassa sähkötoimisia pumppuja. Koska kyse on turvallisuuden kannalta kriittisistä järjestelmistä, niiden toiminnalle on asetettu tiukkoja vaatimuksia. Korkea turvallisuustaso saavutetaan moninkertaisilla varmistuksilla sekä hajauttamalla toiminnot siten, että mikään yksittäinen alkutapahtuma ei voi vaikuttaa kaikkiin järjestelmiin samanaikaisesti.iii Monimutkainen turvallisuussuunnittelu näkyy myös laitoksen hinnassa.

Aktiivisten sähkötoimisten järjestelmien rinnalle on alettu kehittää yhä enemmän myös passiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka eivät tarvitse toimiakseen lainkaan ulkoista energiaa. Vesi virtaa reaktorissa luonnonkierrolla ilman sähkötoimisia pumppuja. Luontaisesti turvallisen ydinvoimalaitoksen suunnittelussa lähtökohta on, että laitos siirtyy häiriötilanteessa itsestään turvalliseen tilaan. Reaktorin jälkilämmönpoisto ei tällöin riipu sähköverkon toimivuudesta, automaatiojärjestelmistä tai käyttöhenkilökunnan toimenpiteistä.

Koska polttoaineen jälkilämmöntuotto on verrannollinen reaktorin fissiotehoon, pieni yksikkökoko yksinkertaistaa olennaisesti myös passiivisten jäähdytysjärjestelmien toteutusta. Esimerkiksi amerikkalaisessa NuScale -pienreaktorissa jäähdytys perustuu kokonaan luonnonkiertoon. Matalassa lämpötilassa toimiva 50 megawatin kaukolämpöreaktori olisi jopa pienreaktorikategoriassa pieni. Suunnittelua helpottaa myös se, että jäähdytyskiertoon ei liity korkeapaineisia ilmiöitä. Monissa kaukolämpöreaktorikonsepteissa sydämen vesikierto varmistetaan yksinkertaisesti sijoittamalla reaktori syvän vesialtaan pohjalle.

Perinteiseen sähköntuotantokäyttöön tarkoitettuun kevytvesilaitokseen verrattuna matalassa lämpötilassa toimiva kaukolämpöreaktori voidaan siis toteuttaa huomattavasti yksinkertaisemmalla teknologialla. Kustannuksia laskee myös se, että turbiinilaitos jää kokonaan pois. Yksi hankkeen ensimmäisen vaiheen aikana selvitettävistä kysymyksistä on: voidaanko tällainen teknologia toteuttaa kilpailukykyisesti sellaisessa kokoluokassa, joka soveltuu juuri suomalaiskaupunkien kaukolämpöverkkojen tarpeisiin?

i) Myös reaktorin kuluttaman polttoaineen määrä skaalautuu suhteessa fissiotehoon. Mittakaavaa kuvaa esimerkiksi se, että Terrafamen Sotkamon kaivoksen (ent. Talvivaara) suunniteltu vuotuinen uraanituotanto riittäisi periaatteessa monen kymmenen pienen kaukolämpöreaktorin tarpeisiin. Myös korkea-aktiivisena ydinjätteenä loppusijoitettavaa käytettyä polttoainetta syntyy vastaavasti murto-osa verrattuna suureen perinteiseen kevytvesireaktoriin.

ii) Reaktorin käydessä radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuvan energian osuus on 6-7% fissiotehosta. Kun reaktori sammutetaan, radioaktiivisten isotooppien määrä alkaa pudota eksponentiaalisesti, jolloin myös hajoamisen aiheuttama lämmöntuotto laskee. 50 megawatin kaukolämpöreaktori tuottaisi tunnin kuluttua sammuttamisesta reilu 600 kilowattia jälkilämpöä. Vuorokaudessa lämmöntuotto putoaisi alle 300 kW:iin, viikossa 140 kW:iin ja kuukaudessa 70 kW:iin. Reaktorista poistamisen jälkeen käytettyä polttoainetta säilytetään reaktorihalliin sijoitetuissa vesialtaissa tavallisesti muutaman vuoden ajan ennen siirtoa välivarastoon odottamaan loppusijoitusta. Tässä vaiheessa kaukolämpöreaktorin polttoaineniput tuottaisivat jälkilämpöä yhteensä keskikokoisen sähkökiukaan verran.

iii) Nämä nk. redundanssi- ja diversiteettiperiaatteet näkyvät esimerkiksi reaktorin jäähdytysjärjestelmien sähkönsyötön toteutuksessa. Loviisassa sähkönsyöttöä on turvaamassa neljä laitosyksikkökohtaista diesel-generaattoria ja kaksi kaasuturbiinikäyttöistä varavoimalaitosta. Ykkös- ja kakkosyksikön järjestelmiä voidaan käyttää ristiin, minkä lisäksi sähköä saadaan kantaverkosta riippumattoman kaapeliyhteyden kautta Ahvenkosken vesivoimalaitokselta.