Kuvittele ydinreaktori, jossa energiantuotannon aikana syntyy uutta polttoainetta niin paljon, että voimalaitoksen hyötysuhde monikymmenkertaistuu. Kuulostaako liian hyvältä? Entä, jos samassa reaktorissa voisi lisäksi hyödyntää tehokkaammin sellaisia ydinpolttoaineiden osia, jotka muutoin päätyisivät loppusijoitettavaksi muun ydinjätteen mukana? Maailmalla tutkitaan tällä hetkellä kuumeisesti uudentyyppisiä ydinreaktoreita, jotka kykenisivät tähän. Näiden nopeiksi hyötöreaktoreiksi (fast breeder reactor) kutsuttujen reaktorien esiasteita kokeiltiin ensi kertaa jo 1940-luvun loppupuolella ja niitä kehitettiin aktiivisesti 1980-luvulle asti. Tuolloin jo kehitettyjen reaktorityyppien toimivuus kuitenkin vei mielenkiintoa hyötöreaktorien jatkokehittelyltä. 2000-luvulla kiinnostus hyötöreaktorien kaupalliseen hyödyntämiseen on palannut ja koereaktoreita löytyy useista maista.
Fissioreaktorit voidaan jakaa termisiin ja nopeisiin reaktoreihin niiden ytimissä liikkuvien neutronien liike-energian mukaan. Fissioreaktorit perustuvat hallittuun ketjureaktioon, jossa raskas atomiydin (nykyreaktoreissa lähinnä uraanin isotooppi U-235) halkeaa neutronin törmätessä siihen. Raskas atomi hajoaa yhdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiytimeksi ja sen lisäksi fissiossa vapautuu uusia neutroneita. Vapautuneet neutronit halkaisevat taas uusia, raskaita atomiytimiä ja jatkavat reaktiota. Lähes kaikki maailman tämänhetkiset ydinreaktorit perustuvat hitaisiin neutroneihin eli reaktorimalleihin, joissa jokin väliaine, esimerkiksi vesi, raskas vesi tai grafiitti, hidastaa neutronien liikettä reaktoriytimessä. Tällä mahdollistetaan matalasti väkevöidyn uraanin käyttö polttoaineena, sillä väliaineella hidastetut neutronit kykenevät ylläpitämään reaktiota jo alhaisemmilla väkevyystasoilla. Matalasti väkevöidyssä uraanissa halkeavan isotooppi U-235:n osuus suhteessa normaalioloissa halkeamattomaan ”luonnonuraani” U-238:in ydinpolttoaineessa on vain noin 2–4%. Ilman hidastavan väliaineen käyttöä polttoaineen väkevyyttä tulisi nostaa, mikä nostaisi sen hintaa huomattavasti. Nopeat reaktorit ovat nimensä mukaisesti reaktoreita, joissa neutroneita hidastavaa väliainetta ei käytetä.
Termisten reaktoreiden ongelma on siinä, että ne kykenevät hyödyntämään vain murto-osan uraanin sisältämästä energiasta – termisten reaktorien käyttämää U-235–isotooppia on arveltu riittävän kaupalliseen käyttöön muutamaksi sadaksi vuodeksi. Nopeiden hyötöreaktorien keskeisin ero termisiin reaktoreihin onkin siinä, että ne kykenevät hyödyntämään U-235–isotoopin lisäksi myös U-238–isotooppia. U-235 on niin sanotusti fissiili eli halkeava uraanin isotooppi ja U-238 fertiili isotooppi, joka voidaan neutroniabsorption avulla muuttaa fissiiliksi atomiksi. Fertiili U-238, jonka osuus luonnossa löytyvästä uraanista on n. 99,3 %, voidaan nopeassa reaktorissa muuttaa fissiiliksi Plutonium-239 -isotoopiksi. Syntyvää plutonium-239:ää voidaan käyttää ydinpolttoaineena. Nopeaa reaktoria käyttämällä maailman uraanivarojen riittävyys polttoaineena voitaisiin IAEA:n arvioiden mukaan kuusikymmenkertaistaa. U-238 hyödyntämisen lisäksi hyötöreaktorit myös hyödyntävät osan termisissä reaktoreissa ydinjätteeksi päätyvistä aktinoideista (alkuaineita, mm. torium [Th], uraani [U] ja plutonium [Pu]) polttoaineena ja siten tekevät nopeista reaktoreista termisiä reaktoreita ympäristönäkökulmasta kestävämpiä.
Vaikka hyötöreaktorit näyttäytyvät niiden tarjoamien mahdollisuuksien valossa äärimmäisen kiinnostavilta, niiden käyttöön liittyy myös haasteita. Hyötöreaktoreissa jäähdytysaineena käytetään veden tai kaasun (helium) sijasta matalassa lämpötilassa sulavia metalleja, kuten natriumia, joiden reaktiivisuus asettaa reaktorisuunnittelulle lisähaasteita. Neutronien suuri nopeus ytimessä myös vaikeuttaa reaktorin säätämistä ja reaktorin tehomuutokset poikkeustilanteissa ovat termisten reaktioiden tehomuutoksia suurempia. Lisäksi hyötöreaktorin termistä reaktoria voimakkaampi tuotannon aikainen säteily vaatii uudistuksia laitosturvallisuuteen.
Ehkä tärkein turvallisuuteen liittyvä ero termisten reaktorien ja hyötöreaktorin välillä on kuitenkin niiden käyttäytyminen poikkeustilanteissa. Termisissä kevytvesireaktoreissa polttoaineen lämmönnousu ja eritoten jäähdytteen kiehuminen heikentävät ketjureaktiota ja siten laskevat reaktorin tehoa. Kevytvesireaktoreissa reaktori itse pyrkii siis palauttamaan laitoksen toiminnan normaalitilaan. Tehonlasku perustuu neutronien nopeuden kasvuun veden tiheyden laskiessa lämpölaajenemisen tai kiehumisen seurauksena. Väliaine ei enää hidasta neutronien liikettä yhtä paljon kuin ennen, minkä vuoksi ketjureaktio heikkenee. Koska nopeissa hyötöreaktoreissa neutroneita ei hidasteta vedellä, jäähdytteen lämpötilan kasvu ja kiehuminen voivat poikkeustilanteessa jopa nostaa reaktiivisuutta ja siten johtaa reaktorin tehon kasvuun.
Lisäsuunnittelua vaatii myös ydinpolttoainekierto. Ydinpolttoaineen mahdollisimman tehokkaan käytön varmistamiseksi polttoaineen teollisen mittakaavan valmistus- ja uudelleenkäyttömenetelmiä tulee kehittää.
Reaktoritekniikkaan liittyvistä haasteistaan huolimatta hyötöreaktori on erittäin kiinnostava kehityssuunta päästöttömän energiantuotannon lisäämisessä. Ydinenergiaan perustuvassa tuotannossa hyötöreaktorien tulisi mielestäni kuitenkin olla vain yksi askel matkalla kohti fuusioenergiaa, jonka käyttömahdollisuuksista saadaan näillä näkymin lisätietoa ainakin 2020-luvun loppupuolella. Satsaus hyötöreaktoritutkimukseen on kuitenkin kannattavaa, sillä fuusioenergian läpilyöntiä saamme odottaa nopeimmissakin skenaarioissa vielä vuosikymmeniä – hyötöreaktorit sen sijaan voivat olla jo tulevan vuosikymmenen tekniikkaa.
Aiheesta lisää:
Energiateollisuus: Ydinvoima ja innovaatiot http://energia.fi/sites/default/files/ydinvoima_ja_innovaatiot_1.pdf
IAEA: Nuclear Technology Review 2008 http://www.iaea.org/Publications/Reports/ntr2008.pdf, erit. s. 95–97
World Nuclear Association: Small Nuclear Power Reactors http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Power-Reactors/Small-Nuclear-Power-Reactors/#.UZCEUrWSJRp
