Laskemalla ja testaamalla selville ydinvoimalaonnettomuusriskit

Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa LUT:ssa selvitetään, mitä tapahtuu ydinvoimalaonnettomuuksissa ja miten ne voidaan estää. Professori Riitta Kyrki-Rajamäen johdolla on jo vuosia tutkittu laboratorio-olosuhteissa eri vaihtoehtoja säteilemättömillä malleilla.

Kyrki-Rajamäen tutkimusalaa ovat ydinvoimaloiden turvallisuuskysymykset. Niitä varten testataan reaktoreiden jäähdytysjärjestelmiä. Yliopistolle on rakennettu Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimaloiden jäähdytysjärjestelmiä osin pienennettyinä. Ensin tehdään laskennalliset mallit ja tutkitaan, miten mahdolliset riskitilanteet kehittyvät ja miten ne voidaan estää.  Laskennalliset mallit perustuvat fysiikan lakeihin, joiden perusteella pystytään tekemään ohjelmoitavia yhtälöitä. Lasketaan esimerkiksi, kuinka paljon ydinvoimalassa tarvitaan vettä, jotta voimala saadaan jäähdytetyksi kaikissa tilanteissa.

”Meidän on laskemalla saatava selville, mitä tapahtuu ydinvoimalaonnettomuudessa, koska emme voi kokeilla sitä. Yhdistämme erilaisia tietoja tietokoneella ja pyrimme ottamaan kaiken mahdollisen huomioon. Emme kuitenkaan usko, että kaiken voi huomioida. Silloin rakennamme lisää laitteita testaamista varten.”

Onnettomuudet tuotetaan koelaitteilla

Onnettomuuksissa havaitut ilmiöt pyritään tuottamaan koelaitteilla ja sitten tarkistetaan, ovatko tietokoneohjelmat laskeneet ne samoin. ”Vasta sitten voimme uskoa, että ohjelmat osaavat laskea oikein.” Lappeenrannassa on tehty lähinnä lämpö- ja virtausteknillisiä koelaitteita.

Kyrki-Rajamäen tutkijajoukko on tutkinut sekä kaasu- että vesijäähdytteisiä voimaloita. Nykyiset kaasujäähdytteiset voimalat alkavat jo olla vanhoja. Syynä uusien kaasujäähdytteisten voimaloiden suunnitteluun on, että niissä päästään korkeampiin lämpötiloihin ja näin hyötysuhde kasvaa ja pystytään tuottamaan enemmän sähköä.

Yksi uusista turvallisuutta edistävistä keinoista on säilyttää hätäjäähdytysvettä ylhäällä, josta se kiertäisi itsestään alas jäähdyttämään polttoainesauvoja. Syynä tähän luontaiseen kiertoon on se, että lämmennyt vesi on kevyempää ja siksi ulkoilman ylhäällä jäähdyttämä painavampi vesi saa sen työnnetyksi taas takaisin ylös jäähtymään. Näitä järjestelmiä on jo käytössä ja sellainen olisi tulossa Rosatomin suunnittelemaan Hanhikiven voimalaan. Tämän jäähdytysjärjestelmän toimivuutta on tarkoitus tutkia lisää LUT:ssa.

Kun nykyisin halutaan hyödyntää mahdollisimman paljon uusiutuvaa energiaa, on Kyrki-Rajamäen mukaan todella kova haaste ydinvoimaloille, jos niitä alettaisiinkin käyttää vain varaenergiana. Aurinko- ja tuulivoimaa ei saada tasaisesti toisin kuin ydinvoiman tuottamaa sähköä. Siksi on tutkittava, mitä ydinvoimaloille tapahtuisi, jos ne olisivat säätövoimaa. Miten voimaloiden rakenteet kestäisivät tällöin sen, että niiden tehoa vaihdellaan. Kyrki-Rajamäen mukaan tätäkin suunnitellaan tutkittavaksi. Hän arvioi, että rakenteet heikentyisivät nopeammin, jos voimalaa jatkuvasti ajettaisiin alas.

Olkiluoto LUT:n testattavana

LUT on tehnyt yhteistyötä teknologian tutkimuskeskus VTT:n kanssa jo vuodesta 1975. Lappeenranta on perinteisesti tehnyt kokeet VTT:n kehittämien ohjelmistojen oikean toiminnan varmistamiseksi. Ohjelmistoja käytetään muun muassa ydinvoimaloiden lisensiointianalysointiin ja myös ulkomaiseen vientiin. Parhaillaan on analysoitavana Olkiluoto 3:n tuleva reaktori. Mahdollisia onnettomuustilanteita on käyty läpi. Teollisuuden voima on hyödyntänyt näitä vertailevissa analyyseissa. Yhtiöt haluavat riippumattomia analyyseja laitostoimittajien analyysien rinnalle.

Sekä VTT että LUT myyvät palvelujaan ydinvoimayhtiöille. LUT:ssa on ydinvoimatekniikan laboratorio, jossa toimii kokeellinen ydinturvallisuuden tutkimusyksikkö.  Toimeksiantoja tehdään myös Säteilyturvakeskukselle. ”Olkiluoto 3:n rakennuslupakäsittelyssä Säteilyturvakeskus tilasi meiltä analyysin, mitä tapahtuisi jälkijäähdytyslaitteistossa, jos voimalan sydän sulaisi. Me rakensimme koelaitteet ja teimme kokeet. Tuloksemme olivat yllättäviä laitostoimittajan tuloksiin verrattuna. Laitostoimittaja toisti kokeet ja muutti sydänsulan jälkijäähdytyslaitteiston suunnittelua, koska sitä oli pakko muuttaa meidän tulostemme perusteella.”

Ydinvoimayhtiöiden ja Suomen Akatemian lisäksi toimintaa rahoittaa ydinjätehuoltorahasto. Sinne kerätään varoja voimayhtiöiltä veroluonteisina maksuina. Tavoitteena on turvata, että Suomesta löytyy ydinturvallisuusalan osaamista. Se rahoittaa myös esimerkiksi VTT:tä, Aalto-yliopistoa, Helsingin yliopistoa ja Geologista tutkimuskeskusta. Yliopistot pyrkivät olemaan riippumattomia ja voivat siksi tehdä tutkimuksia kaikille osapuolille.

Myös maanjäristysturvallisuuden tutkimusta

Kyrki-Rajamäen ominta osaamista on fissioiden dynamiikka: miten neutronit käyttäytyvät, miten ketjureaktio tapahtuu reaktorin sydämessä, miten se yhdistetään jäähdytykseen ja mitä siinä lämpöteknillisesti tapahtuu. Ja mitä sitten tapahtuu, kun tulee jokin häiriö. Nämä kaikki pitää hallita yhtä aikaa.

Uusinta Kyrki-Rajamäen ryhmän tutkimusta on kuulakekoreaktorien laskennallinen analysointi. Näissä reaktoreissa polttoaine ei ole sauvoina vaan pikkuisina jyväsinä kuulissa grafiitin sisällä. Jäähdytykseen käytetään kaasua. LUT:ssa on kehitetty ohjelma, jonka avulla selvitetään, miten kuulat pinoutuvat ja miten mahdollinen maanjäristys vaikuttaa siihen. LUT:n ohjelmayhdistelmä on maailman kehittyneimpiä.

”Työ tällaisen voimakkaita ambitioita aiheuttavan aiheen parissa on aika rasittavaa. Työtä olisi aika mahdotonta tehdä, jos ei itse uskoisi ydinvoimaan. NASA on laskenut, kuinka paljon enemmän hiilivoimaloista tulevat pienhiukkaset tappavat ihmisiä. Ainakin 1,8 miljoonaa henkeä on säästynyt ydinvoimaa käyttämällä, eikä se edistä kasvihuoneilmiötäkään”, Kyrki-Rajamäki perustelee.  

Teksti: Leena Vähäkylä Kuvat: Teemu Leinonen