Suomalainen kaukolämpöreaktori vuonna 2028?

VTT yllätti eilen ja julkaisi tiedotteen, jonka mukaan se käynnisti kaukolämmön tuotantoon tarkoitetun pienydinreaktorin kehitystyön. Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto on vastaavasta puhunut jo aiemmin.  Minkälainen laite on kyseessä, sitä emme vielä tiedä, mutta haluan tässä artikkelissa esittää yhden skenaarion siitä, millainen se voi olla, ja miksi sellaisen voi sijoittaa kaupunkialueelle, lähelle kaukolämmön kuluttajia.

Vaikka erilaisia reaktoritekniikoita on tulossa perinteisen kevytvesireaktorin lisäksi muitakin, on kevytvesitekniikka edelleen toistaiseksi ainoa, jota käyttämällä ydinkaukolämpölaitos voidaan rakentaa vaikka heti. Mitään perustutkimusta ei tarvita, ei tutkimista sopivien materiaalien löytymiseksi yms. koska kaikki osataan ja tiedetään jo vuosikymmenien kokemuksella.

Jos tarvitaan lämpöä, reaktorin ei tarvitse tuottaa höyryä, ja jos ei tarvita yli sadan asteen lämpötilaa, ei tarvita myöskään painetta, joten ei tarvita paineastiaakaan. Mahdollisia rakenteita on kaksi: perinteinen paineastia, mutta hyvin pienellä paineella, sekä allas. Oma suosikkini on allas, ja syy selviää tästä artikkelista.

Kuva 1. Allasreaktorin periaate.

Yritetään ensin hahmottaa mittasuhteita. Vertailukohdaksi otetaan tietenkin surullisen kuuluisa Olkiluoto 3. Sen sähköteho on 1600 MW ja sen reaktori tuottaa 4300 MW lämpötehon. Tästä tehosta 4300-1600=2700 MW päätyy lauhdutushäviönä mereen. Reaktori tuottaa siis vuodessa 34 terawattituntia (TWh) lämpöenergiaa. Koska Helsingin kaukolämmityksessä käytetään vuodessa n. 7 TWh, lämmittäisi Olkiluoto 3:n tuottamalla lämpömäärällä viisi Helsinkiä!

Alla olevasta kuvasta voidaan hahmottaa, mistä pienessä kaukolämpöreaktorissa pohjimmiltaan on kysymys.

Kuva 2. Olkiluoto 3 EPR verrattuna pieneen kaukolämpöreaktoriin.

Taustalla on Olkiluoto 3. Kuvasta on helppo ymmärtää, miten suuri ja monimutkainen laitos se on. Me otamme siitä pelkän reaktorisydämen. Sen, mikä on reaktoripaineastian sisällä, ja siirrämme sen avonaiseen vesialtaaseen, nuoli 1. Sen jälkeen pienenämme sitä sata kertaa pienemmäksi, nuoli 2. Päädymme n. 50 megawatin lämpötehoon. Teho voi olla periaatteessa mitä vain välillä 20…200 MW, oleellista kuitenkin, että se on enintään vain muutaman prosentin OL3:n tehosta. Mitään muita härveleitä emme esikuvasta tarvitse.

Reaktorin lämpötilaa voidaan jopa nostaa hieman yli sadan asteen rakentamalla niin syvä allas, että sen pohjalla on riittävästi hydrostaattista painetta estämään veden kiehuminen. Vesi eristää toimivan reaktorin tuottaman säteilyn niin hyvin, että altaassa voi sen puolesta turvallisesti vaikka uida. Allas on myös helppo mitoittaa niin suureksi, että siinä oleva vesi riittää jäähdyttämään reaktorin kaikissa mahdollisissa häiriötilanteissa. Jäähdytykseen ei tarvita minkäänlaista automatiikkaa, pumppuja, venttiileitä, tai edes sähköä, koska vesi on siinä altaassa jo valmiiksi ja se pystyy sitomaan kaiken reaktorin sulkemisen jälkeen tuottaman jälkilämpötehon.

Ihan pelkkä sydän ja allas eivät sentään riitä. Tarvitsemme lisäksi muutaman pumpun, vähän putkistoa ja lämmönsiirtimiä, sekä lentokoneen törmäyksen kestävän kaasutiiviin rakennuksen ympärille. Lopullinen kokonaisuus voisi näyttää suunnilleen samalta, mikä tässä Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston hahmotelmassa kaukolämpöreaktoriksi.

Kuva 3. LUT-konseptireaktori.

Sijoittamalla laitos maan alle, se saadaan suojatuksi lentokoneen törmäykseltä ja muulta ulkoiselta väkivallalta. Tässä julkaisussa

Design of SES-10 Nuclear Reactor for District Heating

on esitetty hahmotelma 10 MW kaukolämpölaitoksesta, allasreaktorilla toteutettuna. Julkaisu on Sveitsistä vuodelta 1991. Nämä eivät siis ole uusia ideoita.

Näitä allas-tyyppisiä reaktoreita on rakennettu satoja kappaleita tutkimuskäyttöön. Se on tutkimusreaktorin yleisin rakenne, koska avoimeen altaaseen on helppo sijoittaa erilaisia tutkimusvälineitä. Polttoainetta voidaan helposti vaihtaa, sydämeen voidaan asettaa koekappaleita säteilytettäväksi, niissä voidaan helposti valmistaa lääketieteessä tarvittavia radioaktiivisia isotooppeja, jne. Sellainen reaktori on Suomessakin, Otaniemessä Espoossa. Nyt jo käytöstä poistettu Triga-tutkimusreaktori otettiin käyttöön vuonna 1962 ja se on siitä asti sijainnut keskellä kaupunkirakennetta. Se on toki pieni, vain 250 kW, mutta laitteena periaatteessa hyvin samanlainen kuin nyt suunnitelmissa olevat kaukolämpöreaktorit.

Maailmalla näitä tutkimusreaktoreita on satoja ja useimmat niistä sijaitsevat yliopistojen yhteydessä asutuksen keskellä. Tässä kuva Alankomaissa sijaitsevasta Delft-yliopiston tutkimusreaktorista.

Kuva 4. Delftin yliopiston koereaktori.

Kuten nähdään, allas on päältä avoin, pohjalla on sinisenä hohtava reaktorisydän. Sen teho on 2 MW ja se sijaitsee keskellä asutusta, Haagin ja Rotterdamin kaupunkien välissä.

Kuva 5. Delftin yliopostin reaktorin sijainti.

Toisena esimerkkinä MIT Nuclear Research Reactor, Massachusettsin teknillisen yliopiston koereaktori. Se sijaitsee Cambridgessä, Massachusettsissa, aivan kaupunkirakenteen keskellä, vain kolmen kilometrin päässä Bostonin keskustasta.

Kuva 6. MIT kuuden megawatin koereaktorin sijainti.

Tästä reaktorista löytyy myös erittäin hyvä ja mielenkiintoinen esittelyvideo, jossa pääsemme katsomaan laitoksen sisään.

Tämän reaktorin teho on 6 MW. Se on pienempi kuin kaukolämmitykseen kaavaillut koot, mutta tehon kasvattaminen esimerkiksi nelinkertaiseksi olisi jo 24 MW, mikä on hyvin moneen kaukolämpöverkkoon täysin riittävä koko. Isompiin verkkoihin niitä voisi asentaa useampia. Tai sitten kokoluokka voisi olla n. 100 MW, jolloin esimerkiksi Hanasaaren lämpötehon korvaamiseksi riittäisi neljä reaktoria.

Vastaavia esimerkkejä löytyy vaikka kuinka paljon. Tutkimusreaktoreita on rakennettu useita satoja eri puolille maailmaa.

Suosikkini fossiilittoman kaukolämmön tuotantoon on siis allasreaktorilla toteutettu, maan alle rakennettu, miehittämätön, kauko-ohjattu, kotimaassa suunniteltu ja valmistettu ydinlämpölaitos. Se on yksinkertainen ja suhteellisen edullinen rakentaa. Vastaavista on kokemuksia vuosikymmenien ajalta ja niitä on jo nyt sijoitettu suurkaupunkien alueille asutuksen keskelle. Voimme soveltaa samaa tekniikkaa lämmitykseen kuin aiemmin on käytetty tutkimustarkoituksessa, sen kummemmasta tästä ei ole kysymys. Kaikki tietämys ja osaaminen on jo olemassa, täytyy vain laatia suunnitelma, joka täyttää asetetut vaatimukset ja rakentaa se laadukkaasti. Kun rakennamme laitosta, jonka teho on vain muutaman prosentin perinteisen, suuren ydinvoimalan tehosta, se on teknisenä haasteenakin vain murto-osan aiemmista projekteista.

Kuinka paljon sitten tarvitaan aikaa tällaisen suunnitteluun ja rakentamiseen? Ydinvoimala perustuu uraanin fissioon. Tämä ilmiö löydettiin vasta vuonna 1938 ja sitä selittävä teoria esitettiin vuotta myöhemmin. Ensimmäiset ydinreaktoriin perustuvat käytännön sovellukset, Obninskin ydinvoimala Neuvostoliitossa ja sukellusvene Nautilus Yhdysvalloissa, aloittivat molemmat toimintansa 1954. Aikaa laboratoriosta valmiiseen sovellukseen tarvittiin 16 vuotta, mikä on todella lyhyt aika minkä takansa tekniikan kohdalla itse ilmiön keksimisestä käytännön sovellukseen. Nyt meillä on tekniikasta yli 60 vuoden kokemus, yli 2000 toiminutta reaktoria on rakennettu ja 52 on rakenteilla, meille pitäisi hyvin riittää puolet tuosta edellä mainitusta kuudestatoista vuodesta. Jos nyt päätämme tuollaisen suunnitella ja rakentaa, se on toiminnassa kahdeksan vuoden kuluttua. Teknistä estettä tälle aikataululle ei ole.