Ydinjäteongelman ratkaisu, sekä 1600 vuotta ydinsähköä ilman uraanikaivoksia


nuclear-power-smileUutisen mukaan
Namibiassa avataan uusi uraanikaivos. Sen on tarkoitus tuottaa 5770 tonnia uraania vuodesta 2017 alkaen. Kaivoksen kokonaisvarannon arvioidaan olevan 140000 tonnia, ja toiminta-ajan vähintään 20 vuotta.

Nykyään energiantuotantoon käytettävät ydinvoimalat käyttävät polttoaineena uraanin isotooppia U-235, jota luonnon uraanissa on vain 0,7 % lopun 99,3 %:n ollessa isotooppia U-238.

Hyötöreaktori pystyy jalostamaan energiaksi myös isotoopin U-238. Sen takia ne pystyvät hyödyntämään maasta louhitun uraanin n. 200 kertaa tehokkaammin kuin nykyiset voimalat.

1000 MWe:n hyötöreaktori toimii vuoden yhdellä tonnilla uraania. Sinä aikana sen tuottaa 8 TWh sähköä. Maailman sähkönkulutus vuodessa on 22 000 TWh.

Kun jaamme tämän luvun kahdeksalla, saamme tulokseksi 2750. Toisin sanoen, kaiken maailmassa kulutetun sähkön tuottamiseen tarvitaan 2750 kpl 1000 MWe:n hyötöreaktoria, ja niille tarvitaan yhteensä 2750 tonnia uraania polttoaineeksi.

Namibiaan avattavan kaivoksen vuosituotto 5770 tonnia riittäisi tuottamaan kaiken sähkön koko maailmassa kahden vuoden ajan. Kaivoksen arvioitu varanto 140000 tonnia riittäisi nykyisellä sähkönkulutuksella viideksikymmeneksi vuodeksi.

Uraaniin tuotanto maailmassa on n. 60000 tonnia vuodessa. Yhden vuoden tuotannolla voitaisiin sähköistää koko maailma kahdenkymmenen vuoden ajan hyötöreaktoreilla.

Maailmassa on valmiiksi olemassa 1,5 miljoonaa tonnia köyhdytettyä uraania, josta on jo erotettu isotooppi U-235 energiantuotantoa varten. Jäljelle jääneelle köyhdytetylle uraanille ei ole mitään käyttöä. 1,5 miljoonaa tonnia voisi sähköistää maailman yli viiden sadan vuoden ajaksi. Tämä siis, vaikka uutta uraania ei louhittaisi lainkaan.

Maailmassa on korkea-aktiivista ydinjätettä, eli kertaalleen käytettyä ydinpolttoainetta 270000 tonnia. Jäte soveltuu hyötöreaktorin polttoaineeksi, koska siitä on käytetty vasta isotooppi U-235 ja tallella on lähes kaikki U-238. Tällä jätemäärällä voitaisiin sähköistää koko maailma sadan vuoden ajan.

Uraani ei ole loppumassa, mutta nykyisin käytössä oleva reaktoritekniikka on vanhanaikainen. Se oli alunperinkin suunniteltu sukellusveneiden voimanlähteeksi, ei siviilikäyttöön sähköntuotantoa varten. Tähän tarkoitukseen on olemassa tehokkaampia menetelmiä.

Nykyiset ydinjätteet on loppusijoitettava kymmeniksi tuhansiksi vuosiksi niissä olevan plutoniumin takia. Hyötöreaktorin jäte ei sisällä plutoniumia. Se sisältää vain fissiotuotteita, joiden puoliintumisaika on noin 30 vuotta. Fissiotuotteet muuttuvat näin ollen vaarattomiksi kolmessa sadassa vuodessa. Tuhansien vuosien loppusijoitusaikaa ei tarvita, joten ydinjäteongelma lakkaa olemasta.

Hyötöreaktoritekniikka on yhtä vanha kuin ydinvoimakin. Hyötöreaktoria kehitettiin samaan aikaan kevytvesireaktorin kanssa, mutta siviilikäyttöön valituksi tuli kevytvesitekniikka, koska siitä oli jo valmis sukellusvenesovellus olemassa, josta se kopioitiin ja skaalattiin suuremmaksi.

Menestyksekkäitä hyötöreaktorin kehitysprojekteja on ollut useampia, joista tunnetuin lienee Integral Fast Reactor (IFR). Uraanin lisäksi alkuaine torium soveltuu hyötöreaktorin polttoaineeksi. Toriumia syntyy monien kaivosten sivutuotteena, eikä sille ole mitään käyttöä, vaan se tyypillisesti haudataan kaivoksen maastoon. Tällaisia valmiita varastoja arvioidaan maailmassa olevan lähes 2,8 miljoonaa tonnia. Sillä määrällä voisi sähköistää koko maailman 1000 vuoden ajan.

Paras tekniikka toriumin käyttämäseksi on sulasuolareaktori, jota jo kevytvesireaktorin kehityksestä Yhdysvalloissa vastannut fyysikko Alvin Weinberg piti parempana tekniikkana siviilipuolen sähköntuotantoon. Tekniikka eliminoi kaikki keskeiset ydinvoiman ongelmat, kuten uraanin riittävyyden, sydämen ylikuumenemisen ja sulamisen mahdollisuuden sekä jätteen loppusijoituksen. Samalla loppuisi merkittävä osa ilmastonmuutosta aiheuttavista hiilidioksidipäästöistä, koska hiiltä ja kaasua ei enää tarvittaisi sähköntuotantoon.

Yhteenvetona, hyötöreaktoreilla voidaan ratkaista ydinjäteongelma, ja sen lisäksi tuottaa kaikki maailman sähkö ilman uuden uraanin tai toriumin louhimista seuraavasti:

  • Valmiiksi louhittu uraani: 500 vuotta
  • Valmiiksi louhittu torium: 1000 vuotta
  • Ydinjätteet: 100 vuotta
  • Yhteensä: 1600 vuotta

Aiheeseen liittyviä kirjoituksia:

  1. IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?
  2. Kuuluuko ydinvoima historiaan?
  3. ”Ydinvoimassa vielä paljon kehitettävää”
  4. Sulasuolareaktori – energiaa toriumista
  5. Sulasuolareaktori – katsaus historiaan
  6. Kiina panostaa torium-voimalaan

 

Mainokset

Moni energiateknologia on jo valmista

Tässä yksi esimerkki siitä, miten monet energiatekniikat ovat jo kehityksensä huipulla, tai hyvin lähellä sitä:

Ilmalämpöpumppu ei tästä juuri parane

Tekninen kehitys ja sovellusten tehokkuus ovat saavuttaneet pisteen, jossa ne ovat jo niin hyvä kuin ylipäätään on mahdollista. Esimerkkejä on monia muitakin, kuten vesivoimala, hiilivoimala, ja ylipäätään useimmat energiatekniikan sovellukset, koska ne ovat jo niin vanhoja ja siksi ”valmiita”. Lähes kaikki energiatekniikan suuret keksinnöt on tehty jo ennen 1900-luvun alkua. Valmiit teknologiat eivät enää muutu merkittävästi paremmiksi, vaikka niihin syydettäisiin miten paljon rahaa hyvänsä.

Valaistus on ledien ansiosta kohta kehitetty valmiiksi, koska valo on energiaa eikä sitä voi määräänsä vähemmällä energialla tuottaa. Vaikuttaa siltä, että tuulivoimala ainakin nykymuodossaan lähestyy myös tätä huippua, jonka jälkeen merkittävää tehokkuuden paranemista tai kustannustason laskua ei ole enää odotettavissa.

Ennen kuin kukaan sanoo ydinvoimasta samaa, todetaan, että nykyinen reaktoritekniikka varmaan valmista onkin, mutta muutamia lupaavia tekniikoita on vielä käytännön tasolla täysin tuotteistamatta ja kokeilematta. Siksi on virheellistä kutsua ydinvoimaa vanhanaikaiseksi. Sitä voi päinvastoin perustellusti pitää potentiaalisimpana kaikista vaihtoehdoista. Polttoainetta riittää tuhansiksi vuosiksi, jäteongelmaan on ratkaisu ja ydinvoiman EROEI voi uusilla tekniikoilla olla ylivoimaisesti paras kaikista energiamuodoista. Ydinvoima on myös uusin kaikista käytössä olevista energiamuodoista, keksitty vasta 1930-luvulla.

Energiamuotojen EROEI-lukuja. Weißbach et. al. 2013.

Energiamuotojen EROEI-lukuja. Weißbach et. al. 2013.

Aurinkopaneeleissa on vielä paljon kehitettävää, mutta niiden tueksi tarvitaan sähkön varastointia, jossa ei ole mitään mullistuksia näköpiirissä. Sama pätee tietysti tuulivoimaan. Sähkön varastointia on tutkittu paljon ja perusteellisesti, laihoin tuloksin. Ei oikein ole edes mitään kehitettävää, koska sopivaa, riittävän tehokasta ja potentiaalista fysikaalista tai kemiallista ilmiötä sähkön varastoimiseksi ei tiedetä olevan olemassa.

  1. EROEI
  2. GETTING TO ZERO: Is renewable energy economically viable?
  3. Energy intensities, EROIs (energy returned on invested), and energy payback times of electricity generating power plants
  4. Kuuluuko ydinvoima historiaan?
  5. IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?
  6. Sulasuolareaktori – energiaa toriumista
  7. Ydinvoiman historia

 

Kuuluuko ydinvoima historiaan?

Ydinvoimaa sanotaan usein vanhanaikaiseksi, vaikka se on itse asiassa käyttämistämme energiamuodoista uusin – keksitty vasta 70 vuotta sitten. Aurinkokennokin on suunnilleen saman ikäinen, mutta esimerkiksi tuulivoima on keksitty lähes kolmetuhatta vuotta sitten, biomassan polttamisesta puhumattakaan. Ydinvoiman jälkeen ei ole keksitty yhtään uutta energian lähdettä.

Amiraali Hyman Ricover

Sähköä tuottava ydinvoimala kehittyi nykyiseen muotoonsa 60-luvulla. Niissä yleisimmin käytetty kevytvesireaktori kehitettiin alun perin Yhdysvaltain laivaston sukellusveneisiin. Tähän tarkoitukseen niitä on yksin USA:ssa rakennettu yli kaksisataa kappaletta. Idean isänä oli laivaston silloinen amiraali Hyman G. Rickover, jonka johdolla valmistui ensimmäinen ydinsukellusvene Nautilus vuonna 1954.

Ydinenergiasta kiinnostuttiin nopeasti myös siviilipuolella, ja niinpä USA:n ensimmäinen siviiliydinvoimala Shippingport valmistui vuonna 1958. Projektin konsulttina toimi niin ikään amiraali Rickover, ja hän toi sotilaspuolella testatun teknologian siviilipuolelle, vähän suurempaan kokoon skaalattuna. Ratkaisu todettiin hyväksi. Ydinvoimalat yleistyivät nopeasti, kokoa kasvatettiin, ja ne ovatkin osoittautuneet varmatoimisiksi ja turvallisiksi laitteiksi. Yksikään kevytvesireaktorilaitos ei ole ”poksahtanut”. Vaikka kaksi kolmasosaa Harrisburgin reaktorin sydämestä suli, kukaan ei kuollut eikä loukkaantunut onnettomuudessa. Siihen oli osattu varautua.

Ydinsukellusvene Nautilus.

Näennäisestä tehokkuudestaan huolimatta kevytvesireaktori on tavattoman tehoton laite. Se hyödyntää louhitusta uraanista vain alle prosentin, loput jäävät jätteeksi. Lyhyt teoreettinen tarkastelu asian ymmärtämiseksi on tarpeen, mutta tämä ei ole vaikeaa. Luonnossa esiintyvästä uraanista 0,7 prosenttia on isotooppia 235 lopun 99,3 prosentin ollessa isotooppia 238. Näistä vain edellinen – U-235 – kelpaa kevytvesireaktorin polttoaineeksi. U-235 halkeaa kun siihen osuu neutroni. U-238 ei halkea, mutta voi muuttaa muotoaan. Siitä tulee muutamien välivaiheiden kautta plutonium-239, joka sitten halkeaa samoin kuin U-235. Kevytvesireaktorissa plutoniumia muodostuu selvästi vähemmän kuin uraania halkeaa, joten käytännössä kaikki U-238 päätyy jätteeksi johon päätyy myös reaktorissa muodostunutta plutoniumia.

Jätteet ovatkin ydinvoiman ongelma. Niissä on uraanin ja plutoniumin halkeamisen tuloksena syntyneitä kevyempiä alkuaineita, sekä plutoniumia. Jäte on radioaktiivista ja on sen vuoksi eristettävä ympäristöstä tuhansiksi vuosiksi. Halkeamistuotteiden puoliintumisaika on muutamasta tunnista muutamiin kymmeniin vuosiin, joten ne lakkaavat säteilemästä muutamassa sadassa vuodessa. Plutoniumin puoliintumisaika on 24000 vuotta, ja se on syynä pitkälle, jopa sadantuhannen vuoden loppusijoitusvaatimuksille.

Shippingport voimala.

Kevytvesireaktori on vanhanaikainen. Käytössä on ydinvoiman kolmas sukupolvi, neljäs on tulossa, ja se mullistaa ydinenergian mahdollisuudet täysin. Oikeastaan tämä sukupolviluokitus on vähän hassu, koska neljännen sukupolven teknologia kehitettiin samoihin aikoihin kevytvesitekniikan aikana. Sukellusveneratkaisu ehti ensimmäisenä valmiiksi, valtasi markkinat, ja nyt ollaan tässä.

Joka tapauksessa, neljäs sukupolvi on tulossa. Niissäkin toiminta perustuu U-235 tai Pu-239 halkeamiseen, mutta erilaisen neutronisäteilyn ansiosta U-238 ytimiä muuttuu Pu-239:si yhtä paljon tai enemmän kuin U-235 ytimiä halkeaa. Nopea reaktori pystyy näin olleen muuttamaan energiaksi, ei vain 1 %, vaan 100 % louhitusta, polttoaineeksi jalostetusta uraanista. Kun se on kerran saatu U-235:n avulla toimimaan, polttoainetäydennyksesi riittää tavallinen luonnonuraani. Tuhannen megawatin voimala tarvitsee polttoainetäydennykseksi tonnin uraania vuodessa. Tässä ei ole pilkkuvirhettä, siis yksi tonni, tuhat kiloa, tuhannen megawatin voimalaan vuodessa. Määrä mahtuu yhteen muuttolaatikkoon. Kaikki Suomessa vuoden aikana käytettävä sähkö voitaisiin tuottaa noin kymmenellä uraanitonnilla. Jos lämpöäkin hyödynnettäisiin, riittäisi määrä tuottamaan myös kaiken Suomessa käytetyn kaukolämmön.

IFR-tyyppinen GE S-SPRIM -voimala.

Entä jäte? Koska kaikki uraani muuttuu nopeassa reaktorissa plutoniumiksi ja halkeaa, jätteessä on vain hajoamistuotteita, jotka siis lakkaavat säteilemästä muutamassa sadassa vuodessa. Sellaisen loppusijoituksen järjestäminen ei voi enää pitää ongelmana.

Eikä tässä vielä kaikki. Nykyisten kevytvesireaktorien jäte voidaan käyttää nopeiden reaktorien polttoaineena, onhan uraanista tähän mennessä käytetty vasta 1 prosentti. Lopputuloksena muodostuu jätettä, jonka radioaktiivisuus häviää muutamassa sadassa vuodessa. Ydinjäteongelma myös nykyisten jätteiden osalta on näin ratkaistu.

Sanotaan, että uraani loppuu muutamassa kymmenessä vuodessa. Opimme juuri, että ydinvoiman neljäs sukupolvi vähentää uraanin kulutuksen sadasosaan ja kevytvesireaktoreiden jätteet voidaan käyttää polttoaineena (kuten myös alkuaine toriumia, jota on maankuoressa kolme kertaa enemmän kuin uraania, mutta se on toinen tarina). Varovaisenkin arvion mukaan ydinvoimalla voitaisiin tuottaa kaikki ihmiskunnan tarvitsema energia tuhansien vuosien ajan, ilman hiilidioksidipäästöjä, pitkäikäistä jätettä tai riskiä ydinaseiden leviämisestä. Ydinvoima tuskin yksinään ratkaisee ilmastonmuutosta, mutta ilman ydinvoimaa, sen ratkaiseminen voi olla mahdoton tehtävä.

Kuulostaako ydinvoima vieläkin vanhanaikaiselta?

(Julkaistu aiemmin Ydinreaktioita -blogissa.)

IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?

S-PRISM

Kirjoitin aikaisemmin otsikolla ”Ydinvoimassa vielä paljon kehitettävää”. Tekstin aiheena oli yhdysvalloissa vuonna 1994 poliittisin perustein keskeytetty lupaava kehityshanke, joka tunnetaan nimellä IFR – Integral Fast Reactor. Se on nopea, metallijäähdytteinen reaktori yhdistettynä suljettuun polttoainekiertoon. Toisin kuin nykyään käytössä olevat kevytvesireaktorit, IFR ei tuota pitkäikäistä jätettä. Massiivista loppusijoitusta ei tarvita, koska jätteen radioaktiivisuus katoaa jo muutamassa sadassa vuodessa. IFR hyödyntää uraanin yli sata kertaa nykyistä tehokkaammin, jolloin arvioihin uraanin riittävyydestä, luokkaa 100 vuotta, voidaan lisätä kaksi nollaa perään. Käytännössä vähintään kolme nollaa, koska yhä niukempien esiintymien hyödyntäminen tulee kannattavaksi uraanin energiasisällön kasvaessa satakertaiseksi.

Nykyisten voimaloiden jäte voidaan kierrättää IFR:ssä. Saadaan energiaa, ja päästään jätteestä eroon. Näitä jätteitä, uraanin rikastuksessa syntynyttä köyhdytettyä uraania, sekä pommeista purettua plutoniumia on jo riittävästi vuosikymmeniksi tai –sadoiksi. Uraanikaivokset voidaan siksi aikaa sulkea.

Nettiin ilmestyi jokin aika sitten pari aiheeseen liittyvää videota. Ensimmäinen, Advanced Liquid Metal Reactor Actinide Recycle System, ”Energy for the 21st Century”, esittelee IFR-teknologiaan perustuvan ydinvoimakonseptin, jonka General Electric-Hitachi on tuoteistanut nimellä S-PRISM. Video on kuvattu 1990-luvulla, ilmeisesti ennen Clintonin hallinnon päätöstä lopettaa hankeen rahoitus. Tässä kyseinen video Suomeksi tekstitettynä:

Toinen, IFR-projektin keskeyttämisen jälkeen valmistunut, lähes tunnin mittainen dokumentti kertoo ydinenergian varhaisista vaiheista, keskittyen EBR-II:n ympärille ja IFR-projektiin. Projektin johtaja ydinfyysikko Charles Till kertoo itse, miten tiedemiesten onnistui rakentaa passiivisesti turvallinen ydinreaktori, joka kesti jopa jäähdytyskierron pysäyttämisen ilman vaurioita. Charles Tillin haastattelun voi lukea tästä.

Video on neljässä osassa tässä:




Tänään maailma tarvitsee päästötöntä energiaa enemmän kuin koskaan. Tehtiinkö vuonna 1994 kohtalokas virhe, jonka seurauksena olemme yhä fossiilisten polttoaineiden armoilla? IFR-teknologian oli tarkoitus olla kaupallisella tasolla vuonna 2010…

Lähteitä:

”Ydinvoimassa vielä paljon kehitettävää”

Ydinvoima on vielä kehityksensä alussa. Nykyinen reaktoritekniikka on osoittautunut toimivaksi, eikä ratkaisevasti uusia tekniikoita ole 1970-luvun jälkeen otettu käyttöön. Niitä kuitenkin on olemassa.

IFR, Integral Fast Reactor, kehitettiin Yhdysvalloissa lähes valmiiksi vuosina 1984–1994. Suunnitelmat kattoivat reaktorin lisäksi suljetun polttoainekierron samassa laitoskompleksissa. Kokeissa käytettiin pientä 60 megawatin koereaktoria. Seuraava vaihe olisi ollut rakentaa täysimittainen demonstraatiolaitos, mutta Bill Clintonin hallinto keskeytti projektin vuonna 1994. Koelaitteisto määrättiin purettavaksi.

Nykyiset ydinvoimalat hyödyntävät louhitusta uraanista alle prosentin ja tuottavat pitkäikäistä ydinjätettä. IFR hyödyntää kaiken uraanin, ja sen tuottama jäte muuttuu vaarattomaksi muutamassa sadassa vuodessa.

Tuhannen megawatin IFR-laitos tarvitsee vuodessa yhden tonnin uraania. Luonnonuraani kelpaa, sitä ei tarvitse rikastaa. Suomen vuotuinen sähkönkulutus ja suurimpien kaupunkien lämmitys voitaisiin tuottaa kymmenellä uraanitonnilla.

IFR voisi olla ratkaisu ydinjäteongelmaan, koska nykyisten voimaloiden jäte kelpaa polttoaineeksi. IFR polttaa jäljellä olevan uraanin ja plutoniumin, eikä pitkäaikaista loppusijoitusta tarvita.

Uraanikaivokset käyvät tarpeettomiksi, koska varastoitua jätettä ja köyhdytettyä uraania riittää polttoaineeksi pitkäksi aikaa.

Polttoaineprosessissa ei synny pommikelpoista materiaalia. Päinvastoin, purettujen ydinaseiden plutonium voidaan käyttää polttoaineena.

Korkean toimintalämpötilansa takia IFR voi korvata hiilivoimalan kattilan. Turbiinilaitos ja sähköverkko voidaan hyödyntää. Maailman suurimpien hiilivoimaloiden muuttaminen IFR-laitoksiksi olisi tehokas keino vähentää päästöjä nopeasti.

IFR-koereaktorin todettiin vaurioitumatta kestävän jäähdytyskierron pysähtyminen, mitä nykyiset ydinvoimalat eivät kestä. Reaktori pysähtyi itsestään lämpötilan noustessa, niin kuin oli suunniteltu.

IFR on tulevaisuuden tekniikoista vain yksi, mutta riittää osoittamaan, että ydinvoima on kaikkea muuta kuin vanhanaikaista.

Uraanin lisäksi polttoaineeksi kelpaa torium, jota on maankuoressa kolme kertaa enemmän kuin uraania. Uudet tekniikat tuhatkertaistavat ydinpolttoaineen riittävyyden tehden siitä ehtymättömän energianlähteen. Fuusiovoimaa ei tähän tarvita.

Kaj Luukko
energiatekniikan insinööri
Helsinki

Julkaistu Helsingin Sanomissa 23.4.2010


Lähdeluettelo professori Barry Brookin blogissa BraveNewClimate:

Artikkelin linkkuluettelo kohdassa For further reading

Barry Brook on Adelaiden yliopiston ilmastonmuutoksen professori.