Ydinvoima


Ydinvoima on atomien ydinten sidosenergian vapautumiseen perustuvaa energiantuotantoa fissio- tai fuusioreaktion tai muun ydinreaktion kautta. Ydinpolttoaineen energiasisältö on tavallisiin polttoaineisiin nähden hyvin suuri, koska tuotettaessa ydinvoimaa osa polttoaineen atomien massasta muuttuu energiaksi. Massan ja energian yhteys voidaan ilmaista käyttämällä Albert Einsteinin yhtälöä E = mc2. Ydinenergiaa voi vapauttaa fissioreaktiossa halkaisemalla atomeja tai yhdistämällä atomeja fuusioreaktiossa. Fissio- ja fuusiovoimien tapauksessa ydinvoima perustuu vahvaan vuorovaikutukseen. Radioaktiivisuuden käytössä energialähteenä ydinvoima perustuu heikkoon vuorovaikutukseen.

Maailman sähköntuotannosta katetaan noin 17 % ydinvoimalla, primäärienergiantarpeesta 6,2 % ja maailman loppuenergian käytöstä 2,5 %. Loppuenergian mittauksessa ei oteta huomioon energian arvoa ja ydinvoimalla tuotetun sähkön työhön kykenevän energian, exergian, määrää. Hyödyntämiskelpoisesta energiasta tuotetaan 7 % ydinvoimalla. Hiilidioksidipäästöt fissiovoimaloissa ovat alhaiset, mutta ydinvoima tuottaa radioaktiivista ydinjätettä. Fuusiovoimaloita tutkitaan, mutta fuusiolla tuotettavan ydinvoiman ei uskota olevan valmista kaupalliseen käyttöön vielä kymmeniin vuosiin.

Pääasiassa ydinvoimaa hyödynnetään sähköntuotantoon ydinvoimalaitoksissa ja voimanlähteenä ydinkäyttöisillä aluksilla.

Fissio

Ydinvoiman ylivoimaisesti merkittävin tuotantomuoto on hallitun fissioreaktion hyödyntäminen. Fissioreaktiossa atomin ydin halkeaa vähintään kahdeksi kevyemmäksi atomiytimeksi, jolloin atomi hajoaa yhtä moneksi atomiksi kevyempää alkuainetta. Reaktiossa ytimestä sinkoutuu myös neutroneita, ja osa ytimen massasta muuttuu energiaksi. Joissakin alkuaineissa suotuisissa olosuhteissa voi syntyä ketjureaktio, jolloin fission vapauttamat neutronit törmäävät muihin atomeihin ja aiheuttavat lisää fissioita. Jos vapautuneet neutronit aiheuttavat kussakin fissiossa keskimäärin yhden uuden fission, ketjureaktio pysyy käynnissä, mutta muuten se pysähtyy. Ydinreaktorin säätö perustuu säätösauvoilla tai muilla keinoilla tapahtuvaan vapaiden neutronien absorbointiin.

Ydinpolttoaineeksi kelpaavilta aineilta vaaditaan energiantuotannossa eräitä tekijöitä. Vain harvat aineet ylipäätään ovat fissiilejä eli pystyvät pitämään yllä ketjureaktiota. Energiaa pystytään vapauttamaan toisaalta vain raskaista ytimiksi niiden hajotessa keskiraskaiksi ytimiksi. Keskiraskaiden alkuaineiden ytimien sidosenergia ytimen hiukkasten lukumäärää kohti on suurempi kuin raskailla tai keveillä aineilla. Kun sidososuus kasvaa, vapautuu ydinten rakenneosasten välillä potentiaalienergiaa. Keveillä aineilla potentiaalinenergian vapauttaminen tapahtuu fuusiolla.

Yleensä ydinpolttoaineessa käytetään uraanin fissiiliä U-235-isotooppia tai plutoniumin fissiiliä Pu-239-isotooppia tai molempia. Uraania esiintyy luonnossa, mutta plutoniumin tuottaminen tapahtuu keinotekoisesti ydinreaktorilla.

Fuusio

Fuusio on fissioon nähden vastakkainen reaktio. Fuusiossa kaksi kevyen alkuaineen ydintä yhdistyy, josta muodostuu uusi raskaampi alkuaine. Tämä vapauttaa myös erittäin suuria määriä energiaa. Tavallisesti fuusiossa muodostuu heliumatomi kahden vetyatomin yhdistyessä. Esimerkiksi auringossa ja muissa tähdissä tapahtuu fuusioydinreaktioita, joista niiden energia syntyy. Kaikki ihmisen käytössä oleva energia geotermistä energiaa ja ydinvoimaa lukuun ottamatta on lähtöisin jollain tavalla auringosta. Tällä hetkellä fuusion voimalaitoskäytön nähdään olevan vähintään useiden vuosikymmenien päässä. Fuusioreaktio vaatii valtavan korkeita lämpötiloja, mikä siihen liittyvine ongelmineen on osoittautunut liian suureksi tekniseksi esteeksi fuusioreaktion hallitsemiseksi energiantuottokäytössä.

Fuusio

Ydinvoimala

Ydinvoimala muistuttaa melko paljon tavallista hiiltä polttavaa voimalaitosta, joka tuottaa sähköä. Molemmissa voimalaitoksissa höyrystetään vettä, kuuma höyry pyörittää turbiineja, joihin kytketty sähkögeneraattori tuottaa verkkoon sähkövirtaa. Ydinenergiaa tuotettaessa veden höyrystämiseen käytetään fissioreaktiosta syntyvää lämpöenergiaa, kun taas hiilivoimaloissa energia veden höyrystämiseen saadaan palamisreaktiosta. Kaikkea höyryn sisältämää lämpöä ei kuitenkaan voida muuttaa sähköksi. Yli jäänyttä lämpöä siirretään pois voimalaitokselta. Voimalaitoksessa kiertää koko sen käytön ajan sama vesi joko höyrymäisessä muodossa tai nesteenä.

Ydinreaktoreita on eri tyyppisiä. Suurin osa maailmalla käytettävistä ydinreaktoreista on kevytvesireaktoreita, joissa reaktorin läpi kulkee tavallista vettä. Vesi jäähdyttää polttoainetta ja pitää ketjureaktiota yllä. Toisenlaisissa reaktorityypeissä jäähdyttäminen voidaan tehdä esimerkiksi heliumkaasulla ja ketjureaktion hallintaan voidaan käyttää grafiittia. Kevytvesireaktorit voidaan jakaa vielä kiehutusvesireaktoreihin ja painevesireaktoreihin. Suomessa käytössä on kaksi kappaletta molempia reaktorityyppejä.