Ydinvoima on vähäpäästöistä energiaa

Ydinenergia syntyy uraaniatomien halkaisemisesta

Ydinvoimalaitoksen energiantuotanto perustuu ketjureaktioon, jossa ydinreaktorin sydämessä vaeltavat neutronit saavat polttoaineessa olevat uraaniatomit halkeamaan eli fissioitumaan. Jokaisessa fissiossa vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita, jotka jatkavat reaktioketjua eteenpäin. [1]

Polttoaineen tuottama lämpö siirtyy reaktorin läpi virtaavaan jäähdytteeseen. Lämpöenergia muutetaan mekaaniseksi energiaksi höyryturbiinikierrossa ja edelleen sähköksi turbiinin pyörittämässä generaattorissa. [1]

Ydinpolttoaineen energiatiheys on hyvin korkea – gramma uraanipolttoainetta tuottaa reaktorissa yhtä paljon energiaa kuin 120 kiloa kivihiiltä. Reaktori toimiikin koko vuoden mittaisen käyttöjaksonsa samalla polttoainelatauksella [1].

Ydinsähkön elinkaaripäästöt vertautuvat uusiutuvilla energialähteillä tuotettuihin päästöihin

Koska energia on kemiallisen palamisen sijaan peräisin ydinreaktioista, reaktorin käytön aikana ei synny hiilidioksidipäästöjä. Tältä osin ydinvoima rinnastuu aurinko-, tuuli- ja vesivoimaan.

Energiantuotannon kasvihuonekaasupäästöjä tarkasteltaessa on kuitenkin katsottava tuotannon koko elinkaarta, joka kattaa myös voimalaitosten rakentamisen, ylläpidon ja käytöstä poiston. Ydinvoiman tapauksessa mukaan on laskettava myös polttoainekierto, joka kattaa uraanin louhinnan, polttoaineen valmistuksen sekä ydinjätteen loppusijoituksen. Kokonaispäästöt riippuvat esimerkiksi siitä, miten paljon elinkaaren eri vaiheissa kuluu energiaa ja fossiilisia polttoaineita.

Ydinvoima on yhdessä tuulivoiman kanssa elinkaaripäästöiltään kaikkein vähäpäästöisin sähköntuotantomuoto (kuva 1). Käytännössä vähäpäästöisten tuotantomuotojen välillä ei kuitenkaan ole ratkaisevan suuria eroja. Fossiilisten polttoaineiden, kuten maakaasun ja kivihiilen, polttamisesta ilman hiilidioksidin talteenottoa ja varastointia aiheutuvat päästöt ovat ydin- ja tuulivoimaan verrattuna vähintään monikymmenkertaiset, eikä edes hiilidioksidin talteenotolla päästä samalle tasolle (kuva 1). [2]

Ydinvoima on Suomen merkittävin sähköntuotantomuoto

Ydinenergiantuotanto alkoi suomessa 1970–1980-luvun vaihteessa, kun Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitokset aloittivat toimintansa. Molemmilla laitosalueilla on kaksi reaktoriyksikköä, joiden yhteenlaskettu sähköteho on noin 2800 megawattia (MW). Olkiluodon kolmannen reaktoriyksikön sähköntuotanto on määrä aloittaa vuoden 2020 aikana (kuva 2). Laitoksen sähköteho on 1600 MW. [3], [4] Suomen kuudennen ydinvoimalaitoksen (sähköteholtaan 1200 MW) kaavaillaan valmistuvan Pyhäjoelle 2020-luvun loppuun mennessä [3].

Ydinvoima on Suomen suurin yksittäinen sähköntuotantomuoto, jolla katetaan nykyisin noin kolmannes kotimaisesta tuotannosta (kuva 3). Vuonna 2017 ydinsähköä tuotettiin noin 22 terawattituntia (TWh). [5] Olkiluodon kolmannen reaktorin suunniteltu vuosituotanto on 12–13 TWh [6], joten ydinsähkön osuus tulee lähitulevaisuudessa vielä merkittävästi kasvamaan. Uuden laitoksen tuotanto vastaa suuruusluokaltaan fossiilisilla polttoaineilla vuosittain tuotettavan sähkön kokonaismäärää [5].

Loviisan ja Olkiluodon vanhojen laitosten nykyiset käyttöluvat umpeutuvat 2030-luvun loppuun mennessä [7], [8], mutta laitoksille saatetaan hakea vielä käyttöiän pidennystä. Pyhäjoen ja Olkiluodon uudet ydinvoimalaitokset on suunniteltu vähintään 60 vuoden käyttöiälle [9], [10].

Ydinenergialla voidaan vähentää myös lämmöntuotannon ja teollisuuden kasvihuonekaasupäästöjä

Ydinvoimalla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita sähköntuotannon lisäksi lämmöntuotannossa ja raskaan teollisuuden prosesseissa [11] [12].

Ydinreaktoreita on käytetty sähkön ja lämmön yhteistuotantoon monessa maassa, kuten Ruotsissa, Sveitsissä ja Venäjällä. Kannattava yhteistuotanto edellyttää, että reaktori sijoitetaan riittävän lähelle lämmön käyttökohteita.  Jos ydinvoimalaitos suunnitellaan varta vasten kaukolämmöntuotantoon, reaktorin käyttölämpötilaa ja -painetta voidaan huomattavasti laskea. Yksinkertaisempi teknologia pienentää laitoksen rakentamiskustannuksia. Kaukolämpöreaktoreiden teknologiaa kehitetään erityisesti Kiinassa. [11]

Öljynjalostuksessa, teräs- ja betoniteollisuudessa vaadittavat lämpötilat ylittävät perinteisten vesijäähdytteisten ydinreaktoreiden toiminta-alueen. Teollisuuden prosessilämmöntuotantoon voitaisiin kuitenkin käyttää kaasujäähdytteisiä korkean lämpötilan reaktoreita, joista on käytännön kokemusta vuosikymmenten takaa [12]. Kiinassa ollaan parhaillaan ottamassa käyttöön prototyyppilaitosta, jonka kaksi lämpöteholtaan 250 megawatin reaktoriyksikköä tuottavat lämpöä 750 asteessa. [13]

Ydinenergiantuotanto perustuu olemassa olevaan teknologiaan

Ydinvoimateknologialla on pitkä käyttöhistoria, mikä on tuonut esille teknologian mahdollisuudet ja rajoitukset. Reaktoreita on käytetty sähköntuotantoon 1950-luvulta lähtien [14]. Keväällä 2019 käytössä oli 30 maassa hieman yli 450 reaktoriyksikköä [15]. Kun tarkastellaan tuotettua energiamäärää asukasta kohti eri maissa, niin ydinvoima on osoittautunut nopeimmaksi tavaksi rakentaa energiantuotantoa, joka ei perustu fossiilisiin polttoaineisiin [16].

Korkeiden investointi- ja matalien polttoainekustannusten vuoksi ydinvoima soveltuu erityisen hyvin tuottamaan sähköä verkon peruskulutustarpeisiin. Esimerkiksi Suomessa ydinvoimalaitokset tuottavat sähköä täydellä teholla koko käyttöjaksonsa ajan. Reaktorin tehoa voidaan kuitenkin säätää myös kulutuksen mukaan. Ydinvoimaloita käytetään tasaamaan tuotannon ja kulutuksen välisiä eroja erityisesti Ranskassa. Säätökapasiteetin merkitys tulee todennäköisesti korostumaan tulevaisuudessa, kun yhä suurempi osuus sähköstä tuotetaan tuulivoimaloilla, joiden teho riippuu voimakkaasti säätilasta. [17]

Ydinvoiman rakentamisen suurimpia haasteita ovat olleet kustannusten kasvu ja aikataulujen venyminen [18]. Massiivisiksi kasvaneet rakennushankkeet ovat törmänneet projektinhallinnan ongelmiin. Esimerkiksi Olkiluodon uusi ydinvoimalaitos valmistuu yli kymmenen vuotta aikataulusta jäljessä. Myös Pyhäjoen laitoksen rakennustöiden aloittaminen viivästyy vuosilla [19]. Tutkimusten mukaan uusilla ydinvoimalaitoksilla tuotettu sähkö asettuu kuitenkin samaan hintaluokkaan tuulivoiman kanssa [20].

Ydinvoimaloiden yksikkökoko pienenee

Yksi ydinvoimarakentamisen tulevaisuuden mahdollisuuksista on yksikkökoon pienentäminen. Pienydinvoimaloita voidaan rakentaa sarjatuotantona [18], [21], minkä uskotaan laskevan kokonaiskustannuksia. [22] Pienreaktoreiden tuottama sähköteho on kymmeniä tai korkeintaan satoja megawatteja [18], [21].

Esimerkiksi Yhdysvalloissa kehitetään modulaarista ydinvoimalaitostyyppiä, jossa laitos koostuu itsenäisistä 50 MW:n reaktoriyksiköistä. Jokainen moduuli pitää reaktorin lisäksi sisällään myös kaikki reaktorin jäähdytyskierron (primääripiirin) komponentit sekä suojarakennuksen. [18] Pienreaktoreista käytetään myös lyhennettä SMR (Small Modular Reactor), joka kuvaa teknologiaan usein yhdistettävää modulaarisuutta.

Turvallisuus on välttämätön edellytys ydinenergian käytölle

Ydinenergian turvallisen käytön välttämätön edellytys on, että reaktorin polttoaineeseen syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset aineet kyetään eristämään tehokkaasti ympäristöstä. Turvallisuussuunnittelu nojaa vahvasti niin sanottuun syvyyssuuntaisen puolustuksen periaatteeseen. Ydinreaktorin polttoaine on kiinteässä olomuodossa olevaa uraanioksidia, joka on suljettu metallisten suojakuoriputkien sisälle pitkiksi polttoainesauvoiksi. Polttoainetta jäähdyttävä vesi muodostaa suljetun kierron laitoksen sisällä, ja uloimpana vapautumisesteenä toimii reaktorin ympärille rakennettu massiivinen kaasutiivis suojarakennus. [23], [24]

Reaktoriturvallisuuden merkittävin haaste on radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuva jälkilämpö, jonka tuotanto ei lakkaa välittömästi reaktorin sammuttamisen hetkellä. Vaikka jälkilämpö on vain murto-osa reaktorin tuottamasta fissiotehosta, reaktorisydämen vesikierto on pystyttävä turvaamaan kaikissa mahdollisissa tilanteissa. Ilman riittävää jäähdytystä polttoaine ylikuumenee, ja polttoainesauvojen vaurioituessa radioaktiivisia aineita alkaa vapautua reaktorin jäähdytyskiertoon. Nykyisissä ydinvoimalaitoksissa reaktorin jäähdytys on turvattu toisistaan riippumattomilla moninkertaisesti varmistetuilla järjestelmillä. [23]

Ydinvoimaloiden turvallisuussuunnittelussa pyritään siirtymään yhä enemmän passiivisiin järjestelmiin. Se tarkoittaa, että esimerkiksi reaktorin jälkilämmönpoisto voidaan toteuttaa luonnonkierrolla, ilman sähkötoimisia pumppuja, jolloin ei tarvita kalliita moninkertaisesti varmistettuja varajärjestelmiä. Laitos siirtyy häiriötilanteessa itsestään turvalliseen tilaan, riippumatta teknisten laitteiden toimintavarmuudesta tai reaktorin ohjaajien toimenpiteistä. Passiivisia jäähdytysjärjestelmiä on suunniteltu erityisesti pienreaktoreihin [18].

Uusien ydinvoimalaitosten suunnittelussa kiinnitetään aikaisempaa enemmän huomiota myös ulkoisiin uhkiin, kuten lentokonetörmäyksiin, aseellisiin hyökkäyksiin sekä ilmastonmuutoksen myötä lisääntyviin sään ääri-ilmiöihin. Suomessa ydinvoiman turvallisuudesta vastaavat voimayhtiöt, ja turvallisuutta valvoo Säteilyturvakeskus [25].

Suomessa käytetty ydinpolttoaine haudataan peruskallioon

Uraanin korkean energiatiheyden vuoksi myös polttoainekierrosta poistuvan voimakkaasti radioaktiivisen ydinjätteen määrä on pieni tuotettuun energiaan suhteutettuna. Siksi esimerkiksi kaikki Olkiluodon ydinvoimalaitosten 40 vuoden aikana tuottama jäte on välivarastoitu laitospaikalle. Määrän sijaan pitkäaikaisturvallisuuden suurin haaste onkin se, että käytettyyn polttoaineeseen syntyy niin pitkäikäisiä isotooppeja, että jäte on eristettävä ympäristöstä tuhansiksi vuosiksi. [26]

Suomessa ydinvoimalaitosten polttoainekierto perustuu suoraan loppusijoitukseen. Reaktorista poistettu polttoaine suljetaan teräksellä vahvistettujen kuparikapselien sisään ja haudataan peruskallioon 400–450 metrin syvyyteen. Loviisan ja Olkiluodon laitosten käytetyn polttoaineen loppusijoitusluolasto on louhittu Olkiluodon ydinvoimala-alueelle, ja loppusijoitustoiminnan on määrä alkaa 2020-luvun aikana. [27] Loviisan käytettyä polttoainetta palautettiin Venäjälle vuoteen 1996 saakka, mutta nykyisen ydinenergialain mukaan kaikki Suomessa syntyvä ydinjäte on myös loppusijoitettava Suomeen [28].

Ydinjätteen geologisessa loppusijoituksessa noudatetaan niin sanottua moniesteperiaattetta. [29] Tiivis kuparikapseli estää loppusijoitustilaan kulkeutunutta vettä pääsemästä kosketuksiin polttoaineen kanssa. Kun kapselin tiiviys aikanaan pettää, jäljellä olevien  radioaktiivisten aineiden vapautuminen tapahtuu erittäin hitaasti, samoin aineiden kulkeutuminen loppusijoitustilasta pohja- ja pintavesistöihin. Esimerkiksi pitkäikäiset plutoniumin isotoopit eivät muodosta veteen helposti liukenevia yhdisteitä. [30] Turvallisuussuunnittelun lähtökohta on, että loppusijoitusluolaston päällä asuvan väestön säteilyaltistus jää kaikkina aikoina merkityksettömän pieneksi verrattuna luonnolliseen taustasäteilyyn [31].

Uraania riittää polttoaineeksi

Ydinpolttoaineena käytettävä uraani on maankuoressa suhteellisen yleinen alkuaine. Nykyisellä kulutuksella maailman tunnetut uraanivarat riittäisivät yli 240 vuoden käyttöön. Suuri osa maailman uraanivaroista on kuitenkin edelleen kartoittamatta. Lisäksi uraania on sitoutunut paljon myös sellaisiin mineraaleihin, joita ei toistaiseksi ole hyödynnetty juuri lainkaan. [32] Uraanin louhintaan liittyy kaivostoiminnalle tyypillisiä haasteita esimerkiksi kaivosjätteiden ja vesiensuojelun osalta, ja ympäristölle turvallinen toiminta edellyttää vastuullisuutta [33].

Arviot uraanivarojen riittävyydestä riippuvat myös uraanin maailmanmarkkinahinnasta. Kysynnän kasvu nostaa hintaa, jolloin myös köyhempien malmimuodostumien louhinta tulee taloudellisesti kannattavaksi. Suurimmat uraanintuottajamaat ovat Kazakstan, Kanada ja Australia, jotka kattavat yhdessä noin 70 % tuotannosta [34], [32]. Polttoainetta riittää varovaistenkin arvioiden mukaan useammalle reaktorisukupolvelle, vaikka kulutus lisääntyisi merkittävästi nykyisestä [32].

Jos ydinenergian käyttö kasvaa nopeasti, voi niin kutsuttu hyötöreaktorikierto tulla kannattavaksi. Tarvittava teknologia tunnetaan [35], ja se perustuu polttoaineeseen syntyvän plutoniumin jatkuvaan kierrättämiseen. Hyötöreaktorit kykenevät käyttämään tehokkaasti uraanin koko energiasisällön, ja raaka-aineesta on mahdollista saada 60–80-kertainen määrä energiaa [18]. Hyötöreaktorin polttoaineeksi käy myös torium, jota on maankuoressa vielä uraaniakin enemmän [36]. Hyötöreaktorikierto edellyttää kuitenkin käytetyn polttoaineen kemiallista jälleenkäsittelyä, joka on kallis ja monimutkainen prosessi. Siksi hyötöreaktoreiden ei uskota vielä lähitulevaisuudessa syrjäyttävän perinteistä polttoainekiertoa [18].

Maailmalla ydinvoimaa rakennetaan lisää

Maailman ydinvoimaloiden yhteenlaskettu kapasiteetti on kasvanut tasaisesti ydinenergian 60-vuotisen historian ajan. Tällä hetkellä uusia reaktoreita rakennetaan erityisesti Kiinassa [15]. Ydinvoimaan panostetaan myös muun muassa Venäjällä, Intiassa, Puolassa ja Unkarissa sekä Ranskassa, Isossa-Britanniassa ja USA:ssa [15]. Monissa maissa ydinvoima on kohdannut myös poliittista vastustusta. Esimerkiksi Saksa on päättänyt luopua ydinvoimasta vuoteen 2022 mennessä [37], [38].