Reaktori

Ydinreaktorin sydän muodostuu uraanipolttoaineesta ja fissioreaktiota säätelevistä säätösauvoista. Polttoaine on pieninä uraanioksidista kuumapuristettuina nappeina ohuissa putkimaisissa suojakuorissa. Ohuet polttoainesauvat on koottu polttoainenipuiksi, joita reaktorin sydämessä on useita satoja. Koko reaktorisydän on teräksisen paineastian sisällä. Paineastiassa kiertää reaktorin jäähdytysvesi polttoaine- ja säätösauvojen lomitse ja kuljettaa fissiossa syntyvän lämmön pois reaktorista.

Reaktorista saatava lämpö hyödynnetään höyryturpiinissa, joka pyörittää sähköä tuottavaa generaattoria. Kiehutusvesireaktorissa jäähdytysvesi kiehuu höyryksi jo reaktorin sydämen läpi kulkiessaan, sillä reaktorin paine vastaa 300-asteisen jäähdytysveden kiehumispistettä. Höyry johdetaan reaktorista suoraan turpiinille. Olkiluodon ensimmäinen ja toinen laitosyksikkö, OL1 ja OL2, ovat ruotsalaisvalmisteisia kiehutusvesireaktorilaitoksia.

Reaktori, jonka paine on niin korkea, että jäähdytysvesi ei kiehu noin 300 asteen lämpötilasta huolimatta, on painevesireaktori. Painevesireaktorilla varustetussa ydinvoimalaitoksessa turpiinia pyörittävä höyry kehitetään erillisissä lämmönvaihtimissa, höyrystimissä, joissa reaktorista tuleva primääripiirin vesi luovuttaa lämpönsä sekundääripiirin vedelle. Se kiehuu höyryksi ja johdetaan pyörittämään turbiinia. Loviisan ensimmäinen ja toinen laitosyksikkö, Lo1 ja Lo2, ovat venäläisvalmisteisia painevesireaktorilaitoksia. Olkiluodon rakenteilla oleva kolmas yksikkö, OL3, on ranskalais-saksalainen painevesireaktorilaitos.

Kiehutusvesireaktorin toimintaperiaate
Painevesireaktorin toimintaperiaate

Ydinvoimalaitoksen reaktorin polttoaine on lievästi rikastettua uraania. Maan kuoressa esiintyvä uraani koostuu lähinnä kahdesta isotoopista: uraani-235 ja uraani-238. Pääosa on uraani-238:aa ja vain 0,71 prosenttia luonnonuraanista on halkeamiskelpoista, siis reaktorin polttoaineeksi sopivaa uraani-235:ttä. Reaktorin polttoaineen uraani-235 -pitoisuus on keinotekoisesti nostettu 3-5 prosenttiin. Tavallisin polttoaineen suojakuorimateriaali on zirkonium, joka sopivasti seostettuna on kova ja korroosiota kestävä materiaali ja absorboi neutroneja vain vähäisessä määrin.

Ydinreaktorin toimintaa säädellään vaikuttamalla reaktorin neutronitasapainoon. Lisäämällä reaktorisydämeen neutroneja absorboivaa ainetta vähennetään neutronien määrää, jolloin teho alenee ja päin vastoin. Säätö tapahtuu reaktorin säätösauvoilla. Niitä voidaan koneellisesti työntää sisään reaktorisydämeen tai vetää ulos. Säätösauvat sisältävät neutroneja voimakkaasti absorboivaa ainetta, esimerkiksi kadmiumia, booria tai hafniumia.

Reaktorissa kiertävä jäähdytysvesi toimii samalla myös fissiossa syntyvien neutronien hidastimena. Fissiossa vapautuvat neutronit ovat niin nopeita, että niiden todennäköisyys aiheuttaa uraaniytimen halkeaminen on hyvin pieni. Törmäillessään jäähdytysveden vetyatomeihin neutronit menettävät nopeuttaan ja hidastuttuaan riittävästi ne voivat polttoaineessa aiheuttaa uusia fissioita.

Tavallista vettä jäähdytteenä ja hidasteena käyttäviä reaktoreja kutsutaan kevytvesireaktoreiksi. Ne ovat maailman yleisin reaktorityyppi. Raskasvesireaktoreissa hidasteena on raskas vesi, jossa vesimolekyylin vetyatomit ovat vedyn raskasta isotooppia, deuteriumia. Käytössä on myös grafiittihidasteisia reaktoreita sekä kaasujäähdytteisiä reaktoreita. Jäähdytyskaasuna voi olla esimerkiksi hiilidioksidi tai helium.

Lähes kaikissa nykyisin käytössä olevissa ydinvoimalaitoksissa reaktorin toiminta perustuu hitaisiin neutroneihin, mutta maailmassa on myös rakennettu muutama ydinvoimalaitos, jossa reaktori toimii nopeilla neutroneilla. Nopeita reaktoreja kutsutaan usein hyötöreaktoreiksi, koska niillä on mahdollista tuottaa uutta polttoainetta muuntamalla uraanin halkeamatonta isotooppia, uraani-238:aa, plutoniumin halkeamiskelpoiseksi Pu-239 -isotoopiksi.

Lue lisää ydinvoiman tulevaisuudesta