Ydintekniikan historiaa ja sovelluksia Seppo Sipilä
1895: virike uudelle tutkimusalalle Wilhelm Röntgen löysi röntgensäteet 8.11.1895 tutkiessaan katodisädeputken avulla sähkövirran etenemistä erittäin harvassa kaasussa. Havainto: kun putki suljettiin tiiviisti paksuun mustaan kartonkiin ja huone pimennettiin, bariumyhdisteellä käsitelty paperiarkki alkoi hohtaa jopa 2 m päässä putkesta. Myös valokuvauslevyt valottuivat. Röntgen selvitti havaitsemiensa uudenlaisten Xsäteiden läpitunkevuutta asettamalla eripaksuisia kiinteitä esineitä säteiden reitille ja tallentamalla esineiden läpi kulkeneet säteet valokuvauslevylle. Ensimmäinen fysiikan Nobel-palkinto 1901. Ensimmäiset lääketieteelliset sovellukset jo vuonna 1900: Brittiarmeija käytti Sudanissa siirreltäviä röntgenlaitteita sirpaleiden ja luotien paikantamiseen haavoittuneista sotilaista. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 2
1896: uraanin oudot ominaisuudet Keskusteltuaan Henri Poincarén kanssa Röntgenin hiljattain löytämistä säteistä Henri Becquerel päätti vuonna 1896 tutkia, olisiko X-säteiden yhteydessä havaitun fosforesenssin ja hänen havaitsemansa uraaniyhdisteiden luontaisen hohteen välillä mitään yhteyttä. Becquerel havaitsi paksulla paperilla peitetyn valokuvauslevyn valottuvan, kun sen lähelle asetettiin uraanisuoloja, ja osoitti säteilyn olevan lähtöisin uraanista. Myöhemmin Becquerel osoitti uraanin säteilyn olevan erilaista kuin X-säteet: se ionisoi kaasuja ja sen suuntaa voitiin muuttaa sähkö- tai magneettikentillä. Luonnollisen radioaktiivisuuden löytämisestä fysiikan Nobel-palkinto 1903 (jaettuna Pierre ja Marie Curien kanssa, jotka olivat ansiokkaasti tutkineet Becquerelin säteilyä.) PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 3
1898: uusia tulkintoja Tutkiessaan uraanin säteilyä Becquerelin oppilas Marie Curie eteni Becquerelin työtä pidemmälle perustavanlaatuisella hypoteesilla: uraaniyhdisteiden säteily saattoi olla uraanin atomitason ominaisuus. Hän keksi myös uraanin ja toriumin säteilyä kuvaamaan sanan radioaktiivisuus. Marie ja Pierre Curie eristivät böömiläisen Joachimstalin pikivälkkeestä myös radioaktiiviset alkuaineet radiumin ja poloniumin. Marie & Pierre Curie: Nobelin palkinto 1903 (fysiikka, jaettu Henri Becquerelin kanssa). Marie Curie: Nobelin palkinto 1910 (kemia) radiumin kemiallisesta eristämisestä. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 4
1899: uudenlaisia säteitä Uusiseelantilainen Ernest Rutherford havaitsi Cambridgessa radiumin ja sen reaktiotuotteiden säteilystä 2 erilaista komponenttia. Toiset säteet pysähtyivät ohueen (20 mm) alumiinifolioon (tai esim. tavalliseen kirjoituspaperiin). Tämän säteilyn Rutherford nimesi alfasäteilyksi. Toinen betasäteily oli selvästi läpitunkevampaa. Radioaktiivisen hajoamisen teoria 1902 (Rutherford & Soddy): radioaktiivisen aineen atomit emittoivat alfa- tai betahiukkasia ja muuttuvat samalla muiksi alkuaineiksi. Vuonna 1904 Rutherford osoitti alfasäteilyn koostuvan positiivisesti varatuista raskaista hiukkasista. Nobel-palkinto 1908. Rutherford jatkoi Manchesterissa radiumin tutkimista ja kehitti H. Geigerin kanssa menetelmän yksittäisten alfahiukkasten havaitsemiseen ja laskemiseen. Vuonna 1910 Rutherfordin tutkimukset alfasäteilyn sironnasta ja atomin sisäisestä rakenteesta johtivat malliin atomiytimestä (1911): lähes kaikki atomin massa ja sen koko positiivinen varaus on keskittynyt pieneen tilaan atomin keskellä. Vuonna 1920 Rutherford nimesi protonin ja ennusti teoreettisesti neutronin. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 5
1905: maailmankuva uusiksi Bernin patenttiviraston pikkuvirkamies Albert Einstein julkaisee erityisen suhteellisuusteoriansa, johon sisältyy kuuluisa lauseke massan ja energian välisestä yhteydestä: E = mc 2 Päätelmä: massa on vain yksi energian muoto. Pieni määrä ainetta voi muuttua valtavaksi määräksi energiaa ja päinvastoin. Samana vuonna Einstein julkaisi kaksi muutakin merkittävää tieteellistä työtä valosähköisestä ilmiöstä ja Brownin liikkeestä Nobel-palkinto tuli juuri näistä ansioista vasta vuonna 1921. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 6
Radioaktiivisuuden varhaisia sovelluksia 1911: Unkarilainen Georg von Hevesy keksii ajatuksen radioaktiivisista merkkiaineista. Ensimmäinen sovellus biologiseen ongelmaan vuonna 1923, jolloin von Hevesy tutki lyijyn imeytymistä kasveihin. Herman Blumgart käytti Harvardissa menetelmää ensi kerran sydäntautien diagnosointiin vuonna 1927. Von Hevesy sai Nobel-palkinnon 1943. Runsaasti sovelluksia: lääketieteellinen käyttö mm. kasvainten ja elinten toiminnan puutteiden havaitsemiseen, biologiassa esim. ravinteiden kulkeutumisen tarkasteluun ravintoketjussa, geologiassa mm. veden kulkeutumistarkastelut jne. Vuoteen 1912 mennessä tunnettiin jo 30 radioaktiivista alkuainetta. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 7
Radioaktiivisuuden varhaisia sovelluksia Radioluminesenssi kellotauluissa (jo 1910-luvulla) fosforesenssivalaistus ilman päivänvaloa: Ra-maali (nyk. tritium) ensimmäiset viitteet säteilyn terveyshaitoista Radiumtytöt PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 8
Varhaisia ns. sovelluksia ~34 kbq/litra Tfy-56.4211/4221 Ydinenergiatekniikan PHYS-E0460 / Ydinreaktoritekniikan Reaktorifysiikan perusteet (2012) (2016) 9
Varhaisia ns. sovelluksia PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 10
1930-luku: keksintöjen ketjureaktio 1932: Britti James Chadwick todistaa neutronien olemassaolon pommittamalla berylliumkalvoa alfahiukkasilla. Hän määrittää myös neutronin massan mittaamalla kuplakammion kaasuatomien rekyyliradat. Fysiikan Nobel 1935. 1933: Unkarilainen Leó Szilárd: Jos kykenisimme löytämään alkuaineen, jonka ydin halkeaa neutronitörmäyksessä ja joka hajotessaan vapauttaa kaksi neutronia, voisi sellainen alkuaine ylläpitää ydinketjureaktiota. 1934: Italialainen Enrico Fermi säteilyttää uraania neutroneilla. Hän luulee tuottaneensa ensimmäisen transuraanin alkuaineen, mutta onkin vielä tietämättään tuottanut maailman ensimmäisen keinotekoisen fissioreaktion. Fysiikan Nobel-palkinto 1938 ansioista uusien alkuaineiden tuottamisessa ja hitaiden neutronien aiheuttamien ydinreaktioiden tutkimuksessa. Joulukuu 1938: Szilárdin ennuste toteutuu saksalaiset Hahn ja Strassmann halkaisevat uraaniatomin bariumiksi ja kryptoniksi neutronipommituksella. Samalla vapautuu energiaa. Kemistit Hahn ja Strassmann eivät osaa tulkita tuloksiaan; Lise Meitner ja Otto Frisch selittivät raskaiden alkuaineiden kaappaavan neutroneja muuttuen epästabiileiksi ja hajoavan ( fissio ) vapauttaen lisää neutroneja, mikä mahdollistaa ketjureaktion. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 11
1939: ydinasekilpa alkaa, USA johtoasemaan Elokuu 1939: Albert Einstein lähettää Szilárdin kanssa muotoilemansa kirjeen presidentti Rooseveltille varoittaen Saksan ydintutkimuksesta ja atomipommin mahdollisuudesta. Syyskuu 1939: Saksa hyökkää Puolaan; toinen maailmansota alkaa. 1940-1942: Manhattan-projekti käynnistyy tavoitteenaan rakentaa USA:lle ydinase ennen Saksaa. 300.000 työntekijän huippusalainen ydinmateriaalintuotanto- ja ydintutkimusohjelma nousee joka puolelle Yhdysvaltoja. Tieteelliseksi johtajaksi nimitetään J. Robert Oppenheimer. Toukokuu 1945: sota päättyy Euroopassa. Paljastuu, ettei Saksan ydintutkimusohjelma ole edistynyt lähellekään pommin rakentamista. 16.7.1945: ensimmäinen ydinräjäytys Alamogordossa New Mexicossa. 26.7.1945: Liittoutuneet vaativat Potsdamin julistuksella Japanin ehdotonta antautumista. Japani kieltäytyy. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 12
1945: Ydinenergian pelko saa alkunsa Hiroshima 6.8.1945 Ydinasekilpa alkoi toden teolla 1940-luvun lopulla Neuvostoliiton räjäytettyä atomipommin 29.8.1949. USA:n ensimmäinen vetypommikoe 1.11.1952, NL perässä elokuussa 1953; ohjusteknologia, kylmä sota, jne. ks. elokuva Atomic Café. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 13
Hieman aiemmin toisaalla 2.12.1942: Ensimmäinen atomimiilu, Fermin & Szilárdin työryhmän Chicago Pile 1 (CP-1) tulee kriittiseksi Chicagon yliopistokampuksen urheilukentän alla. Useiden tuntien järjestelmällisen kokeilun jälkeen Fermi toteaa klo 15:36: Reaktio pitää itseään yllä. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 14
Rauhanomainen ydinteknologia kehittyy Elokuu 1946: Oak Ridge National Laboratory lähettää ensimmäiset reaktorissa tuotetut radioisotoopit siviilikäyttöön (Bainard Cancer Hospital, St. Louis, Missouri). Sodan päätyttyä ORNL tuotti useita halpoja radioaktiivisia yhdisteitä lääketieteelliseen diagnostiikkaan, hoitoon, tutkimukseen ja teollisuussovelluksiin. 20.12.1951: ydinvoimalla tuotetaan ensimmäisen kerran hyödynnettävää sähköä (National Reactor Testing Station, Idaho Falls). Sähkö riitti kokeellisen hyötöreaktori EBR-I:n turbiinisalin kaiteeseen ripustetun neljän hehkulampun sytyttämiseen. 1953: EBR-I osoitti, että ydinreaktorilla on mahdollista tuottaa enemmän polttoainetta kuin reaktori kuluttaa se hyöti polttoainetta tuottaessaan samalla sähköä. Elokuu 1954: Eisenhowerin Atoms for Peace -ohjelma edistämään ydinenergian rauhanomaista käyttöä. 17.10.1956: Elisabet II avaa Englannissa kaupallisessa mittakaavassa sähköä tuottavan ydinvoimalan Calder Hall A:n Sellafieldissä. A- ja B-voimaloissa oli neljä grafiittihidasteista, CO 2 -jäähdytteistä MAGNOX-reaktoria (à 50 MWe). Viimeinen suljettiin maaliskuussa 2003. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 15
Tehoreaktorien prototyyppejä AM-1 (Neuvostoliitto) RBMK:n edeltäjä 5 MWe (netto) grafiittimoderoitu paineputkirakenteinen kiehutusreaktori tuotti sekä sähköä että kaukolämpöä Obninskissa sähköverkkoon 2.12.1954 suljettiin vuonna 2002 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 16
Tehoreaktorien prototyyppejä Shippingport PWR (USA) 60 MWe (netto) painevesireaktori laivakäyttöön ja energiantuotantoon 90% väkevöity neutronilähde (uraanimetalli), UO 2 -vaippa (pelletti/suojakuori) sähköverkkoon 2.12.1957 ylikriittinen seed, Hf-säätösauvat alikriittinen luonnonuraanivaippa PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 17
Tehoreaktorien prototyyppejä Dresden-1 BWR (GE) ensimmäinen kaupallinen kiehutusreaktori energiantuotantoon 197 MWe (netto) sähköverkkoon 15.4.1960 ei vielä aito BWR erillinen höyryrumpu ja sekundääriset höyrystimet Oyster Creek BWR/2 (GE) ensimmäinen aito suoran höyrysyklin BWR energiantuotantoon 515 MWe (netto) sähköverkkoon 23.9.1969 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 18
Ydinvoimalasukupolvet Sukupolvi I: kaupallisten reaktorien prototyypit 1950- ja 1960-luvulla, esim. MAGNOX (Englanti), Shippingport PWR ja Dresden-1 BWR (USA). Erityisen merkittäviksi nousevat kaksi vesimoderoitua ja -jäähdytettyä kevytvesireaktorin (LWR) perustyyppiä: PWR: Pressurized Water Reactor eli painevesireaktori. Primääripiirin vesi kiertää nestemäisenä korkeassa paineessa (>100 bar), sekundääripiirin matalammassa paineessa oleva vesi kiehutetaan höyrystimessä turbiinien käyttämäksi höyryksi. BWR: Boiling Water Reactor eli kiehutusreaktori. Ei erillistä sekundääripiiriä, vaan jäähdyte kiehuu jo paineastiassa (~70 bar) ja höyry johdetaan turbiineille. Sukupolvi II: 1970- ja 1980-luvuilla käyttöön otetut kaupalliset laitokset. Esim. perustyypin PWR, BWR, CANDU, RBMK ja AGR. Sukupolvi III: perustyypeistä taloudellisemmiksi, turvallisemmiksi ja hyötysuhteeltaan paremmiksi jatkokehitetyt LWR:t, kuten ABWR, APWR, VVER-1000 ja AP600. Jo käytössä maailmalla. 1990-luvulla suunniteltu vielä edistyneempiä laitoksia: sukupolvi III+. Sukupolvi IV: Käytössä vuoteen 2030 mennessä. Erittäin turvallisia ja taloudellisia, tuottavat minimimäärän ydinjätettä, eivät sovellu asemateriaalin tuotantoon. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 19
Pahimmat maineen mustaajat 10.10.1957: Tulipalo Windscalen (nyk. Sellafield) yhden plutoniumia tuottavan ilmajäähdytteisen, läpituuletetun reaktorin grafiittimoderaattorissa tuloksena ensimmäinen merkittävä radioaktiivisuuspäästö ympäristöön. 28.3.1979: Vakava onnettomuus Three Mile Islandin voimalan kakkosreaktorissa Pennsylvanian Harrisburgissa USA:ssa. Ensimmäinen kaupallisen energiantuotantoreaktorin sydämensulamisonnettomuus, alkusyynä auki juuttunut venttiili ja puutteellinen valvomon instrumentointi. Paineastia säilyi ehjänä, ei merkittäviä päästöjä ympäristöön. 26.4.1986: Yhdessä Tshernobylin grafiittihidasteisista, vesijäähdytteisistä RBMK-reaktoreista tapahtunut höyryräjähdys ja grafiittipalo levittivät merkittävän osan radioaktiivisuusvarannosta ympäristöön. Pääsyynä onnettomuuteen oli törkeä piittaamattomuus laitoksen käyttömääräyksistä. 11.3.2011: Fukushima I-1 I-3, maanjäristyksen ja tsunamin aiheuttama sähkönmenetysonnettomuus, merkittävät vauriot ja säteilypäästöjä ympäristöön. Pääsyy: riittämätön varautuminen. PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 20
Ydinenergia Suomessa 1958: Alikriittinen Miilu TKK:lla 1950-luvun loppu: Triga Mk II -allasreaktori FiR-1 tutkimuskäyttöön (TKK/VTT). Toimii nykyään myös BNCThoitoasemana vaikeiden aivokasvainten hoidossa. 1977: Suomen ensimmäinen ydinvoimala valmistuu Loviisaan. Laitoksella on kaksi neuvostovalmisteista VVER- 440 -painevesireaktoria, sähköteho à 440 MW (nyk. 510). 1978: Olkiluodon voimalaitos Porin lähellä valmistuu. Laitoksella on kaksi ruotsalaisvalmisteista ABB Atom - kiehutusreaktoria, kummankin nettosähköteho 660 MW (nyk. 860 MW höyrykierron modernisointien myötä). Kummankin voimalan käyttöaste on maailman huipputasoa: Loviisan laitoksella 80-90%, Olkiluodossa yli 90%. Laitokset tuottavat yli neljänneksen Suomen sähkönhankinnasta. Tulevaisuus: EPR-reaktori rakenteilla Olkiluotoon, sähköteho 1600 MW (TVO). AES-2006 -reaktori vireillä Pyhäjoelle, sähköteho 1200 MW (Fennovoima). OL 3 Loviisa 1 & 2 OL 1 & 2 PHYS-E0460 Reaktorifysiikan perusteet (2016) 21