Ydinpolttoainekierto

Wikipedia

Ydinpolttainekierto alkaa uraanikaivoksesta, josta uraani toimitetaan rikastettavaksi (1). Rikastetusta uraanioksidista valmistetaan polttoainetta, joka toimitetaan voimalaitokselle. Voimalaitokselta käytetty polttoaine toimitetaan jälleenkäsittelyyn (2) tai loppusijoitettavaksi (3). Jälleenkäsittelylaitoksella 95% polttoaineesta pystytään kierrättämään ja toimittamaan jälleen käytettäväksi voimalaitoksella (4).

Ydinvoiman käyttö perustuu uraanille, raskaalle lievästi radioaktiiviselle metallille, jota esiintyy luonnossa varsin paljon; uraani on suurin piirtein yhtä yleistä kuin tina ja noin 500 kertaa kultaa yleisempää.

Ydinpolttoaineelle on tyypillistä, että hyvin pienet polttoainemäärät luovuttavat suuria määriä energiaa. Siksi ydinpolttoaineen tuotannon mittakaava ja sen vaikutukset samoin kuin loppusijoitettavien aineiden määrät ovat pieniä suhteessa tuotettuun energiaan. Ydinpolttoaineen käyttö ei synnytä päästöjä kuten useimmat muut polttoaineet. Käytetty polttoaine voidaan joko jälleenkäsittelyllä palauttaa polttoainekiertoon 95%:sesti tai loppusijoittaa.

Käyttämätön ydinpolttoaine on vain lievästi radioaktiivista. Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan säteilee hyvin voimakkaasti, joten säteilysuojelutoimet ovat sen varastoinnissa ja kuljetuksessa tarpeen.

Sisällysluettelo

1 Ydinpolttoaine luonnonvarana
2 Polttoainekierron alkupää
3 Polttoaineen käyttö
- 3.1 Käytetty polttoaine
4 Kuljetukset
5 Polttoainekierron loppupää
- 5.1 Jätehuollon vaihtoehdot
- 5.2 Jälleenkäsittely
6 Lähteet
- 6.1 Viitteet

[muokkaa] Ydinpolttoaine luonnonvarana

Uraani on uusiutumaton luonnonvara, muttei erityisen harvinainen (yhtä yleinen kuin tina) eikä sillä tunneta ydinteknisen käytön lisäksi muita merkittäviä käyttötarkoituksia. Kaivostoiminnan lisäksi ydinpolttoainetta saadaan kierrätyksellä jälleenkäsittelystä, ydinaseriisunnasta ja vanhoista varastoista. Maailman taloudellisesti hyödynnettävissä olevat tunnetut uraanivarat ovat noin 3 miljoonaa tonnia, joka nykyisellä noin 35 000 tonnin vuosittaisella kaivostoiminnalla riittäisi reiluksi 80 vuodeksi. Jos uraanin hinta nousisi huomattavasti, käytettävissä olevat malmivarannot kasvaisivat hyvinkin 100 miljoonan tonnin mittaluokkaan. Täten ydinvoimalla voitaisiin tuottaa energiaa huomattavasti nykyistä suuremmankin kulutuksen kattamiseksi ainakin useita vuosisatoja. (OECD ja IAEA, 2000; Fells, 2005)

Uraanin riittävyydessä ei ole niinkään kyse uraanin määrästä, vaan pikemminkin sen hinnasta. Voimakkaastikaan kallistuva uraani ei välttämättä vaarantaisi ydinvoiman taloudellisuutta, sillä uraaniraaka-aineen osuus ydinsähkön hinnasta on vain joitain prosentteja - täten uraanin hinnan kaksinkertaistuminen merkitsisi vain muutaman prosentin nousua sähkön hinnassa. Jos uraanin hinta edelleen nousisi aina satoihin euroihin kilolta, yllä mainittujen malmivarantojen lisäksi jopa uraanin eristäminen merivedestä tai tavallisesta graniitista tulisi kannattavaksi. Graniitissa on tyypillisesti verrattain suuri uraanitiheys ja johtuen uraanin korkeasta energiasisällöstä kilogramma graniittia sisältää huomattavasti suuremman määrän energiaa kuin hiilivoimalassa poltettu kivihiilikilo. Kaikkiaan uraania on siis saatavilla hyvinkin kymmenien tuhansien vuosien tarpeeseen ja pidemmällekin. (Cohen, 1983; Fells, 2005) Uraanin lisäksi voidaan ydinpolttoaineena hyödyntää myös huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi toriumin käyttö ei ole ollut kannattavaa koska uraania on saatavilla edullisesti, mutta tarvittaessa sillä voidaan kasvattaa saatavilla olevan ydinpolttoaineen riittävyyttä entisestään. (IAEA, 2000) Toinen mahdollisuus liittyy fuusioenergiaan, joka hyödyntää polttoaineenaan vetyä. Vetyä on mahdollista erottaa vedestä, joten maailman meret tarjoaisivat fuusiovoimaloille miltei ehtymättömän polttoainevarannon.

[muokkaa] Polttoainekierron alkupää

1 Uraanimalmi louhitaan kalliosta jatkojalostusta varten. Uraani on maankuoressa yhtä yleinen kuin tina. Uraani ja torium ovat maapallon mittavin nykytekniikalla hyödynnettävissä oleva energiavara.

2 Kaivokselta tiiviimpänä kuljettamista varten uraanista poistetaan sivuaineet ja lopputuloksena on kiinteä, jauhemainen yellowcake, U₃O₈

3 Rikastuslaitoksella yellowcake muunnetaan uraaniheksafluoridiksi, joka on kiinteänä vuorisuolaa muistuttava aine. Rikastuksessa se on kaasuna.

4 Valmis ydinpolttoaine on kiinteitä, kovia uraanioksidinappeja jotka pakataan zirkoniumisiin polttoainesauvoihin. Tässä olomuodossa polttoaine on myös käytettynä.

[muokkaa] Uraanin tuotanto

Maailman suurimpia uraanintuottajia ovat Australia ja Kanada, jotka yhdessä tuottavat yhtä paljon uraania kuin kaikki muut maat yhteensä. Merkittäviä uraanivarantoja on myös mm. Venäjällä, Kazakstanissa, Uzbekistanissa, Namibiassa, Etelä-Afrikassa ja eräillä alueilla Etelä-Amerikassa.

Uraanimalmin louhinta muistuttaa hyvin paljon muiden metallien tai kivihiilen louhimista. Uraanitaloudelle on tyypillistä, että suhteessa saatuun energiaan tarvitun uraanipolttoaineen määrä on hyvin pieni - suuruusluokkaa yksi sadastuhannesosa verrattuna hiileen - joten myös kaivostoiminnan ja sen vaikutusten kokonaismittakaava on vähäisempi. Sekä avolouhoksia että tunnelikaivoksia käytetään. Uusissa kaivoksissa saatetaan käyttää myös malmin kemiallista liuottamista, jolloin esiintymään johdetaan liuotinvirta, jonka mukana uraani otetaan talteen, eikä perinteistä louhintaa tarvita. Seuraavaksi malmin sisältämä uraani erotetaan kemiallisesti noin 60 prosenttiseksi tiivisteeksi, jota kutsutaan nimellä "yellowcake" sen keltaisen värin takia. Täten vältytään kuljettamasta kaivospaikalta ylimääräistä massaa uraanin mukana.

Huolimatta yleisistä väärinkäsityksistä, luonnonuraani on vain lievästi radioaktiivista, eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Uraanin louhinta ei ole ydinteknistä toimintaa, eikä se synnytä radioaktiivisuutta tai ionisoivaa säteilyä. Kaivostoiminnassa syntyvät jätteet ovat pääasiassa kaikelle kaivostoiminnalle tyypillistä tavanomaista sivukiveä.

Merkittävien energiamäärien varastoiminen uraanina on suhteellisen helppoa, sillä yksi kilo ydinpolttoainetta vastaa yli 100 tonnia hiiltä. Uraania on huomattavia määriä varastoissa ympäri maailman. Tällä hetkellä kulutettavasta ydinpolttoaineesta suuri osa tuleekin vanhojen varastojen purkamisesta ja ydinaseriisunnasta.

[muokkaa] Rikastus

Pääartikkeli: Uraanirikastamo

Luonnonuraanista noin 0,7% on fissiiliä, helposti halkeavaa U-235-isotooppia, loppu on pääasiassa isotooppia U-238. Useimmat reaktorit käyttävät korkeamman rikastusasteen polttoainetta, jota varten U-235:n suhteellista osuutta uraanissa täytyy kasvattaa. Koska eri isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, rikastuksessa hyödynnetään uraanin eri isotooppien atomien pienenpientä massaeroa U-238:n ollessa hieman raskaampi. Rikastusta varten yellowcake muunnetaan uraaniheksafluoridiksi (UF₆), joka on kaasu yli 50°C:ssa. Rikastaminen tapahtuu joko kaasudiffuusion tai sentrifugin avulla. Tyypillisesti voimalaitoskäyttöön uraani rikastetaan noin 3%:iin. Mainittakoon, että ydinaseissa käytetään yli 90%:n rikastusastetta, joten sekä tavallinen ydinpolttoaine että luonnonuraani ovat yhtä lailla kelvottomia asekäyttöön.

[muokkaa] Polttoaineen valmistus

Rikastettu uraaniheksafluoridi muunnetaan uraanioksidiksi, joka on olomuodoltaan keraaminen, kiinteä jauhe. Uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi tavallisesti sylinterinmuotoisiksi napeiksi, jotka ovat tilavuudeltaan yleensä alle kuutiosenttimetrin kokoisia. Kukin nappi riittää noin 10000 kilowattitunnin sähköä tuottamiseen. Uraaninapit pinotaan zirkoniumsauvoihin, jotka hitsataan umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Tämän jälkeen polttoainenippu toimitetaan voimalaitokseen käytettäväksi.

Rahtilaiva NS Savannahin ydinpolttoainenippu, joka koostuu 164 polttoainesauvasta (nippu lyhennetty keskeltä kuvaan)

Uraanioksidiin saatetaan sekoittaa plutoniumoksidia, jolloin tuloksena on sekoiteoksidipolttoaine eli MOX-polttoaine. Plutoniumia saadaan pääasiassa joko käytetyn ydinpolttoaineen jälleenkäsittelystä tai ydinasemateriaaleista. Polttoainekäyttöä varten plutoniumpitoisuus laimennetaan noin 3%:iin. Ydinreaktorissa plutonium muuttuu kelvottomaksi asekäyttöön, joten plutoniumin käyttäminen ydinpolttoaineena on muodostunut yleiseksi tavaksi varmentaa että ydinaseriisunnasta vapautuva plutonium ei palaa aseisiin.

[muokkaa] Polttoaineen käyttö

Keskikokoinen ydinvoimala käyttää kuvan kuutiota vastaavan määrän uraanioksidia polttoaineena vuodessa.

Radioaktiivisuuden lasku käytetyssä ydinpolttoaineessa. Vaaka-akselilla vuodet, pystyakselilla aktiivisuus. Vaakasuora viiva esittää uraanimalmin aktiivisuutta.

Polttoaine ladataan reaktoriin, jossa sitä "poltetaan" tyypillisesti useiden vuosien ajan. Tavallisesti polttoainetta siirretään reaktorissa optimaalisen "palamisen" aikaansaamiseksi kerran vuodessa polttoaineenvaihdon yhteydessä, jotta fissiilien aineiden väheneminen otettaisiin huomioon reaktion säätelyssä. Kun ydinvoiman alkuaikoina tuotettiin 5 gigawattipäivää sähköä uraanitonnia kohden, saattaa nykyaikainen ydinvoimala tuottaa kymmenkertaisenkin sähkömäärän samalla polttoaineella. Tämä tarkoittaa, että gigawatin tehoinen voimalaitos voi kuluttaa alle kymmenen tonnia uraanipolttoainetta vuodessa - määrän joka tilavuudeltaan vie vähemmän kuin puoli kuutiometriä.

[muokkaa] Käytetty polttoaine

Ydinpolttoaine poistetaan reaktorista kun fissiilien aineiden pitoisuus laskee suunnitellulle tasolle. Tällöin polttoaine on voimakkaasti radioaktiivista ja tuottaa suuria määriä lämpöä, joten sitä säilytetään vesialtaassa reaktorin lähellä. Vesi jäähdyttää polttoaineen ja toimii säteilysuojana. Jo muutama metri vettä riittää pysäyttämään olennaisesti kaiken säteilyn jota polttoaineesta lähtee. Lyhytikäiset ja siksi voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet polttoaineessa hajoavat nopeasti, jolloin säteily ja lämmöntuotanto heikkenevät. Jo ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen polttoaineen aktiivisuus laskee alle sadanteen osaan alkuperäisestä.

Kun polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily ovat vähentyneet tarpeeksi, se siirretään välivarastoon säilytettäväksi vesialtaassa. Koska ydinpolttoainetta kuluu hyvin pieniä määriä suhteessa tuotettuun energiaan, sen säilyttäminen ei ole teknisesti tai taloudellisesti ongelmallista. Ydinvoimalan koko elinaikanaan kuluttama polttoaine mahtuu helposti keskikokoiseen varastorakennukseen.

[muokkaa] Kuljetukset

Käyttämätön ydinpolttoaine säteilee vain hyvin vähän eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Ydinpolttoainetta voidaan vähällä vaivalla kuljettaa suuriinkin energiantarpeisiin polttoaineen korkean energiapitoisuuden vuoksi. Rekkalastillinen ydinpolttoainetta vastaa energialtaan noin kymmentä miljoonaa hiilitonnia eli yli 100000 hiilirekkaa. Meri-, maantie- ja laivakuljetukset ovat yleisiä.

Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan on voimakkaasti säteilevää ja kehittää lämpöä vielä reaktorista poistonkin jälkeen. Tämän vuoksi säteilysuojelusta ja jossain määrin jäähdytyksestäkin on huolehdittava kuljetuksissa. Polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily vähenevät itsestään ajanoloon. Kun ne ovat vähentyneet tarpeeksi, polttoainetta voidaan siirrellä ja kuljettaa pitkiäkin matkoja. Vaikka säteily on heikentynyt huomattavasti, säteilysuojelutoimet ovat edelleen tarpeen polttoainetta käsiteltäessä. Kuljetuksessa käytetään tukevia terässäiliöitä, joiden seinämät ovat tarpeeksi paksut vaimentaakseen säteilyn turvalliselle tasolle. Polttoaine on edelleen olomuodoltaan kiinteää, keraamista ainetta, joten sen karkaaminen tai vuotaminen nesteiden tai kaasujen tapaan ei ole riski.

Polttoaineen ominaisuudet - vakaa kiinteä, palamaton ja liukenematon olomuoto - sekä kuljetussäiliöiden erittäin korkeaksi suunniteltu onnettomuudensietokyky tekevät edes paikallisen säteilyvaaran syntymisen onnettomuustilanteessakaan hyvin epätodennäköiseksi. Tiettävästi tällaista ei ole sattunut kertaakaan. Sen sijaan tavanomaisia liikenneonnettomuuksia käytetyn polttoaineiden kuljetusten historia tuntee. Kuljetuksiin liittyvä tavanomaisen liikenneonnettomuuden riski onkin itse asiassa huomattavasti korkeampi verrattuna ydinaineisiin liittyvään riskiin.

Polttoaineen kehittämä lämpö absorboituu kuljetussäiliön rakenteisiin ja siirtyy siitä ympäristöön. Usein kuljetussäiliöissä on lämmön säteilyttämiseen tarkoitettuja siivekkeitä.

Kuljetettavat polttoainemäärät mahtuvat pieneen tilaan ydinpolttoaineen pienen kulutuksen takia. Kokonaisen maan energiahuolto onnistuu suhteellisen vähin kuljetuksin. Esimerkiksi Japani toimittaa jälleenkäsittelyyn käytettyä ydinpolttoainetta Ranskaan - tämä onnistuu yhdellä laivalla aika-ajoin tehtävin kuljetuksin. Maailmalla tehdään silloin tällöin käytetyn polttoaineen rautatie-, maantie- ja laivakuljetuksia. Myös Suomessa on kuljetettu käytettyä polttoainetta lyhyitä matkoja maantiellä ja pidempiä matkoja junalla. Ruotsissa kuljetuksia tehdään laivalla.

[muokkaa] Polttoainekierron loppupää

Sellafieldin jälleenkäsittelylaitoksessa 95% käytetystä polttoaineesta kierrätetään uudeksi polttoaineeksi.

[muokkaa] Jätehuollon vaihtoehdot

Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuollolle on olemassa tai ehdotettu lukuisia erilaisia ratkaisuja. Käytetty polttoaine voidaan kierrättää, näin tehdään mm. Ranskassa. Tavallisesti ydinpolttoaineesta yli 95% on käytön jälkeen edelleen uraania, joka voidaan käyttää uudestaan. Kierrätys on kuitenkin teknisesti vaativaa ja jättää edelleen n. 5% polttoaineesta jätteeksi. Toisaalta käytetty polttoaine voidaan säilyttää vartioiduissa varastoissa. Säilytys on teknisesti yksinkertaista ja edullista, mutta vaadittu pitkä varastointiaika tekee varastoinnista hankalan suunnitella ja varmentaa. Ydintekniikan asiantuntijoiden yleisesti parhaana pitämä ja mm. OECD:n alaisen kansainvälisen energiajärjestön IEA:n suosittelema keino käytetyn polttoaineen jätehuoltoon on geologinen eli kallioloppusijoitus. YK:n Agenda 21 -ohjelmajulistuksessa kannustetaan jäsenmaita keskittymään geologisen loppusijoituksen tutkimiseen sen ympäristö- ja turvallisuusetujen vuoksi. Muita ehdotettuja keinoja ovat mm. loppusijoitus merien syvänteisiin, napajäätiköiden alle tai avaruuteen, mutta niiden tutkimisesta on luovuttu lähes kokonaan huomion keskittyessä geologiseen loppusijoitukseen.

[muokkaa] Jälleenkäsittely

Ydinpolttoaineessa "palavat" käytön aikana lähinnä tuoreen polttoaineen sisältämät fissiilit aineet. Koska polttoaine on pääasiassa ketjureaktioon osallistumatonta isotooppia U-238 ja koska osa fissiileistä aineista jää palamatta ja edelleen koska osa U-238:sta muuttuu neutronikaappauksen ja beeta-hajoamisen kautta fissiiliksi plutonium-239:ksi, on itse asiassa suurin osa käytetystä ydinpolttoaineesta mahdollista kierrättää ja käyttää uudestaan polttoaineena. Kaikkiaan yli 95% käytetystä polttoaineesta on mahdollista palauttaa polttoainekiertoon jälleenkäsittelyllä, mikä tekee ydinpolttoainekierrosta suurimmaksi osaksi suljetun ja kutistaa entisestään käytetyn polttoaineen loppusijoitustarvetta.

Jälleenkäsittelyssä uraani ja plutonium eristetään käytetystä polttoaineesta ja jäljelle jäävä osa, noin 5%, jää jätteeksi. Tästä pääosa on uraanin fissiotuotteita. Jälleenkäsittely alkaa polttoainesauvojen mekaanisella aukileikkaamisella. Seuraavaksi yleisimmässä Purex-prosessissa polttoaine liuotetaan voimakkaalla typpihapolla. Voimakas happo on tarpeen koska käytetty ydinpolttoaine on hyvin heikosti liukenevaa, keraamista, kiinteää ainetta. Uraani, plutonium ja fissiotuotteet erotellaan toisistaan kemiallisesti tributyylin, fosfaatin ja kerosiinin seoksella. Saatu uraani ja plutonium käytetään uuden ydinpolttoaineen valmistuksessa. Fissiotuotteet eristetään korkea-aktiivisena jätteenä.

Jälleenkäsittely mahdollistaa käytetyn ydinpolttoaineen 95%:sen kierrätyksen ja on siksi yleistä Britanniassa, Ranskassa, Venäjällä ja Japanissa, jotka jälleenkäsittelevät myös ulkomailta, mm. Saksasta, tuotua polttoainetta. Jälleenkäsittely tuottaa sekoiteoksidipolttoainetta (MOX), jossa osa polttoaineen uraanioksidista on korvattu plutoniumilla. Sekoiteoksidipolttoaineen käyttö on myös tärkeä osa aseistariisuntaa. MOX-polttoaineessa voidaan käyttää myös ydinaseista peräisin olevaa plutoniumia, jolloin siitä voidaan ydinpolttoaineena hävittää noin 30 % ja muuttaa loput ydinaseisiin sellaisenaan kelpaamattomaan muotoon.^[1]. Sekoiteoksidipolttoaineen raaka-aineet tulevat siis joko kierrätyksestä tai aseistariisunnasta.

MOX-polttoaineen käyttöä on maailmalla kritisoitu teknisesti tehottomana ja sen on esitetty lisäävän riskiä ydinaseiden leviämiseen, koska soveltuvan plutoniumin erottaminen tästä MOX-polttoaineesta tai siitä syntyvästä ydinjätteestä ei ole teknisesti vaativaa. Erityisesti Venäjän vanhojen MOX-polttoainetta käyttävien reaktorien turvallisuutta on kritisoitu ja polttoaineen plutonium pitoisuuden vuoksi mahdollisien onnettomuuksien on arveltu olevan vaikutuksiltaan perinteisiä reaktoreita suurempia. MOX-polttoaineen sijaan monet kansalaisjärjestöt ja tutkijat pitävätkin aseplutoniumin varastointia turvallisiin kohteisiin parempana vaihtoehtona. ^[2]