Suomen viidennen ydinvoimalan piti olla alkusoittoa ydinvoiman renessanssille. Olkiluoto 3:n rakentaminen on kuitenkin ollut tuskaista. Hanke on kallistunut ja viivästynyt kerta toisensa jälkeen. Ydinvoiman kriitikoille Olkiluoto 3 on ollut hyvien argumenttien kultakaivos.

Olkiluodon rakennushanke on kompuroinut kovien turvallisuusvaatimusten vuoksi. Säteilyturvakeskus on löytänyt voimalanrakentajan Arevan työstä jatkuvasti puutteita.

Ilmastopolitiikan kannalta kriitikoiden voitto voi kuitenkin merkitä katastrofia.

”Yhä jatkuva ydinvoiman vastustaminen uhkaa ihmiskunnan kykyä välttää vaarallinen ilmastonmuutos.”

Näin väittivät viime marraskuussa neljä johtavaa ilmasto- ja energiatutkijaa julkaisemassaan avoimessa kirjeessä. He vaativat ydinvoimaa vastustavia ympäristöpolitiikan vaikuttajia edistämään aiempaa turvallisempien ydinvoimajärjestelmien kehittämistä ja käyttöönottoa.

Kirjeen kirjoittivat ilmastotutkijat James Hansen Columbia Universitystä, Kerry Emanuel MIT:stä ja Tom Wigley Kansallisesta ilmakehätutkimuksen keskuksesta (NCAR) sekä energiatutkija Ken Caldeira Carnegie Institutionista.

He sanovat arvostavansa uusiutuviin energianlähteisiin perustuvan tekniikan kehittämistä. Nämä energianlähteet eivät kuitenkaan heidän mukaansa pysty tuottamaan halpaa ja luotettavaa energiaa tarpeeksi nopeasti maailmantalouden vaatimassa mittakaavassa.

Teoriassa ilmastonmuutoksen hidastaminen olisi mahdollista ilman ydinvoimaa. Tutkijoiden mukaan todellisessa maailmassa ei kuitenkaan ole ilmaston vakauttamiseen sellaista uskottavaa polkua, jossa ydinvoimalla ei olisi merkittävää roolia.

Hansenin ja kumppanien mukaan ydinvoiman käytön lisäämiseen liittyvät riskit ovat satoja kertoja pienemmät kuin fossiilisiin polttoaineisiin liittyvät riskit. Tämä pätee varsinkin, jos ydinvoiman lisärakentaminen perustuu uusiin reaktoriteknologioihin.

”Mikään energiajärjestelmä ei ole haitaton”, tutkijat kirjoittavat. ”Me vaadimme vain, että päätökset energiajärjestelmistä perustuisivat faktoihin, eivät tunteisiin tai ennakkokäsityksiin, jotka eivät sovellu 2000-luvun ydinteknologiaan.”

Tutkijat eivät tarkoita 2000-luvun ydinvoimateknologialla Olkiluoto 3:n reaktoritekniikkaa, vaan vieläkin turvallisempia tekniikoita.

Reaktorityypit on tapana jakaa sukupolviin. Ensimmäisen sukupolven ydinreaktorit 1950-luvulla olivat lähinnä prototyyppejä. Suurin osa edelleen käytössä olevista kaupallisista ydinvoimaloista rakennettiin 1970- ja 1980-luvuilla. Niitä kutsutaan toisen sukupolven ydinvoimaksi.

Sekä Tšernobylin (1986) että Fukushiman (2011) onnettomuusreaktorit edustivat toista teknologiasukupolvea. Tšernobylin grafiittihidasteinen RBMK-reaktori oli kuitenkin jo lähtökohtaisesti paljon vaarallisempi kuin Fukushiman kiehutusvesireaktori.

Maailman terveysjärjestön WHO:n mukaan Tšernobylin onnettomuudessa kuoli noin 50 ihmistä pian onnettomuuden jälkeen ja kaikkiaan noin 4 000 ihmistä tulee kuolemaan sen aiheuttaman säteilyaltistuksen takia.

Fukushiman onnettomuuden aiheuttaman säteilyaltistuksen ei toistaiseksi tiedetä johtaneen yhteenkään kuolemaan.

Tšernobylin grafiittihidasteinen reaktori oli vaarallinen, koska se saattoi niin sanotusti lähteä käsistä. Tietyllä tehoalueella reaktion tiedettiin olevan epävakaa, eli reaktio kiihdytti itse itseään.

Onnettomuudessa kaikki oli ohi muutamassa sekunnissa: reaktorin teho nousi moninkertaiseksi ja sitä seurasivat vety- ja höyryräjähdykset, jotka lennättivät reaktorirakennuksen katon taivaan tuuliin. Lopulta neutronien hidastimena käytetty grafiitti syttyi palamaan ja tulipalo levitti radioaktiivisia aineita korkealle ilmaan tuulien kuljetettavaksi.

Fukushimassa asiat tapahtuivat paljon rauhallisemmin. Maanjäristyksen jälkeen reaktori sammutettiin sekunneissa, jolloin fissio pysähtyi.

Fissio tarkoittaa ketjureaktiota, jossa neutroni saa uraaniytimen halkeamaan kahdeksi tytärytimeksi ja neutroneiksi, jotka jatkavat ketjureaktiota. Sen päätyttyä ydinreaktorin sydämessä jo muiksi alkuaineiksi hajonneet ytimet kuitenkin jatkavat radioaktiivista hajoamista yhä kevyemmiksi alkuaineiksi.

Tämä jälkilämpöteho on vain prosentteja voimalan täydestä tehosta, mutta jollei sitä kyetä jäähdyttämään pois, käy tuntien tai vuorokausien kuluessa niin kuin Fukushimassa. Kun yhteys sähköverkkoon oli katkennut ja tsunami oli tuhonnut dieselgeneraattorit, reaktorien jäähdytysveden kiertovesipumput pysähtyivät.

Reaktorien sydämet pääsivät sulamaan ja rikkoivat paineastian. Vetyräjähdykset vielä tuhosivat voimaloiden ulommat suojarakennukset.

Fukushiman reaktorit olivat tyypillisiä länsimaisia kevytvesireaktoreita. Niiden teho ei karkaa käsistä, vaan fysiikan lainalaisuudet ennemminkin alentaisivat reaktorin tehoa lämpötilan noustessa siinäkin tapauksessa, että hätäpysäytys ei onnistuisi.

Voimala on sitä luotettavampi, mitä enemmän sen vakaus poikkeustilanteessa perustuu tällaiseen niin sanottuun passiiviseen turvallisuuteen. Luonnonlakeihin voi luottaa.

Jälkilämpötehon jäähdytyksessä nykyiset toisen sukupolven voimalat perustuvat vielä aktiiviseen turvallisuuteen: ihmisiin, automatiikkaan, pumppuihin ja muihin laitteisiin. Kaikkiin niihin voi tulla vika.

Kolmannen sukupolven ydinvoimalat ovat kevytvesireaktorien paranneltuja painoksia. Niistä on kuitenkin vielä kovin vähän kokemuksia. Yksi ensimmäisistä on Olkiluoto 3:een rakennettava painevesireaktori, jonka piti tuottaa sähköä valtakunnan verkkoon jo vuonna 2009. Teollisuuden voima arvioi viime vuonna, että laitos olisi valmis aikaisintaan vuonna 2016.

Ydinenergian massiivinen lisärakentaminen perinteisillä reaktorityypeillä johtaisi kahteen ongelmaan. Ensinnäkin uraanista tulisi pulaa. Vaihtoehtoisena polttoaineena voitaisiin tosin käyttää yleisempää toriumia. Toisekseen ydinjätteen määrä moninkertaistuisi, eikä useimmissa maissa ole vieläkään ratkaistu kysymystä ydinjätteen loppusijoituksesta.

Parhaiten ilmastotutkijoiden haasteeseen voisivat vastata neljännen sukupolven ydinreaktorit.

”Uraanin tai toriumin riittävyys ei lähivuosikymmeninä tule vastaan, mutta pitkän päälle neljännen sukupolven reaktoreiden parempi kyky hyödyntää uraania olisi hyödyllistä”, sanoo Lappeenrannan teknillisen yliopiston ydinenergiatekniikan professori Riitta Kyrki-Rajamäki.

”Uraanin hinnan pitäisi viisinkertaistua, ennen kuin niihin siirtyminen kannattaa.”

Monet neljännen sukupolven reaktoritekniikat perustuvat niin sanottuun hyötöön. Siinä reaktori tavallaan valmistaa itse oman polttoaineensa sellaisista raskaiden alkuaineiden isotoopeista, jotka eivät halkea uraanin isotoopin U-235 tapaan neutronien vaikutuksesta.

Luonnonuraanista tätä halkeavaa eli fissiilistä isotooppia on vain 0,7 prosenttia. Sen osuutta joudutaan kasvattamaan perinteisiä reaktoreita varten väkevöimällä muutaman prosentin osuuteen. Erityisen pulmallista on, että tätä samaa väkevöintiteknologiaa voi käyttää myös uraanin rikastamiseen ydinaseissa tarvittaviin, paljon suurempiin pitoisuuksiin.

Hyötöreaktorissa uraanin yleisin isotooppi U-238 muuttuu neutronisäteilyssä ensin neptuniumiksi ja sitten plutoniumin isotoopiksi Pu-239. Uraaniydin ei siis halkea, vaan päinvastoin kasvaa ensin raskaammaksi.

Plutoniumin isotooppi 239 taas on fissiili, eli se halkeaa neutroniin törmätessään kahdeksi tytärytimeksi luovuttaen samalla energiaa.

Paitsi että hyötöreaktorit pystyvät käyttämään polttoaineenaan uraanin yleisintä isotooppia, joka tavallisessa reaktorissa jää käyttämättä, ne voivat hyödyntää myös tavallisten ydinvoimaloiden jätettä.

Lopputuloksena on ydinjätettä, joka on aktiivista ennemminkin satoja kuin tuhansia tai kymmeniä tuhansia vuosia.

Monien ydinenergiatutkijoiden mukaan ydinjätteen loppusijoitus ei ole erityisen vaikea tekninen haaste varsinkaan ilmastonmuutoksen mukanaan tuomiin uhkakuviin verrattuna, mutta jäte on poliittinen realiteetti. Mitä pitempään käytetty ydinpolttoaine on vaarallista elämälle, sitä epäsuositumpaa ydinvoima on.

Microsoftin perustajan Bill Gatesin ydinteknologiayritys Terra Power etsii ratkaisua planeetan energiakysymyksiin erilaisista neljännen sukupolven ratkaisuista, muun muassa torium-polttoaineesta ja sulasuolajäähdytteisistä reaktoriteknologioista.

Uusissa reaktoritekniikoissa pyritään täydellisen passiiviseen turvallisuuteen. Silleen jätetty voimala siis paitsi pysähtyisi itsestään, myös jäähtyisi hiljalleen ilman erillistä jäähdytysjärjestelmää.

Neljännen sukupolven tekniikoita on lukuisia. Kaksi hyvin erilaista esimerkkiä ovat erittäin korkean lämpötilan reaktori ja sulasuolareaktori.

Erittäin korkeiden lämpötilojen reaktorikonsepteissa (VHTR) voi jäähdytteenä toimivan kaasun lämpötila olla jopa tuhat astetta, ja sellainen vaatii poikkeuksellisen hyvin lämpöä kestäviä materiaaleja. Korkea lämpötila mahdollistaa prosessihöyryn tai vedyn tuottamisen sähkön ohella.

Vedyn valmistus ydinreaktorissa termokemiallisesti rikkiä ja jodia hyödyntävän prosessin avulla olisi merkittävä parannus ydinvoiman kilpailukykyyn.

Ydinvoimalaa ei ole taloudellisesti mielekästä säätää, vaan sitä ajetaan yleensä täydellä teholla mahdollisimman pitkiä aikoja kerrallaan. Sähköä ei taas voi nykyisellä akkuteknologialla varastoida myöhempää kulutusta varten.

Esimerkiksi Suomessa energiaa tarvitaan talvella paljon enemmän kuin kesällä. Aurinkopaneeleista saa sähköä lähinnä kesällä. Vedyn avulla kesällä tuotettua puhdasta ydinenergiaa saataisiin siirrettyä talven tarpeisiin. Vetyä voi tietysti tuottaa myös sähköstä elektrolyysillä, mutta sen häviöt ovat paljon suuremmat kuin termokemiallisen prosessin häviöt.

Vetyä voi myös edelleen käyttää synteettisen metaanin ja liikennepolttonesteiden jalostamiseen. Maailman energiankulutuksesta yli puolet on muuta kuin sähköä, ja tuon energian hiilijalanjälki on suuri.

Huono puoli VHTR-konseptissa on, että se ei ole hyötöreaktori. Se siis tuhlaa ydinpolttoainetta samaan tapaan kuin nykyiset ydinvoimalat. Sen jätteitä voi toki käyttää hyötöreaktoreiden polttoaineena.

World Nuclear News -uutispalvelun mukaan Kiinassa on tänä vuonna aloitettu 210 megawatin erittäin korkean lämpötilan reaktorin rakentaminen. Heliumjäähdytteinen reaktori on tarkoitus saada käyttöön vuonna 2017.

Sulasuolareaktori eroaa täysin muista reaktoreista. Sen polttoaine on nestemäisessä muodossa, suolaseoksena. Suola toimii myös jäähdytteenä. Polttoaine voi sulasuolareaktorissa olla uraania tai toriumia.

”Koska suolan kiehumispiste ylittää reaktorin käyttölämpötilan, reaktori toimii ilmakehän paineessa, eikä raskasta ja kallista paineastiaa tarvita. Laitoksen aktiivisella alueella ei voi tapahtua höyryräjähdyksiä. Suola ei missään olosuhteissa syty palamaan, eikä reaktorin polttoaine voi sulaa koska se on jo sulassa muodossa”, kirjoittaa energiatekniikan insinööri Kaj LuukkoIlmastotieto-blogissa.

Reaktori koostuu säiliöstä, jonka sisällä on grafiittisydän ja säätösauvakoneisto. Säiliön pohjassa on kiinteällä suolalla tukittu aukko. Suolatulppa pidetään kiinteänä jäähdyttämällä sitä.

”Jos sähköenergian saanti katkeaa ja suolatulpan jäähdytys pysähtyy, tai reaktori muusta syystä ylikuumenee, suolatulppa sulaa ja reaktorin sisältö valuu putkea pitkin alapuolella olevaan varastosäiliöön. Reaktori pysähtyy itsestään, koska fissiota ei voi tapahtua grafiittisydämen ulkopuolella. Varastosäiliö on passiivisesti jäähdytetty, eikä se voi ylikuumentua jälkilämmöstä”, Luukko kirjoittaa.

Luukon mukaan nykyisten ydinvoimaloiden korkea-aktiiviset jätteet voitaisiin tässä järjestelmässä käsitellä siten, että loppusijoitukseen menevän jätteen määrä vähenee muutamaan sadasosaan nykyisestä ja loppusijoitusajan tarve vähenee kymmenistä tuhansista vuosista noin kolmeensataan vuoteen. Käytetyn polttoaineen plutonium ei sovellu pommin valmistamiseen, koska se ei ole riittävän puhdasta.

Luukon mukaan sulasuolareaktorin mekaaninen rakenne on erittäin yksinkertainen.

”Periaatteessa mikä hyvänsä levyrakenteita valmistava, erikoisterästen muokkaamisen ja hitsaamisen taitava konepaja pystyisi niitä valmistamaan. Se soveltuu erinomaisesti sarjatuotantoon, jolloin hintaa saadaan pudotettua. Koska reaktori on paineeton, suojarakennuksen ei tarvitse olla yhtä massiivinen kuin nykyisissä laitoksissa.”

Siksi sulasuolareaktorin rakentamiskustannukset voisivat olla nykyisiä ydinvoimaloita alhaisemmat ja rakentamisaika lyhyempi.

Sulasuolareaktori toimii korkeammassa lämpötilassa kuin nykyiset kevytvesireaktorit. Luukko ehdottaa, että sulasuolareaktoreilla korvattaisiin nykyisten hiilivoimaloiden olemassa oleva turbiinikoneisto, sähköverkko ja muu infrastruktuuri.

”Tämä saattaisi olla kaikkein tehokkain tapa lopettaa suurimman yksittäisen hiilidioksidilähteen, kivihiilen polttaminen.”

Jos neljännen sukupolven ydinvoima periaatteessa mahdollistaisikin hiilineutraalin sähköntuotannon, törmättäisiinkö itse rakentamisessa pullonkaulaan? Yhtä voimalaa Olkiluotoon on rakennettu jo yhdeksän vuotta, eikä valmista näytä tulevan.

Toista oli 1970- ja 1980-luvuilla. Ranska aloitti vuoden 1973 öljykriisin jälkeen ydinenergiaohjelman, jossa vain 15 vuoden aikana nousi pystyyn yli 50 ydinvoimalaa. Ranska tuottaa edelleen kolme neljäsosaa sähköstään ydinenergialla, ja ranskalaisten hiilijalanjälki onkin merkittävästi pienempi kuin esimerkiksi saksalaisten.

Kyrki-Rajamäen mukaan uusia ydinvoimaloita pystyttäisiin nyt tai lähitulevaisuudessa rakentamaan ihan yhtä nopeaan tahtiin, nopeamminkin, jos niitä vain luvitettaisiin.

”Pullonkaulaksi voisi tulla suurimpien raskaiden primäärijäähdytyspiirien komponenttien valmistus”, Kyrki-Rajamäki toteaa.

Ratkaisu tähän voisi Kyrki-Rajamäen mukaan olla pienempien, modulaaristen reaktoreiden sarjavalmistus.

”Niissä yksikkökoot ovat selvästi pienemmät ja valmistuskapasiteettia löytyisi helpommin. Myös järjestelmät olisivat yksinkertaisempia”, Kyrki-Rajamäki sanoo suurten laitosten turvallisuusautomaatioon viitaten.

”Näitä pieniä suunnitellaan ympäri maailman, ja ne voivat tekniikaltaan olla joko nykyisen tyyppisiä tai neljännnen sukupolven reaktoreita.”

Sarjavalmisteisia reaktoreita voisi myös rakentaa lautoille, jotka sitten hinattaisiin noin kymmenen kilometrin päähän rannikosta sinne, missä sähköä tarvitaan. Massachusettsin teknillisen korkeakoulun professorin Jacopo Buongiornon tänä vuonna esittämässä konseptissa korostuu turvallisuus.

Öljylauttaa muistuttavalla alustalla operoitu ydinvoimala olisi turvassa maanjäristyksiltä ja tsunameilta, koska riittävän syvässä vedessä valtameri antaa suojaa seismisiltä tapahtumilta. Merivesi jäähdyttäisi reaktorin automaattisesti, jos se uhkaisi sulaa.

Kun lauttavoimala tulisi elinkaarensa päähän, se voitaisiin hinata takaisin sen valmistaneelle tehtaalle purkua varten.

Monissa tiheästi asutuissa maissa on pulaa ydinvoimalalle sopivasta maa-alasta. Hyvä sijoituspaikka on lähellä jäähdytysvettä, eikä lähellä ole astuskeskuksia. Suomessa tällaisia paikkoja on poikkeuksellisen paljon.

Tilanne on toinen Aasiassa, jossa tsunamiriski on suuri ja energiankulutus kasvaa nopeasti. Lauttakonsepti toimisi Buongiornon mukaan hyvin esimerkiksi Japanissa, Indonesiassa, Chilessä ja Afrikassa.

Välillä nousee huoli, että ydinvoima-alaa pidetään menneisyyden dinosauruksena eikä sille löydy osaajia. Jos ydinvoimaa pitäisi rakentaa valtavasti lisää, löytyisikö rakentajiksi ja käyttäjiksi riittävän nopeasti ammattitaitoista työvoimaa?

”Osaajien sukupolvet vaihtuvat kuten laitostenkin. Viisi vuotta tarvitaan kouluttamiseen, joten viivettä on, muttei tuon pitempää”, Kyrki-Rajamäki toteaa.

Mielipideilmasto ja alan tulevaisuus voivat hänen mukaansa vaikuttaa oleellisesti etevimpien nuorten alanvalintaan.

”Jos on työpaikkoja tarjolla, löytyy kiinnostuneita opiskelijoitakin tai vastavalmistuneita alalle koulutettavia erikoistumaan.”