4.1 Ydinvoima

FY08 Aine, säteily ja kvantittuminen

Sidososuus ja ydinreaktiot

Suurin sidososuus on raudalla. Ydinmuutokset pyrkivät tapahtumaan kohti rautaa.

Fissio

Fuusio

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Fissio ja fuusio

  • Ydinenergiaa voi vapautua kahdessa ydinreaktiossa: fuusiossa ja fissiossa
  • Fissiossa yksi raskas ydin halkeaa kahdeksi radioaktiiviseksi ytimeksi, jolloin vapautuu myös neutroneita
    • Syntyneiden ytimien yhteenlaskettu sidosenergia suurempi kuin alkuperäisen ytimen (massaa muuntuu energiaksi)
  • Fuusiossa kaksi toisiinsa törmäävää kevyttä ydintä yhdistyvät
    • Energia syntyy ytimen hiukkasten (protonien ja neutronien) sidosenergian vapautuessa
    • Kaikkien tähtien energia on fuusioenergiaa
  • Yksittäinen fissioreaktio vapauttaa 10–15 kertaa enemmän energiaa kuin yksittäinen fuusioreaktio
    • Fissiossa vapautuu enemmän energiaa tapahtumaa kohden
    • Fuusiossa vapautuu enemmän energiaa nukleonia kohden
    • Fuusio on tehokkaampi ydinreaktio

Ydinvoimala ja fissioreaktorit

  • Ydinvoimala on lämpövoimalan kaltainen voimalaitos (suuri vedenkeitin)
  • Lämpö saadaan kontrolloiduista atomiytimien hajoamisketjusta, ketjureaktiosta
  • Ydinpolttoaineena käytetään uraania (U-235)
    • Uraania rikastetaan eli U-235 -isotoopin suhteellista määrää lisätään
    • Uraaninapit kootaan sauvoiksi, joiden käyttöikä on muutama vuosi
_{92}^{235}{\text U}
_{36}^{92}{\text {Kr}}
+
_{56}^{141}{\text {Ba}}
+
_{0}^{1}{\text n}
+
3_{0}^{1}{\text n}

Kuva: ydinasiaa.fi

+ ENERGIAA

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Ydinvoimalan toimintaperiaate

  1. Halkeavista ytimistä vapautuu neutroneja, jotka hajottavat muita uraaniytimiä (ketjureaktio)
    • Hajoamisessa syntyneitä neutroneja hidastetaan vedellä
    • Hajoamisten määrää kontrolloidaan säätösauvoilla, jotka absorboivat reaktiossa syntyneitä neutroneja
    • Toimenpiteitä tarvitaan hallitun energiantuotannon toteuttamiseksi
  2. Hajoamisreaktiot lämmittävät vettä, joka höyrystetään
  3. Virtaava höyry pyörittää turbiinia
  4. Turbiinin pyörimisenergia muutetaan generaattorissa sähköksi induktion avulla
  5. Jäljelle jäänyt vesi lauhdutetaan (esim. merivedellä)                           uudelleen voimalaitoskiertoon

Kuva: ydinasiaa.fi

Chicagon läjä

  • Ensimmäinen ydinreaktori rakennettiin Chicagon yliopiston urheilusaliin vuonna 1942
  • Reaktori ajoi 4,5 minuuttia 0,5 W:n teholla
  • Tärkeässä roolissa ydinaseen kehittelyssä (Manhattan-projekti)

Kuvat: Wikipedia

Ydinreaktoreista

1. Ylös nostettu säätösauva, 2. Osittain alas laskettu säätösauva, 3. Ydinpolttoaine, 4. Reaktoripaineastia, 5. Höyryn ulostulo, 6. Veden sisäänmeno, 7. Kiehuva vesi

Kuva: Wikipedia / Panther CC BY-SA 3.0

  • Polttoaineena U-235
    • Vain 0,7 % luonnonuraanista
    • Rikastettava pitoisuuteen 3-4 %
    • Puristettu tableteiksi, ladottu 4 m putkiin
    • Niputettu 60-100 kpl nipuiksi
    • 3–5 vuotta reaktorissa
    • Kanadasta, Venäjältä, Australiasta
  • Hidastinaineella hidastetaan nopeat neutronit termisiksi
    • Useimmiten vesi (H2O) tai raskas vesi (D2O)
  • Säätösauvoilla absorboidaan ylimääräiset neutronit
    • Ketjureaktio pysyy hallittuna
    • Korkeussäädöllä säädellään vedessä olevan sauvan pinta-alaa
  • Käytetty polttoaine
    • Noin 96 % edelleen uraania
    • Korkea-aktiivista ydinjätettä
    • Noin 30–40 vuotta jäähdytysaltaissa
    • Loppusijoitus kapseloinnilla noin 500 m syvään kallioperään Olkiluotoon, lopuksi tunneli täytetään

Kuva: STUK

Painevesireaktori

Korkeapaineinen vesi jäähdyttää reaktorin ydintä

Korkeassa paineessa vesi ei höyrysty (faasikaavio!)

Turbiinia pyörittää sekundäärivesi(höyry)

Laitosyksikkö Käynnistys Kaupallinen käyttö Nimellissähköteho (brutto/netto, MW) Tyyppi, toimittaja
Loviisa 1 8.2.1977 9.5.1977 531/507 Painevesireaktori (PWR), Atomenergoexport
Loviisa 2 4.11.1980 5.1.1981 531/507 Painevesireaktori (PWR), Atomenergoexport
Olkiluoto 3 21.12.2021 16.4.2023 1720/1600 Painevesireaktori (EPR), Areva

Kuva: Vattenfall

Kiehutusvesireaktori

Turbiinia pyörittää reaktorissa höyrystynyt primäärivesi

Huonompi hyötysuhde kuin painevesireaktorilla

Laitosyksikkö Käynnistys Kaupallinen käyttö Nimellissähköteho (brutto/netto, MW) Tyyppi, toimittaja
Olkiluoto 1 2.9.1978 10.10.1979 920/890 Kiehutusvesireaktori (BWR), Asea Atom
Olkiluoto 2 18.2.1980 1.7.1982 920/890 Kiehutusvesireaktori (BWR), Asea Atom

Ydinvoimalaitosten hyötysuhde n. 30 %, koska niillä tuotetaan pelkästään sähköä

Suomen reaktorit

  • Loviisa 1 & 2: n. 500 MW, painevesireaktori
  • Olkiluoto 1 & 2: n. 900 MW, kiehutusvesireaktori
  • Olkiluoto 3 (aloitettu v. 2005): n. 1600 MW, painevesireaktori, säännöllinen sähköntuotanto alkoi keväällä 2023
    • Kattaa noin 14 % Suomen sähkönkulutuksesta (ydinvoimalla tuotetaan jo n. 38 % sähköstä (v. 2024))
  • Olkiluoto 4: eduskunnan periaatepäätös 2010, rahoitusongelmat, ei jatkolupaa v. 2014
  • Hanhikivi 1: eduskunnan periaatepäätös 2014, sopimus Rosatomin kanssa purettu toukokuussa 2022
  • Otaniemen tutkimusreaktori (mm. opetus ja BNCT-sädehoito): 100–250 kW, lakkautettu 30.6.2015

Lisätietoa ydinvoiman luontovaikutuksista

Ydinonnettomuuksia

  1. Tšernobyl, Ukraina (Neuvostoliitto) 1986, INES 7
    • Reaktorin ydin suli
    • 134 akuuttia säteilysairautta, ennenaikaisia kuolemia jopa noin   200 000?
  2. Fukushima, Japani 2011, INES 7
    • ​Maanjäristys ja tsunami vaurioittivat jäähdytysjärjestelmää
    • 170 000 ihmistä evakuoitiin
  3. Kyštymin plutoniumintuotantolaitos, Neuvostoliitto 1957, INES 6
    • ​Polttoainesäiliö räjähti
    • 300 kuoli, tuhansia syöpiä
  4. Three Mile Island 1979, USA, INES 5
    • ​Reaktorin ydin suli osittain
    • Turvajärjestelmät toimivat
    • Ei henkilövahinkoja tai haittaa ympäristölle

Wikipedia CC BY-SA 3.0

INES = International Nuclear Event Scale

Pohdi kaverin kanssa

Mitkä ovat ydinvoimalan hyötyjä ja haasteita?

 

Nykyisillä tiedoillasi ydinvoimasta, onko se mielestäsi hyvä vai huono tapa tuottaa energiaa?

a) Mikä on ydinreaktiossa toinen syntyvä isotooppi neon-24:n lisäksi?

b) Mikä on tämän isotoopin hajoamistapa ja puoliintumisaika?

c) Mikä uusi ydin muodostuu, kun kysytty ydin hajoaa? Kirjoita reaktioyhtälö.

d) Laske uraanifission massavaje.

e) Laske tässä halkeamisreaktiossa vapautuva energia eli reaktioenergia.

BONUS: Kuinka paljon hiiltä pitää polttaa, että saadaan sama määrä lämpöenergiaa kuin 1,0 kg:sta U-235 -isotooppia?

Ydinvoimaloissa käytetään polttoaineena U-235 -isotooppia. Eräs mahdollinen ytimen halkeamisreaktio on seuraava:

_{0}^{1}{\text n} + \ _{92}^{235}{\text U} \rightarrow \ _{10}^{24}{\text {Ne}} \ + \ ? \ + 2\ _{0}^{1}{\text n}

Esimerkki 1

a) Massaluku A säilyy ja järjestysluku Z säilyy.

b) Taulukosta: 210-Pb hajoaa β− -hajoamisella, puoliintumisaika on 22,3 vuotta.

_{82}^{210}{\text {Pb}} \rightarrow \ _{83}^{210}{\text {Bi}} + \text e^- + \overline{\nu}

c) Kirjoitetaan reaktioyhtälö.

_{0}^{1}{\text n} + \ _{92}^{235}{\text U} \rightarrow \ _{10}^{24}{\text {Ne}} \ + \ _{82}^{210}{\text {Pb}} \ + 2\ _{0}^{1}{\text n}

A: 235 + 1 = 24 + 210 + 2

Z: 92 + 0 = 10 + 82 + 0

Neon-24:n lisäksi syntyy lyijy-210 -isotooppi.

d) Ratkaistaan massavaje.

\Delta m = m(_{92}^{235}{\text U}) + m(_{0}^{1}{\text n}) - m(_{10}^{24}{\text {Ne}}) - m(_{82}^{210}{\text {Pb}}) - m(2_{0}^{1}{\text n})
m(_{92}^{235}{\text U}) = 235,043925 \ \text u
m(_{0}^{1}{\text n}) = 1,008665 \ \text u
m(_{10}^{24}{\text {Ne}}) = 23,993613 \ \text u
m(_{82}^{210}{\text {Pb}}) = 209,984163 \ \text u
\Delta m = 235,043925 \ \text u + 1,008665 \ \text u - 23,993613 \ \text u - 209,984163 \ \text u - 2 \cdot 1,008665 \ \text u
\Delta m = 0,057484 \ \text u

e) Ratkaistaan reaktioenergia.

Q = \Delta m c^2 = 0,057484 \cdot 931,494102 \ \text {MeV}/{c^2} \cdot c^2
Q = 53,54600696 \ \text {MeV} \approx 53,546 \ \text {MeV}
\Delta m = (m(_{92}^{235}{\text U}) - 92m_e) + m(_{0}^{1}{\text n}) - (m(_{10}^{24}{\text {Ne}}) - 10m_e) - (m(_{82}^{210}{\text {Pb}}) -82 m_e) - m(2_{0}^{1}{\text n})

Elektronit supistuvat yhtälöstä pois.

BONUS:

Yhdessä U-235 -hajoamisessa vapautuu energiaa 53,546 006 96 MeV.  Lasketaan kuinka paljon 1,0 kg:ssa on hajoavia ytimiä. U-235:n atomimassa on 235,043 925 u.

N = \frac{m_{\text {näyte}}}{m_{\text {atomi}}}

Yhteensä näissä ytimissä vapautuu energiaa

Q_{\text {yht}} = N \cdot Q_{\text U-235}
N = \frac{1,0 \ \text {kg}}{235,043925 \ \text u} = \frac{1,0 \ \text {kg}}{235,043925 \ \cdot \ 1,660 \ 539 \ \cdot \ 10^{–27} \text{ kg}}
N = 2,56213 \cdot 10^{24}
Q_{\text {yht}} = 2,56213 \cdot 10^{24} \cdot 53,546 \ 006 \ 96 \ \text {MeV}
Q_{\text {yht}} = 1,37192 \cdot 10^{26} \ \text {MeV} = 2,19806 \cdot 10^{13} \ \text J

Kivihiilen lämpöarvo on H = 26–32 MJ/kg. Kivihiilen poltossa vapautuva energia on

Q = Hm

Ratkaistaan suureyhtälöstä massa. Energia on sama kuin U-235 -hajoamisessa vapautunut energia.

m = \frac{Q_{\text {yht}}}{H}
m_{\text {min}} = 686 \ 894 \ \text {kg}
m_{\text {min}} = \frac{2,19806 \ \cdot \ 10^{13} \ \text J}{32 \ \cdot \ 10^6 \ \frac{\text J}{\text {kg}}}
m_{\text {min}} \approx 690 \ \text t
m_{\text {max}} = 845 \ 408 \ \text {kg}
m_{\text {max}} = \frac{2,19806 \ \cdot \ 10^{13} \ \text J}{26 \ \cdot \ 10^6 \ \frac{\text J}{\text {kg}}}
m_{\text {max}} \approx 850 \ \text t

Fuusiovoima

  • Ydinfuusiossa ytimet yhtyvät toistensa kanssa
  • Aurinko tuottaa energiansa fuusioimalla vetyä heliumiksi
    • Keskeinen elämän edellytys maapallolla
  • Fuusiolla on ollut keskeinen merkitys maailmankaikkeuden vetyä raskaampien alkuaineiden synnyssä
  • Ranskaan on rakenteilla maailmanlaajuisessa yhteishankkeessa fuusiovoiman koelaitos (ITER)
    • Ensimmäinen plasma vuonna 2035, valmis vuonna 2039 (?)
_{1}^{2}{\text H} + \ _{1}^{1}{\text H} \rightarrow \ _{2}^{3}{\text {He}}
_{2}^{3}{\text {He}} + \ _{2}^{3}{\text {He}} \rightarrow \ _{2}^{4}{\text {He}} + \ _{1}^{1}{\text H} + \ _{1}^{1}{\text H}

Kuva: Resonanssi 8 (e-Oppi)

Fuusiovoiman hyödyt ja haasteet

  • Fuusioreaktiossa käytettäviä aineita on helposti saatavilla
    • ​Vetyä, deuteriumia merivedestä (tritiumin valmistus voimalassa)
  • Runsas energiantuotto ainekiloa kohti
  • Reaktiossa syntyvä helium ei ole radioaktiivista
    • Reaktioaineista tritium on radioaktiivista, mutta puoliintumisaika vain 12,3 vuotta
  • Reaktioaineita ei tarvitse kuljettaa voimalaan, vaan ne voidaan valmistaa paikan päällä
  • Fuusiovoimalan suurimpana haasteena on korkean lämpötilan tuottaminen (100 miljoonaa astetta)
    • Vasta näin kuumassa reaktio kuluttaa vähemmän energiaa kuin siitä saadaan
    • Kuumuutta ja neutronisäteilyä kestävät materiaalit, jäähdytys

Tokamak-reaktori

Kuva: Pauliina Kuokka

Kuva: Wikipedia CC-BY 4.0

ITER:n keskisolenoidi (~ 13 T magneetti) 28.4.2025

Käyttökelpoisimpia fuusioreaktioita on deuteriumin ja tritiumin välinen ydinreaktio eli ns. DT-fuusio:

_{1}^{2}{\text H} + \ _{1}^{3}{\text H} \rightarrow \ _{2}^{4}{\text {He}} + \ _{0}^{1}{\text n}

Laske tämän ydinreaktion massavaje ja reaktiossa vapautuva energia.

Esimerkki 2

Ratkaistaan massavaje. Elektronit supistuvat yhtälöstä pois, joten niitä ei huomioida.

\Delta m = m(_{1}^{2}{\text H}) + m(_{1}^{3}{\text H}) - m(_{2}^{4}{\text {He}}) - m(_{0}^{1}{\text n})
m(_{1}^{2}{\text H}) = 2,0141018 \ \text u
m(_{0}^{1}{\text n}) = 1,008665 \ \text u
m(_{1}^{3}{\text {H}}) = 3,0160493 \ \text u
m(_{2}^{4}{\text {He}}) = 4,0026033 \ \text u
\Delta m = 2,0141018 \ \text u + 3,0160493 \ \text u - 4,0026033 \ \text u - 1,008665 \ \text u
\Delta m = 0,0188829 \ \text u

Ratkaistaan reaktiossa vapautuva energia.

Q = \Delta m c^2 = 0,0188829 \cdot 931,494102 \ \text {MeV}/{c^2} \cdot c^2
Q = 17,589310 \ \text {MeV} \approx 17,589 \ \text {MeV}