Sulasuolareaktori – energiaa toriumista

Tässä artikkelissa kerrotaan ydinvoimatekniikasta, joka tarjoaa lähes ehtymättömän ja päästöttömän energialähteen, sekä ratkaisun ydinjäteongelmaan. Tekniikan avulla voidaan muuntaa myös nykyiset ydinjätteet huomattavasti helpommin hävitettävään muotoon samalla kun niistä saadaan vielä paljon energiaa talteen. Polttoainetta tämä tekniikkaa kuluttaa vain noin sadasosan nykyisiin ydinvoimaloihin verrattuna, eikä polttoaine ei ole uraani, vaan kolme kertaa yleisempi alkuaine torium. Laskennallisesti koko maailman energiantarve voitaisiin tyydyttää alle kymmenellä tuhannella tonnilla toriumia vuodessa.

Teksti on yritetty kirjoittaa mahdollisimman helppotajuiseksi. Vaikeita termejä on linkitetty selittäviin lähteisiin.

Nykyiset ydinvoimalat toimivat poikkeuksetta uraanilla, tarkemmin sanottuna uraani-isotoopilla 235, (isotooppi?) joka neutronipommituksessa halkeaa vapauttaen lämpöenergiaa. Uraani-isotooppi 238 ei halkea, mutta muuttuu neutronisäteilyssä muutamien välivaiheiden kautta plutonium-isotoopiksi 239, joka uraani-235 tavoin halkeaa. Uraani-238 ei siis ole fissiili, eli halkeava. Uraani-238 on sen sijaan fertiili, mikä tarkoittaa, että se voidaan neutronisäteilyn avulla muuttaa fissiiliksi plutonium-239:ksi. Alkuaineen muuttumista toiseksi alkuaineeksi sanotaan transmutaatioksi, ja kun sitä tehdään ydinreaktorissa, puhutaan hyötämisestä. Uraani-238 voidaan siis hyötää plutonium-239:ksi, ja sillä tavalla käyttää polttoaineena.

Hyötäminen on englanniksi breed, (synnyttää, lisääntyä, kasvattaa), mikä sanana kuvastaa paremmin mistä tässä on kysymys.

Käytössä olevat kevytvesireaktorit toimivat ns. hitailla neutroneilla. Niissä käytetään vettä neutronien hidastamiseksi, ja niitä kutsutaankin hitaiksi, tai termisikisi reaktoreiksi. Ne hyötävät U-238:aa plutoniumiksi jonkin verran, mutta varsinaiset hyötöreaktorit ovat nopeita reaktoreita. Niissä ei ole hidastinta, ja nimensä mukaisesti ne toimivat nopeilla reaktoreilla. Esim. aiemmin käsitelty IFR on nopea reaktori. Ne voivat tuottaa enemmän polttoainetta kuin kuluttavat.

Torium on kolme kertaa uraania yleisempi alkuaine. Se on uraani-238 tavoin fertiili, eli se voidaan neutronisäteilyssä hyötää, jolloin siitä tulee fissiili uraani-233. Toisin kuin uraani-238, toriumia voidaan hyötää myös hitaissa reaktoreissa. Sitä on suunniteltu käytettäväksi lisänä nykyisissäkin kevytvesireaktoreissa, sekä Kanadalaisissa raskasvesireaktoreissa.

Toriumin käyttöön soveltuu hyvin ns. sulasuolareaktori, jonka mielenkiintoista historiaa käsiteltiin edellisessä artikkelissa. Seuraavaksi keskitytään tekniikkaan ja sen suomiin mahdollisuuksiin.

Sulasuolareaktori, MSR (Molten Salt Reactor) tai LTFR (Liquid Torium Fluoride Reactor) eroaa täysin muista reaktoreista. Sen polttoaine on nestemäisessä muodossa, suolaseoksena, esim. LiF-BeF₂-ThF₄-UF_4. Suola toimii myös jäähdytteenä.

MSR on hidas reaktori. Hidastimena toimii grafiittisydän, jonka läpi suola kierrätetään. Ydinreaktiot tapahtuvat hitaiden neutronien alueella grafiittisydämessä. Lämmennyt suola johdetaan lämmönvaihtimeen jossa lämpöenergia otetaan talteen ja muutetaan sähköksi perinteisellä höyryturbinilla. Kuvassa 1 nähdään MSR-laitoksen periaatekaavio.

Kuva 1.

MSR:n korkea toimintalämpötila, jopa yli 700˚C mahdollistaa myös kaasuturbiinin käyttämisen lämpövoimakoneena. Energiantuotannossa käytettäisiin työaineena heliumia ja hermeettistä kaasuturbiinia suljetulla kierrolla. Tämä teknisesti hyvin vaativa ja kallis turbiinikoneisto tuottaisi höyryturbiinia paremman hyötysuhteen, mutta MSR:n ensimmäiset sovellukset tultaneen näkemään perinteisellä, edullisella höyryturbiinilla toteutettuna.

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.

Reaktori koostuu kevytrakenteisesta säiliöstä, jonka sisällä on grafiittisydän ja yksinkertainen säätösauvakoneisto. Kuvassa 2 nähdään MSRE koereaktorin grafiittisydän ja reaktorisäilö, jossa sydän sijaitsee.

Kuva 2.

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.

MSR omaa voimakkaan negatiivisen lämpötilakertoimen, joka tarkoittaa sitä, että sen teho pienenee lämpötilan noustessa. Ilmiö johtuu suolan lämpölaajenemisesta. Mitä kuumempaa suola on, sen vähemmän sitä mahtuu grafiittisydämeen ja sen vähemmän fissiota tapahtuu. Reaktorin teho säätyy itsestään sen mukaan, paljonko tehoa siitä otetaan ulos. Säätösauvoja ei tehonsäätöön välttämättä tarvita lainkaan. (Yhden lähteen mukaan kokonaislämpötilakerroin olisi positiivinen)

Koska polttoaine on suolaliuoksessa, polttoainesauvoja ei tarvitse valmistaa. Reaktorin yhteydessä on suolaliuoksen käsittelylaitteisto, jossa fissiotuotteet erotetaan, aktinoidit palautetaan ja tuoretta toriumia lisätään kiertoon. Reaktoria ei tarvitse pysäyttää polttoaineen latausta varten. Useita muitakin mahdollisia polttoainekiertoja on tutkittu. Esimerkiksi 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.

MSR:n polttoaineenkulutus vastaa IFR:n kulutusta, ollen n. 1000 kg vuodessa 1000 MW:n laitosta kohti. Kuvan 3 kahdensadan litran tynnyriin mahtuisi 1000 MW toriumvoimalan kahden vuoden polttoaineet.

Kuva 3.

IFR:n tavoin MSR:n käytetty polttoaine sisältää pääasiassa fissiotuotteita, ei pitkäikäisiä aktinoideja. Jätteen radioaktiivisuus vähenee luonnonuraanin tasolle n. 300 vuodessa. Tätä pidempää loppusijoitusta ei tarvita.

Kuvassa 4 on verrattu torium-voimalan polttoainekiertoa käytössä olevien ydinvoimaloiden polttoainekiertoon.

Kuva 4.

Nykyinen voimala:

• tarvitsee 250 tonnia luonnonuraania kaivoksesta
• rikastuksessa saadaan 35 tonnia rikastettua polttoainetta, josta valmistetaan polttoainesauvoja
• rikastuksessa jää yli 215 tonnia köyhdytettyä uraania
• polttoaine ladataan reaktoriin, jossa U-235 palaa, osa U-238:sta muuttuu Pu-239:ksi josta osa palaa ja osaa jää käytettyyn polttoaineeseen
• käytettyä polttoainetta, eli korkea-aktiivista jätettä syntyy 35 tonnia
• jäte sisältää 33,4 tonnia U-238, 300 kg U-235, 300 kg plutoniumia, 1000 kg fissiotuotteita

MSR-toriumvoimala:

• tarvitsee yhden tonnin toriumia kaivoksesta
• rikastusta ei tarvita
• torium syötetään reaktorin suolakiertoon
• käytettyä polttoainetta, eli korkea-aktiivista jätettä syntyy yksi tonni
• jäte sisältää fissiotuotteita
• 83% fissiotuotteista muuttuu vaarattomiksi kymmenessä vuodessa
• loput 17% fissiotuotteista muuttuu vaarattomiksi 300 vuodessa, tämän pidempää loppusijoitusta ei tarvita
• jätteessä on plutoniumia n. 30 grammaa

Käytetyn polttoaineen plutonium ei sovellu pommin valmistamiseen, koska se ei ole riittävän puhdasta.

MSR voidaan rakentaa hyvin monen kokoiseksi, alle megawatin kokoisesta aina tuhansiin megawatteihin asti. Sen 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. Onkin esitetty arvioita, että MSR-laitoksen rakentamiskustannukset voisivat olla nykyisiä ydinvoimaloita alhaisemmat ja rakentamisaika lyhyempi.

MSR toimii korkeammassa lämpötilassa kuin IFR, jopa yli 700˚C. Näin ollen sillä voidaan suoraan korvata myös ylikriittisten hiilivoimaloiden kattilat ja hyödyntää jo olemassa oleva turbiinikoneisto, sähköverkko ja muu infrastruktuuri. Tämä saattaisi olla kaikkein tehokkain tapa lopettaa suurimman yksittäisen CO2-lähteen, kivihiilen polttaminen.

Korkea lämpötila tekee myös sähkön ja lämmön yhteistuotannon edulliseksi.

Koska torium ei ole fissiili, MSR-reaktoria ei voi käynnistää pelkällä toriumilla, vaan se tarvitsee alkulataukseen riittävän määrän fissiiliä uraani-235, uraani-233 tai plutonium-239 -isotooppia.

Kuten IFR, tämäkään tekniikka ei ole valmis kaupallistettavaksi. Kiina ilmoitti tammikuun lopussa käynnistävänsä MSR-reaktorin kehityshankkeen. Lähempänä toteutumista on Japanin 10 MWe:n demonstraatiolaitos miniFUJI, jota seuraisi 200 MWe:n FUJI.

Kuva 5. Japanin suunnitelma, 200 MWe:n FUJI MSR-toriumvoimala.

FUJIn on ennakoitu tuottavan sähköä 30% nykyisiä ydinvoimaloita halvemmalla tarjoten siten kaupallisen kilpailijan myös suurimmalle hiilidioksidilähteelle, kivihiilelle.

(Tekstiä editoitu 28.2.2011, sisältöön ei muutoksia.)

Lähteet:

1. Wikipedia: Molten salt reactor
2. Energy from Thorium
3. The Nuclear Green Revolution
4. ThoriumMSR
5. LFTRs to Power the Planet
6. Thorium Energy
7. MOLTEN-SALT REACTORS—HISTORY, STATUS, AND POTENTIAL
8. PHYSICAL PROPERTIES OF MOLTEN-SALT REACTOR FUEL, COOLANT, AND FLUSH SALTS
9. Molten Fluorides as Power Reactor Fuels
10. MOLTEN-SALT REACTORS
11. Molten Salt Reactor (MSR) – sulasuolojen ominaisuudet
12. Molten Salt Reactors and Possible Scenarios for Future Nuclear Power Deployment
13. China enters race to develop nuclear energy from thorium