Ydinvoimasta kannattaa puhua, koska sen pontentiaali päästöjen vähentämisessä on aivan liian suuri, jotta se voitaisiin jättää huomioon ottamatta energia- ja ilmastokriisin ratkaisemisessa. Ydinvoimaa on opittu pitämään liian kalliina, vaarallisena, ja hitaana rakentaa, jotta siitä olisi mitään hyötyä. Osittain väitteet pitävät paikansa, osittain eivät. Ydinvoima on väärin käytettynä vaarallista, oikein käytettynä ei. Tämä pätee moneen muuhunkin teolliseen toimintaan. Ydinvoima on kallista rakentaa, mutta halpa käyttää. Investoinnit ovat kalliita, ja alkavat tuottaa selvästi hitaammin kuin useimmat uusiutuvan energian investoinnit. Siksi vapaa raha hakeutuu helpommin uusiutuvaan energiaan, vaikka ydinvoiman potentiaali on käytännössä niitä suurempi monistakin syistä.
Kuva 1. ThorCon reaktorilaitos on kokonaan maanpinnan alapuolella.
Nykyisin eniten käytetty ydinvoimalatyyppi perustuu painevesireaktoriin (PWR=Pressurized Water Reactor), joka alun perin kehitettiin sukellusveneen voimanlähteeksi. Se toimii hyvin, sen käytöstä on pitkä kokemus, ja se tuottaa tällä hetkellä vesivoiman jälkeen eniten päästötöntä sähköä maailmassa, ja neljä kertaa enemmän kuin tuuli- ja aurinkovoima yhteensä. Koska ydinvoiman turvallisuutta on haluttu parantaa, muodostuu suurin osa uuden PWR-voimalan kustannuksista erilaisista suojarakenteista ja – järjestelmistä, joilla on kaksi tarkoitusta: estää sydämen ylikuumeneminen ja sulaminen, sekä estää radioaktiivisten aineiden päästy ympäristöön, mikäli sydän kaikesta huolimatta sulaisi. PWR ei kuitenkaan ole ainoa vaihtoehto ydinenergian hyödyntämiseksi. Muista vaihtoehdoista on blogissa kirjoitettu ennenkin, esim. seuraavissa artikkeleissa:
Sulasuolareaktori – energiaa toriumista
IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?
Vaikka ydinvoimaa sanotaan vanhanaikaiseksi, se on käyttämistämme energiamuodoista uusin, ja ainoa, joka keksittiin 1900-luvulla. Kaikki muut on keksitty 1800-luvulla tai paljon ennen sitä. Alalla on kaikessa hiljaisuudessa tapahtumassa lähivuosina paljon. Kiina on päättänyt kaupallistaa sulasuolareaktorin (MSR=Molten Salt Reactor) kymmenessä vuodessa, koska hiilivoiman aiheuttamat ilmasaasteet ovat toden teolla alkaneet riivaamaan kansalaisia. Seuraavassa esittelemme kaksi hanketta Kiinan ulkopuolelta, joissa tavoitteena on tuoda MSR markkinoille lähimmän kymmenen vuoden kuluessa. Kanadalaiset Terrestrial Energyn suunnitelman nimi on Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Se on kuvan mukainen, vähän kuplavolkkaria isompi moduuli, joka pitää sisällään kaikki aktiiviset osat.
Kuva 2. Terrestial Energy, Integtal Molten Salt Reactor (IMSR), vasemmalla 25 MWe ja 300 MWe mallit.
Kuvassa vasemmalla on pienin lämpöteholtaan 60 MW, toisena 650 MW malli. Kaiksi oikeanpuoleista ovat saman teholuokan painevesireaktoreita. Terrestial Energy tekee yhteistyötä Oak Ride Laboratoryn kanssa. Toinen yrittäjä on yhdysvaltalainen Martingale Inc, jonka suunnitelma kantaa nimeä ThorCon Power. Ratkaisuna on samankaltainen moduulirakenne kuin kilpailijalla. Teknisesti nämä ovat hyvin lähellä toisiaan, joten niiden erillinen esittely ei ole tarpeen. Molemmat perustuvat nestemäisen polttoaineen käyttöön. Tämä tekniikka kehitettiin ja testattiin Oak Ride Laboratoryssä kahdella toimivalla reaktorilla vuodesta 1946 vuoteen 1973, jolloin projekti keskeytettiin poliittisin perustein. Tästä enemmän artikkelissa Sulasuolareaktori – katsaus historiaan Nesteenä on suola, johon polttoaineena käytetty uraani on liuotettu. Neste toimii paitsi polttoaineena, myös jäähdytteenä, jolla reaktorin tuottama lämpö siirretään ja otetaan talteen. Tällä ratkaisulla on useita etuja. Itse asiassa kevytvesireaktorin ”isänä” tunnettu fyysikko Alwin Weinberg piti MSR:ää siviilikäyttöön PWR:ää parempana vaihtoehtona, mutta tämä kannanotto jäi aikanaan vaille sitä huomiota, minkä se olisi ansainnut. Tekniikan edut ovat huomattavat: Suurin kevytvesireaktorin riski, sydämen sulaminen, on eliminoitu täysin, koska polttoaine on jo sulassa muodossa. Nestemäinen polttoaine myös eliminoi tarpeen valmistaa polttoainesauvoja, mikä alentaa kustannuksia. Suolan sulamislämpötila on useita satoja asteita, ja kiehumispiste vielä huomattavasti tätäkin korkeampi. Reaktoria ei sen takia tarvitse paineistaa, se voi toimia ilmakehän paineessa. Reaktoria ei tarvitse rakentaa paineastiaksi, jonka seinämän vahvuus PWR:ssä voi olla parikymmentä senttimetriä. Tällainen paineastia on vaikea, hidas ja kallis valmistaa. MSR:n astia voidaan valmistaa parin sentin vahvuisesta teräksestä. Tällä hetkellä maailmassa on vain muutamia terästehtaita, jotka ylipäätään kykenevät valmistamaan PWR:n paineastian. MSR eliminoi tämän ongelman kokonaan. Koska rakenteissa ei ole paksuseinämäisiä teräsosia, MSR on tunteeton nopeille tehonmuutoksille. Sen tehoa voidaan säätää nopeasti, yhtä nopeasti kuin kaasuturbiinia, jollaiseen yhdistettynä se olisi käyttökelpoinen esim. tuuli- ja aurinkovoiman säädössä. Yksi kevytvesireaktorin tehonmuutosnopeutta rajoittava tekijä on ksenonin muodostuminen polttoainsauvoihin. Ksenon absorboi neutroneja, joten se voi tietyissä tilanteissa pysäyttää reaktorin kokonaan. Koska ksenon on kaasu, se poistuu helposti suolaliuoksesta, eikä käyttöä estävää ksenon-myrkytystä voi tapahtua. Koska reaktorissa ei ole painetta, eikä vettä, höyryräjähdys ei ole mahdollinen. Tämä eliminoi massiivisen, paineenkestävän suojarakennuksen tarpeen. PWR:ssä voi tietyissä onnettomuustilanteissa muodostua tulenarkaa vetyä. Näin kävi Fukushimassa, jonka seurauksena reaktorihallin yläosat räjähtivät. MSR:ssä ei voi muodostua vetyä, eli tämä riski eliminoituu kokonaan. MSR on passiivisesti turvallinen. Itse fissioreaktio voi tapahtua vain grafiittisydämen sisällä tietyssä lämpötilassa. Jos sydän lämpenee liiaksi, suolan lämpölaajeneminen ajaa osan suolasta ja polttoaineesta sydämen ulkopuolelle, jolloin jäljelle jäävä fissiilin polttoaineen määrä ei enää kykene ylläpitämään fissiota, vaan reaktio hidastuu itsestään. Säätösauvoja MSR:ssa on vain muutama, eikä niitä normaalisti tarvita tehon säätämiseen. Reaktorin pohjassa on kiinteästä suolasta muodostettu tulppa (alla olevassa kuvassa harmaalla). Se pidetään kiinteänä jäähdyttämällä sitä. Jos omakäyttösähkö laitokselta häviää, pysähtyy myös suolatulpan jäähdytys, jolloin se sulaa, ja reaktorissa oleva suola valuu alla olevaan varastosäiliöön. Se on rakennettu niin, että radioaktiivisen hajoamisen muodostama ns. jälkilämpö poistuu ympäristöön itsestään, ilman mitään aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka tarvitsisivat sähköä tai muuta ulkopuolista toimenpidettä. Tämä ominaisuus eliminoi täysin PWR:n moninkertaisten ja kalliiden hätäjäähdytysjärjestelmien tarpeen.
Kuva 3. Martingale Inc (ThorCon Power). Itse reaktori on kuvassa oranssi. Alhaalla vihreällä on säilö, johon polttoainesuola häiriötilanteessa tyhjennetään.
Näiden kahden ominaisuuden takia MSR on passiivisesti turvallinen. Käyttöhenkilökunnan ei tarvitse tehdään mitään, eikä mitään aktiivisia, sähkönsyötöstä riippuvaisia järjestelmiä tarvita. Turvajärjestelmää ei voi edes kytkeä pois päältä, koska turvallisuus perustuu suolatulpan sulamiseen ja painovoimaan, joka on aina ”päällä”. Käyttöhenkilökunta voi lähteä vaikka kotiinsa, ja laitos ajaa häiriön sattuessa itsensä turvalliseen tilaan ja jää siihen. Maanjäristyksen kestävä suolasuolareaktori olisi Fukushimassa ainoastaan pysähtynyt. Se olisi voitu käynnistää uudelleen heti kun tsunamin aiheuttamat muut sotkut olisi siivottu pois tieltä. Nämä molemmat reaktorimoduulit voidaan rakentaa tehtaassa sarjatuotantona. Martingale Inc:n strategiana on suunnitella, tuotteistaa ja tyyppihyväksyttää yksi ainoa 250 MWe:n kokoinen moduuli. Erikokoisia voimaloita voidaan rakentaa yhdistämällä näitä moduuleita. Esim. tuhannen megawatin laitokseen asennetaan neljä moduulia. Terrestrial Energyn suunnitelmissa on kehittää useampia kokovaihtoehtoja, joista pienin olisi lämpöteholtaan 80 MW. Sähköä siitä saisi n. 30 MW. Martingale Inc käyttää esimerkkinä Korealaista telakkaa, joka rakentaa sata laivaa vuodessa. Reaktorimoduulin materiaalit ja rakenne ovat sellaisia, että telakka voisi valmistaa niitä siinä missä laivamoduulejakin. Yksi suuri telakka kykenisi vuodessa valmistamaan reaktorimoduulit sataan tuhannen megawatin voimalaan. Voimala on täysin moduulirakenteinen. Moduulit rakennetaan sarjatuotantona ja kootaan paikan päällä. Alla oleva animaatio havainnostaa moduulirakentamisen.
Kuva 4. ThorCon moduulirakentaminen.
Yhteen tuhannen megawatin PowerCon Energy voimalan reaktorilaitokseen tarvitaan 17000 tonnia terästä. Vastaavan tehoisen tuulivoima-installaatioon (kapasiteettikertoimella 33 %) terästä tarvitaan 24-kertainen määrä, n. 400.000 tonnia. MSR voi toimia hyvin korkeassa lämpötilassa, selvästi korkeammassa kuin vesijäähdytteiset reaktorit. Niiden yhteydessä voidaan käyttää samoja höyryturbiinikoneistoja kuin hiilivoimaloissa. Niitä maailmassa on paljon jo valmiina. MSR voisi suoraan korvata hiilivoimalan kattilan ja muuttaa laitoksen nollapäästöiseksi voimalaksi. Molemmat yritykset ovat laskeneet, että tällä teknologialla sähköä voidaan tuottaa halvemmalla kuin tällä hetkellä halvimmalla, eli kivihiilellä. ThorCon Powerin sivuilta löytyvät tarkat kustannuslaskelmat, joiden mukaan reaktorilaitos olisi halvempi rakentaa kuin hiilivoimalan kattila. Tämä yhdessä hiiltä halvemman polttoaineen kanssa, tekisi sähkön hinnaksi 27,50 €/MWh, verrattuna hiilen hintaan 50 €/MWh. Hinnassa on otettu huomioon laitosten rakentaminen, käyttö, polttoaineet oletetulla 32 vuoden eliniällä ja 10 % diskonttauskorolla. Jos tässä esitetyt suunnitelmat hyödynnetään maailman päästöjen vähennyksessä ja rakennettaisiin 39 kpl tuhannen megawatin MSR-voimalaa vuodessa, ne voisivat korvata hiilivoimalat 40 vuodessa.
Kuva 3. Rakentamalla kolme ThorCon 250 MWe moduulia viikossa, hiilivoimalat voidaan korvata 40 vuodessa.
Kivihiili sähkön tuotannossa aiheuttaa yli 25 % kaikista energian tuotannon CO2-päästöistä. Hiilen voi syrjäyttää markkinoilta tehokkaimmin tuomalla tilalle vielä halvemman vaihtoehdon, jota toistaiseksi ei ole. MSR:n hyvä säädettävyys tekee siitä vaihtoehdon myös maakaasulle. MSR:n korkeaa lämpötilaa voidaan hyödyntää myös muuhun kuin sähkön tuotantoon. Sillä voidaan esimerkiksi valmistaa vedestä vetyä, joka voidaan edelleen muuntaa hiilivedyksi, ja näin korvata öljyä polttoaineena tai kemian teollisuuden raaka-aineena. Riittävän edullista lämmönlähdettä tähän tarkoitukseen ei kemian teollisuudella toistaiseksi ole käytettävissä. MSR:n polttoainetalous on vähän parempi kuin PWR:n. Martingale Inc ilmoittaa, että yksi 1000 MW:n laitos tarvitsee 208 tonnia luonnonuraania vuodessa, kun vastaavan tehoinen PWR tarvitsee 250 tonnia. Suolaan liuotetun polttoaineen jälleenkäsittely on helpompaa kuin PWR:n oksidipolttoaineen. Jälleenkäsittelyllä MSR:n uraaninkulutus voidaan puolittaa. Martingale Inc:n suunnitelmissa on käyttää toriumia uraanin seassa, joka vähentää uraanin kulutusta. MSR voi teoriassa hyötää kaiken käyttämänsä polttoaineen toriumista, mutta näissä molemmissa suunnitelmissa se mahdollisuus on jätetty pois, koska tekniikka siihen ei ole valmis. Näissä kummassakaan ei ole mitään sellaista uutta tekniikkaa, mitä ei olisi jo testattu. Siksi ne voivat olla valmiita ja kaupallisessa käytössä lähimmän kymmenen vuoden kuluessa. Tämä tekniikka on lupaava, että se tulee jossain muodossa käyttöön ennemmin tai myöhemmin. Kun se on käytössä, voidaan sitovia ja merkittäviä ilmastosopimuksiakin saada aikaiseksi, koska hiilelle on realistinen vaihtoehto tarjolla. Vielä toistaiseksi hiilen käyttö kasvaa joka vuosi enemmän kuin tuuli- ja aurinkosähköä tuotetaan.
Gaia 