Kuulakekoreaktori

Tässä blogissa on aiemmin esitelty olemassa olevia ydinvoimatekniikoita, jotka ovat jääneet käytössä olevan kevytvesireaktoritekniikan varjoon. Näitä ovat sulasuorareaktori ja hyötöreaktori.

On vielä yksi tekniikka, jota ei toistaiseksi ole blogissa ollut esillä. Tekniikka on siitä mielenkiintoinen, että ensimmäinen kaupallisen kokoluokan laitos on valmistumassa mahdollisesti vielä tämän vuoden aikana. Kyseessä on Bebble Bed Reactor, josta suomeksi käytetään nimeä kuulakekoreaktori. Omasta mielestäni kuulapetireaktori olisi luontevampi nimi, koska bed = peti. Samoin kuin fluidized bed boiler on leijupetikattila eikä leijukekokattila.

Kuulakekoreaktorin rakenne

Alla oleva kuva esittää reaktorilaitoksen pääosat; itse reaktorin ja lämmönsiirtimen.

Kuva 1. Kuulakekoreaktori ja höytystin.

Polttoaine on grafiittipalloissa (pebble) reaktorin sisällä. Fissio tapahtuu palloissa ja pallot kuumenevat. Jäähdytteenä käytetään heliumia, joka virtaa ”kuulakeon” läpi. Sieltä kuumennut helium virtaa lämmönsiirtimeen, josta lämpö otetaan talteen. Käytännössä, jos tarkoituksena on tuottaa sähköä, lämmönsiirrin on höyrystin, josta saadaan höyryä turbiinille. Loppuosa prosessista on samanlainen kuin vaikkapa hiilivoimalassa.

Reaktorissa on kuulakeon ulkopuolella neutroniheijastin, jonka tehtävä on palauttaa osa neutroneista takaisin kekoon, jotta se pysyy kriittisenä. Tässä rakenteessa säätösauvat voidaan sijoittaa heijastimeen, varsinaisen sydämen ulkopuolelle.

Polttoainepalloja voidaan käytön aikana poistaa keon alaosasta ja lisätä yläosaan. Polttoaineen latausseisokkia ei näin ollen tarvita.

Polttoaine

Kuulakekoreaktori käyttää ns. TRISO-polttoainetta (Tristructural-isotropic). Alla olevassa kuvassa nähdään 6 cm kokoisen polttoainepallon rakenne.

Kuva 2. TRISO-pottoaine.

Uraanioksidi on palloissa pieninä, puolen millimetrin kokoisina hiukkasina. Jokainen hiukkanen on päällystetty neljällä suojakerroksella. Näitä päällystettyjä uraanihiukkasia on sitten tuhansia grafiittipallon sisällä. Pallot kestävät vähintään 1600 astetta vaurioitumatta. Uraanihiukkasten päällysteenä käytetyn piikarbidin sulamispiste on 2730 °C.

Kuva 2. TRISO-polttoainetta Kiinassa. Yksi pallo sisältää energiaa yhtä paljon kuin 8½ tonnia hiiltä.

Pallojen grafiitti toimii myös hidastimena.

Uraanin seassa palloissa voidaan käyttää toriumia ja aikaansaada tällä tavalla osittainen hyötöreaktori. Neutronisäteilyssä torium muuttuu parin välivaiheen kautta uraani 233 –isotoopiksi, joka on fissiili ja toimii siten polttoaineena.

Toiminta

Reaktori toimii samalla periaatteella kuin mikä tahansa fissio-reaktori. Kuulakeossa, eli sydämessä, on kriittinen massa fissiiliä U-235 –isotooppia ja fissio käynnistyy kun säätösauvoja vedetään reaktorista ulos. Toimintalämpötila on 600…800 astetta, eli huomattavasti korkeampi kuin nykyisin käytössä olevien kevytvesireaktoreiden 300 astetta. Tästä on useita etuja: Sähköntuotannossa saadaan parempi hyötysuhde ja kaukolämmön yhteistuotanto on edullisempaa. Lisäksi korkea lämpötila on käyttökelpoista muissakin teollisissa prosesseissa kuin sähköntuotannossa, esimerkiksi vedyn valmistuksessa.

Turvallisuusnäkökohdat

Koska reaktorissa tai missään siihen liittyvässä putkistossa ei ole vettä, siinä ei voi tapahtua höyryräjähdystä. Reaktori ei sen vuoksi tarvitse massiivista paineenkestävää suojarakennusta. Helium on paineistettu n. 70 bar paineeseen, mikä on alle puolet PWR:n paineesta.

Polttoainepallot kestävät vaurioitumatta vähintään 1600 astetta, mikä on kaksi kertaa reaktorin normaalia toimintalämpötilaa enemmän. Kuten kaikissa siviilireaktoreissa, kuulakeossakin on liiallisen lämpötilan nousun estäviä negatiivisia tehokertoimia. Fissioreaktio pysähtyy itsestään, ilman säätösauvoja, jos lämpötila syystä tai toisesta nousee yli toimintalämpötilan. Kun fissio pysähtyy, lämpötila pyrkii edelleen nousemaan ns. jälkilämpötehon johdosta. Tämä ilmiö, englanniksi Decay Heat, johtuu polttoaineen seassa olevien fissiotuotteiden radioaktiivisen hajoamisen tuottamasta lämmöstä. Jälkilämpöä ei voida estää, joten se on kyettävä siirtämään sydämestä ulos, muuten se ylikuumenee ja vaurioituu. Tämän jälkilämpötehon hallinta on vesijäähdytteisten reaktoreiden suurin tekninen haaste. Moninkertaiset vara- ja hätäjäähdytysjärjestelmät ovat olemassa juuri tämän takia. Fukushimassa ei olisi tapahtunut mitään, ellei nimenomaan jälkilämpöteho olisi päässyt ylikuumentamaan ja vaurioittamaan polttoainetta.

Reaktorin sydämen tehotiheys ilmaisee tehoa sydämen tilavuuden kuutiometriä kohti. Kuulakekoreaktorissa sydämen tehotiheys on varsin pieni, luokkaa 3 MW/m3 kun se PWR:ssä on 100 MW/m3. Tämä on jo lähtötilanteena huomattavasti helpompi jälkilämmön poistamista ajatellen, koska myös jälkilämmön tehotiheys on samassa suhteessa pienempi. Kuukakeko voidaankin suunnitella siten, että jälkilämpö poistuu reaktorista itsestään, ilman aktiivisia hätäjärjestelmiä. Mikäli heliumin kierto reaktorissa lakkaa, tai helium vuotaa systeemistä ulos, lämpö siirtyy polttoainepalloista toiseen säteilemällä, palloista edelleen reaktorin seinämiin, johtumalla seinämän sisäpinnasta ulkopintaan, poistuu ulkopinnasta säteilyn ja konvektion avulla lopulta ulkoilmaan. Tämä on myös käytännössä kokeiltu. Jäähdytyksen menetyksen jälkeen sydämen lämpötila nousee ensin hitaasti 1500 asteeseen ja alkaa sen jälkeen jälkilämpötehon nopeasti vähentyessä putoamaan. Alla oleva kuva esittää kuulakeon lämpötilan nousua jäähdytyksen menetyksessä.

Kuva 3. Kuulakeon lämpötila jäähdytyksen menetyksen jälkeen.

Koska polttoainepallot kestävät 1600 astetta, radioaktiiviseen vuotoon johtavaa vauriota ei pääse kehittymään. Vaikka pallojen grafiitti hajoaisikin, polttoaineen suojana on edelleen keraaminen suojakuori, joka estää radioaktiivisten aineiden vapautumisen. Kuulakekoreaktorin lämpötila ei voi nousta sulamispisteen yläpuolelle, vaikka kaikki jäähdytys menetettäisiin.

Kuulakekoreaktori on ns. ”walk away safe”, eli ongelmien ilmaantuessa käyttöhenkilökunta voi vaikka lähteä kotiinsa, voimala ajaa itse itsensä turvalliseen tilaan. Tämä tapahtuu, vaikka kaikki omakäyttösähkö laitoksella olisi pimeänä. Reaktori ei edes vioitu tällaisen tilanteen seurauksena vaan voidaan ottaa uudelleen käyttöön, kun keskeytyksen aiheuttanut vika on korjattu.

Historia

Kuulakekoreaktori on keksintönä vanha. Idea on esitetty Yhdysvalloissa vuonna 1947. Saksassa sitä tutkittiin pitkään ja rakennettiin kaksi koelaitostakin, AVR reactor (1967-1988 ) sekä THTR-300 (1983-1989), mutta sittemmin maassa on luovuttu kaikesta ydinvoimatekniikasta ja tämäkin kehitystyö on lopetettu. Saksasta hanke siirtyi Etelä-Afrikkaan, jossa siitä luovuttiin myös. Työtä jatkettiin Kiinassa, jossa on vuodesta 2000 ollut toiminnassa 10 MWt HTR-10 -koereaktori.

Kiinan HTR-10 koelaitoksessa on testattu kaikki yllä kuvatut turvallisuusominaisuudet käytännössä. Tässä harvinaisessa videossa Tsinghuan yliopiston ydintutkimuslaitokselta nähdään mm. demonstroitu jäähdytyksen menetys –koe, Loss of coolant accident, LOCA. Vastaava tapahtuma tuhoaisi jokaisen kevytvesireaktorin.

Kiinan demonstraatiolaitos HTR-PM

Kehitystyön ja saatujen käyttökokemusten perustella suunniteltiin kaupallisen mittakaavan, 110 MWe:n kuulakekoreaktori. Ensimmäisen täyden mittakaavan demonstraatiolaitoksen rakentaminen aloitettiin joulukuussa 2012 ja se on nyt lähes valmis.

Se koostuu kahdesta reaktoriyksiköstä ja yhdestä höyryturbiinista. Sähköteho on 220 MW. Ihan tarkkoja tietoja Kiinasta ei tahdo löytyä, mutta tämän alkuvuoden uutisen mukaan laitos olisi tarkoitus ottaa käyttöön loppuvuoden 2017 aikana. Polttoaine on jo laitoksella ja se saattaa olla ladattukin.

Teoriassa höyryturbiinin tilalla voitaisiin käyttää hermeettistä kaasuturbiinia suoralla kytkennällä, mutta nämä turbiinit ovat vielä kaukana kaupallisesta tasosta, jos koskaan sen saavuttavatkaan.

Jos tekniikka toimii niin kuin on ajateltu, Kiinassa on tarkoitus käynnistää välittömästi seuraavan laitoksen rakentaminen. Siihen tulisi kuusi reaktoria, sähkötehoksi 1200 MW. Laitoksen hinta tähän mennessä kerätyn kokemuksen perusteella on 5000 $/kW, mutta tekniikkaa ja valmistusmenetelmiä edelleen kehittämällä suunnittelijat uskovat saavansa hinnan pudotettua välille 2000-2500 $/kW. Olkiluoto 3:n kokoinen laitos maksaisi silloin 2,7 – 3,5 miljardia euroa. Kiina aikoo tarjota tätä tekniikkaa myös vientiin.

Koska kuulakekoreaktorin toimintalämpötila ylittää ylikriittisen hiilikattilan höyryn lämpötilan, ja koska sitä ei turvallisuutensa takia tarvitse sijoittaa kauas asutuksesta, se soveltuu erinomaisesti suoraan hiilikattilan tilalle. Näin ollen on mahdollista korvata olemassa olevan hiilivoimalan kattila kuulakekoreaktoreilla ja hyödyntää laitoksen kaikki muu koneisto sellaisenaan. Tällä ratkaisulla on kaikki edellytykset olla nopein mahdollinen tapa korvata fossiilista sähköntuotantoa päästöttömällä vaihtoehdolla. Tekniikka kykenee vastaamaan samaan kysyntään ja tarpeeseen sähköjärjestelmässä kuin tasaiseen tehontuotantoon kykenevät, luonnonvoimista riippumattomat hiilivoimalat.

Toisin kuin länsimaissa, Kiinassa on ymmärretty, että ydinvoima ei ole vanhanaikaista.

Mainokset

4 thoughts on “Kuulakekoreaktori

  1. Hieno artikkeli, kiitos.
    MKekin voimme nopeasti ja halvalla poistaa hiilen käyttöä ostamalla Kiinasta noita kuulapetivoimaloita muuaman vuoden kuluttua.
    Saksalaiset ovat lisänneet voimakkaasti hiilen käyttöä – kun niistä uusiutuvista paneeleista ja tuulimyllyistä ei ole juuri apua, ja fundit haluaa ydinvoimasta eroon asap.
    Pian ne joutuu ostamaan Kiinasta omia innovaatioitaan kovalla hinnalla?

    Tykkää

  2. Kiinnostava artikkeli, toden totta. Ilmeisestikin reaktoriturvallisuus on ”perinteistä” mallia niin paljon parempi, ettei sitä taloudellisuuden tuhoavaa paksua suojakuorta kaivata?
    Miten lienee terrorismiturvallisuus? Em. paksu betonikuori ehkäisee usemmanlaisia hyökkäyksiä, mutta tässä sitä ei olisi. Jos reaktori rei’itetään räjäyttämällä tai ampumalla, niin kai siitä jotain seuraa? Esimerkki heliumin lämpötila on sikseen korkea, että hapen pääsy järjestelmään johtaisi tod. näk. grafiitin syttymiseen.
    Toki taloudellisesti rakennettavat pienemmemmät yksiköt vähentävät pahimmankin tapauksen vahingollisuutta.
    Muuten tuo, että hiilivoimalat voitaisiin muuntaa tällä tekniikalla ydinvoimaloiksi on todella houkuttelevalta kuulostava ajatus.

    Tykkää

  3. Kiitos kommenteista! Kyllähän näitä 4G-tekniikoita kehitetään juuri siksi, että ne ovat turvallisempia kuin aiemmat, myös jo hyvin turvalliset tekniikat. Ydinvoima on joka tapauksessa tuotettua energiayksikköä kohti turvallisuudessa suunnilleen tasoissa tuulivoiman kanssa.

    Death_toll_TWh

    Saksan kääntymiseen voi mennä kyllä hyvä tovi, niin voimakasta vastustus siellä on. Hintana heillä luopumisesta on hiilen polttaminen hamaan tulevaisuuteen.

    Mikäänhän ei estä edelleenkin rakentamasta ulkopuolisilta hyökkäyksiltä suojaavaa suojarakennusta, tai sijoittamasta koko reaktoria maan alle, jossa se olisi hyvin suojassa myös lentokoneita vastaan. Pitää tietysti kysyä, kuinka turvallista ydinvoiman pitää olla, koska meillä on nytkin vaarallisia kemikaaleja tehtaisssa ilman minkäänlaista varsinaista suojaa terrorismia tai lentokonetörmäyksiä vastaan, muita kuin teollisuusstandardien mukaiset aitaukset ja vartioinnit. Bhopalin onnettomuus hyvin osoitti potentiaaliset riskit. Ihan viime aikoina kuorma-autotkin ovat osoittautuneet ydinvoimaloita tehokkaammiksi terrorismin välineiksi. Kannattaa pohtia näitä ja suhteellistaa ydinturvallisuus muihin riskitekijöihin yhteiskunnassamme. Yhtään mitään ei saada 100% turvalliseksi, mutta riittäisikö esimerkiksi 99,9999% ?

    Jos kuulakekoreaktori ammutaan tykillä hajalle ja kuulat levivät voimalan pihalle, ne jäävät siihen ja jäähtyvät aikanaan. Reaktorispeksien mukainen grafiitti ei ihme kyllä pala. Tässä sitä on kokeiltu sytyttää happi-asetyleeni-liekillä, jonka lämpötila on yli 2000 astetta, vaikka tekstissä sanotaan n. 1500 astetta.

    Grafiitti on mielenkiintoinen aine. Alle sadan barin paineessa se ei myskään sula, vaan haihtuu suoraan kaasuksi 4200 Kelvinin lämpötilassa.

    Pihalle levinneet kuulat säteilevät kuolettavasti, mutta eivät kovin kauas. Osa kuulista varmasti hajoaa, jolloin polttoainerakeet ehkä vapautuvat. Niissä on edelleen neljä suojaavaa kerrosta, joista suurin osa todennäköisesti säilyy ehjänä. Millin kokoiset rakeet eivät leijaile tuulen mukana kauas. Vasta jos joistakin rakeista hajoaa kaikki suojakuoret, silloin polttoaine ja fissiotuotteet pääsevät ympäristöön. Tämä määrä jää pahimmassakin kuviteltavissa olevassa tilanteessa vähäiseksi verrattuna nykyreaktorien onnettomuusskenaarioihin.

    Liked by 1 henkilö

  4. Ydinvoimalat taitavat jo nykyäänkin olla parhaiten vartioituja teollisuusyksiköitä, eli niihin ei edes terroristit niin vain marssi sisään. Ja mikäli niitä aletaan pommittamaan hajalle vieraan valtion toimesta, niin silloin ne saasteet ovat kuitenkin yksi pienemmän pään murheista.

    https://yle.fi/uutiset/3-5548520

    Tykkää

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s