SUOMEN SEURAAVIEN YDINVOIMALAITOSEHDOKKAIDEN TYYPPIVERTAILU TYPE COMPARISON OF FUTURE NUCLEAR POWER PLANT CANDIDATES IN FINLAND

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Energiatekniikan koulutusohjelma BH10A0200 Energiatekniikan kandidaatintyö ja seminaari SUOMEN SEURAAVIEN YDINVOIMALAITOSEHDOKKAIDEN TYYPPIVERTAILU TYPE COMPARISON OF FUTURE NUCLEAR POWER PLANT CANDIDATES IN FINLAND Lappeenrannassa 22.4.2009 0278860 Juha Luukka Ente 4

SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO... 2 2. LAITOSTYYPPIEN ESITTELY... 2 2.1 ABWR... 2 2.2 EPR... 6 2.3 APWR... 10 2.4 APR 1400... 13 2.5 ESBWR... 16 2.6 AES2006... 20 2.7 SWR 1000... 24 3. LAITOSTYYPPIEN VERTAILU... 27 3.1 Perusominaisuudet... 27 3.2 Turvallisuusjärjestelmät... 29 3.3 Passiiviset turvallisuusjärjestelmät... 33 4. YHTEENVETO... 36 LÄHTEET... 37

2 1. JOHDANTO Suomessa toimii tällä hetkellä kolme ydinvoimayhtiötä: Fennovoima, Fortum ja Teollisuuden Voima (TVO). Kaikki yhtiöt ovat jättäneet valtioneuvostolle periaatepäätöshakemuksen ydinvoimalan rakentamisesta. Periaatepäätöshakemukset sisältävät voimayhtiöiden harkitsemat laitosvaihtoehdot, joita on voimayhtiöstä riippuen kolme tai viisi kappaletta. Yhteensä erilaisia laitostyyppejä on seitsemän. Tässä työssä on tarkoitus vertailla ehdolla olevia laitostyyppejä keskittyen teknisiin ominaisuuksiin ja suunnitteluarvoihin. Työ on tehty kandidaatintyönä Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa keväällä 2009. 2. LAITOSTYYPPIEN ESITTELY Tuleviksi ydinvoimalaitoksiksi on ehdolla seitsemän erilaista laitostyyppiä. Näistä kolme on tyypiltään kiehutusvesireaktoreja ja neljä painevesireaktoreja. Kaikille kolmelle voimayhtiölle yhteisiä ovat japanilaisen Toshiba-Westinghousen valmistama ABWR kiehutusvesilaitos sekä ranskalaisen Areva NP:n EPR painevesilaitos. Seuraavassa kukin seitsemästä laitostyypistä esitellään yleispiirteittäin, sekä erikseen käsittelyyn otetaan kunkin laitostyypin reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus, reaktorin jäähdytys normaalitilanteissa ja jälkilämmön poisto sekä reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallintaan liittyvät järjestelmät. 2.1 ABWR ABWR on japanilaisen Toshiba-Westinghousen valmistama kiehutusvesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona kaikkien kolmen voimayhtiön suunnitelmissa. Laitos edustaa ns. evoluutiolinjaa, eli perusperiaatteiltaan laitos on hyvinkin samankaltainen nykyisten

3 kiehutusvesilaitosten kanssa. Sitä on kuitenkin kehitetty monin osin lisäämällä mm. joitakin passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. ABWR sai Yhdysvaltain ydinturvallisuusviranomaisen US NRC:n tyyppihyväksynnän jo vuonna 1997, ja laitoksia on sähköntuotannossa Japanissa kolme kappaletta, joista uusin, vuonna 2005 käyttöönotettu Hamaoka-5 on ollut Suomeen tarjotun laitoksen suunnitteluperustana. (TVO, 49.) 2.1.1 Perustekniikka Toshiban ABWR on moderni kiehutusvesireaktori, jossa sekä pääkiertopumput että höyrynkehitys (vedenerottimet ja höyrynkuivaimet) ovat reaktorin painesäiliön sisällä. Polttoainenippuja reaktorissa on 872 kappaletta, ja säätösauvoja 205 kappaletta. Polttoaineniput ovat neliöhilaan koteloituja ja niissä on 10x10 polttoainesauvapaikkaa. Säätösauvat sijaitsevat kiehutusvesireaktoreille tyypillisesti painesäiliön alapuolella, joten niiden ajaminen sydämeen pikasulussa on toteutettu hydraulisesti. Laitoksen tärkeimmät erilliset rakennukset, reaktorirakennus, valvontarakennus ja turbiinirakennus on sijoitettu jonoon siksi, että mahdollisen turbiinivaurion tapahtuessa turbiinin siivet eivät pääse vaurioittamaan turvallisuudelle oleellisia järjestelmiä. ABWR-laitoksen poikkileikkaus on esitetty kuvassa (1). (Fennovoima, 255.) Kuva 1. Toshiban ABWR-laitos (Fennovoima, 255.)

4 Suomeen suunnitellun ABWR-laitoksen sähköteho tulisi olemaan noin 1600 1650 MW ja lämpöteho noin 4300 MW. Se vastaisi sähköteholtaan siis melko tarkasti molempia Olkiluodossa käytössä olevaa kiehutusvesireaktoria. (TVO, 49.) 2.1.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus ABWR-laitoksessa käytönaikaiseen reaktiivisuuden ja tehon aktiiviseen hallintaan käytetään säätösauvoja ja pääkiertopumppuja. Tehonsäädössä säätösauvoja siirretään sähkömoottorein, pikasulkutilanteissa säätösauvat ajetaan sydämeen passiivisella typpipaineeseen perustuvalla hydrauliikalla. Säätösauvoilla säädetään pääasiassa latausjakson aikana polttoaineen kasvavan palaman vuoksi muuttuvaa reaktiivisuutta. Normaalikäytön tehonsäätö toteutetaan pääkiertopumppujen virtausta muuttamalla. (Fortum, 52.) Reaktorin pikasulku on varmennettu monilla tavoilla. Passiivisen hydraulijärjestelmän pettäessä sen käyttövoima voidaan tuottaa myös aktiivisesti vettä pumppaamalla, tai jos koko hydraulijärjestelmä on epäkunnossa, säätösauvat voidaan ajaa sydämeen säätösauvojen hienosäätöön tarkoitetuilla sähkömoottoreilla. Mikäli mikään säätösauvakoneisto ei toimi, reaktori voidaan sammuttaa pumppaamalla reaktoriin booripitoista vettä. Boorijärjestelmä on 2*100 % -tyyppinen, eli toisistaan riippumattomia järjestelmiä on kaksi, joista yhdenkin toiminta riittää sammuttamaan reaktorin. Laitos täyttää tältä osin suomalaisen yksittäisvikakriteerin, jonka mukaan järjestelmän on suoritettava tehtävänsä vaikka mikä tahansa yksittäinen laite olisi epäkunnossa. (Fennovoima, 256.) 2.1.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalissa tehokäytössä sekä reaktorin alas- ja ylösajovaiheissa reaktorin jäähdytyksestä huolehtii pääsyöttövesijärjestelmä. Lopullisena lämpönieluna on lauhduttimeen otettava

5 merivesi. Seisokkitiloissa reaktorin jälkilämpö poistetaan jälkilämmönpoistojärjestelmällä, joka on samalla matalapaineinen hätäjäähdytysjärjestelmä. Järjestelmä on 3*100 % - tyyppisesti varmennettu. Myös tämän järjestelmän lämpönieluna toimii meri. Koska jälkilämmönpoistojärjestelmä toimii vain reaktoripainesäiliön paineen ollessa matala, ylös- ja alasajojen varalle tarvitaan erillinen jälkilämmönpoistojärjestelmä. ABWR:ssä tämä järjestelmä on eristyslauhdutin, joka koostuu kahdesta reaktorirakennuksen ulkopuolelle sijoitetusta vesisäiliöstä, ja niihin upotetuista lämmönvaihtimista. Lämmönvaihtimiin johdetaan reaktorin jälkilämmön tuottama höyry, joka lauhtuu takaisin vedeksi. Lauhde valuu painovoiman vaikutuksesta takasin reaktoriin, joten eristyslauhdutinjärjestelmä on täysin passiivinen, eikä vaadi ulkoista käyttövoimaa. Lopullisena lämpönieluna on ilmakehä. Järjestelmä on tyypiltään 4*33 %. Lisäksi korkeassa paineessa olevan reaktorin jälkilämpö on mahdollista poistaa suojarakennuksen sisällä olevaan lauhdutusaltaaseen. Jälkilämmön tuottama höyry johdetaan tulvitettuun lauhdutusaltaaseen, josta lämpö voidaan poistaa mereen matalapaineisella jälkilämmönpoistojärjestelmällä. Reaktorin lisävesi syötetään tällöin korkeapaineisella lisävesijärjestelmällä, joka on tyypiltään 3*100 %. (Fortum, 53.) 2.1.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Mikäli reaktorin normaalitilanteissa käytetty jäähdytysjärjestelmä vaurioituu, tarvitaan reaktorille hätäjäähdytystä. ABWR:ssä sydämen hätäjäähdytys jaetaan kolmeen erilliseen osajärjestelmään. Yksi osajärjestelmä koostuu korkeapaineisesta lisävesijärjestelmästä, jolla primääripiiriin voidaan syöttää lisää korkeapaineista vettä, sekä matalapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä. Jokaisen osajärjestelmän kapasiteetti on 100 % suuren putkikatkon aiheuttamasta tarpeesta. Osajärjestelmiä on kolme kappaletta, eli hätäjäähdytysjärjestelmä on 3*100 % -tyyppinen. Reaktorissa on myös hätätilanteita varten paineenalennusjärjestelmä, joka koostuu kahdeksasta varoventtiilistä. Reaktorin paine alennetaan johtamalla höyryä näiden venttiilien kautta suojarakennuksen sisällä olevaan lauhdutusaltaaseen. (Fortum, 53.)

6 Vakavien onnettomuuksien, eli käytännössä sydämen sulamisen, varalle ABWR:ssä on normaalin paineenalennusjärjestelmän lisäksi erillinen vakavien onnettomuustilanteiden paineenalennusjärjestelmä. Reaktorin paineen alentaminen on erittäin tärkeää, ettei sulanut sydän aiheuta korkeapaineista painesäiliön hajoamista, joka voisi vaurioittaa suojarakennusta. Vakavia reaktorionnettomuuksia varten suunniteltu paineenalennusjärjestelmä koostuu moottoriventtiileistä, joiden kautta reaktorista purkautuva höyry johdetaan suojarakennuksen alaosassa sijaitsevaan lauhdutusaltaaseen. Painesäiliön alapuolella on sydänsieppari, jonka tarkoituksena on jäähdyttää sulaneen sydämen jäänteitä ja estää sen pääsy suojarakennuksen kantaviin materiaaleihin. Sydänsiepparia jäähdytetään tulvittamalla reaktorin alapuolinen kuivatila lauhdutusaltaan vedellä. 2.2 EPR EPR (European Pressurized water Reactor) on ranskalais-saksalaisen yhteistyön tuloksena syntynyt painevesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona kaikkien kolmen voimayhtiön suunnitelmissa. Teknisenä perustana laitokselle ovat olleet saksalainen Konvoi ja ranskalainen N4. Kyseessä on siis evoluutiotyypin laitos, jossa vanhoja, käytössä hyväksi havaittuja menetelmiä on kehitetty edelleen. EPR:n toimittaja on Areva NP, joka rakentaa tällä hetkellä Eurajoen Olkiluotoon Suomen viidettä ydinvoimalaa OL3:sta. Tämän lisäksi toinen EPR-tyypin laitos on rakenteilla Ranskan Flamanvilleen. (Fennovoima, 263.) 2.2.1 Perustekniikka EPR perustuu osittain saksalaiseen Konvoi laitostyyppiin, josta on omaksuttu mm. nelinkertaiset turvallisuusjärjestelmät ja lentokonetörmäyksen kestävä ulompi suojarakennus. Ranskalaisen N4:n perua ovat taas mm. täysin digitaalinen automaatio.

7 EPR on nykyaikainen painevesireaktori, jonka suunnittelussa on kiinnitetty erityishuomiota painesäiliön haurastumiseen. Siksi painesäiliön sisäpinnalla käytetään raskasta heijastinta, joka vähentää säiliömateriaaliin kohdistuvaa neutronivuota ja tasoittaa reaktorin tehojakaumaa. Primääripiirissä on neljä kiertopiiriä. Jokainen piiri koostuu pystyhöyrystimestä ja sähkökäyttöisestä pääkiertopumpusta. Reaktorin sydän koostuu 241 polttoaine-elementistä ja 89 säätösauvasta. Polttoaineniput ovat 17x17 -neliöhilaan koottuja ja koteloimattomia. Säätösauvat ovat ns. sormisäätösauvoja. Pikasulku on toteutettu niin, että pikasulun tapahtuessa säätösauvoja kannattelevista sähkömagneeteista katkeaa virta, jolloin sauvat putoavat painovoiman avulla sydämeen. Poikkileikkaus laitoksesta on esitetty kuvassa (2). (Fennovoima, 264.) Kuva 2. Areva NP:n EPR. (Fennovoima, 263.) Reaktorin lämpöteho on 4590 MW ja sähköteho noin 1700 MW, eli korkeampi kuin rakenteilla olevassa OL3-laitoksessa. Tästä mahdollisesti aiheutuvat muutokset turvallisuusjärjestelmiin otetaan huomioon laitoksen lupaprosessissa. (Fennovoima, 263.)

8 2.2.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus EPR:ssä reaktiivisuutta hallitaan reaktorin järkevän perussuunnittelun (luontaiset negatiiviset takaisinkytkennät) lisäksi aktiivisin järjestelmin. Näitä ovat säätösauvat sekä jäähdytysveden boorijärjestelmä. Säätösauvoja käytetään sekä normaaliajossa nopeiden reaktiivisuusmuutosten hallintaan että pikasulkuun. Säätösauvoja liikutellaan normaalisti sähkömagneettisin kytkimin, joilla tehdään reaktorin tehon hienosäätö. Pikasulussa kytkimien virta katkeaa, jolloin sauvat putoavat reaktoriin. Myös boorijärjestelmää käytetään normaalikäytön tehonsäätöön, mutta pidemmällä aikavälillä. Booripitoisuutta muuttamalla kompensoidaan polttoaineen palaman mukana muuttuva reaktiivisuus. Reaktorin sammuttamiseksi on olemassa myös hätäboorausjärjestelmä, mikäli säätösauvat eivät ole käytettävissä. Häiriön sattuessa järjestelmä syöttää reaktoriin vahvaa booriliuosta, joka katkaisee ketjureaktion ja sammuttaa reaktorin. Sekä säätösauvat että hätäboorijärjestelmä pystyvät yksinään sammuttamaan reaktorin ja pitämään sen alikriittisenä. Hätäboorausjärjestelmä on kahdennettu osajärjestelmiin, joiden molempien kapasiteetti on 100 %. (Fortum, 60.) 2.2.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Tehoajossa sekä normaalien ylös- ja alasajojen aikana reaktoria jäähdyttävät primääripiirin neljä kiertopiiriä, jotka siirtävät lämmön höyrystimien läpi sekundääripiirin veteen. Sekundääripiirin höyry johdetaan ajotilasta riippuen joko turbiinin läpi tai suoraan lauhduttimeen, josta lämpö lopulta siirtyy lopulliseen lämpönieluun, mereen. Lauhduttimesta vesi syötetään takaisin höyrystimiin tehoajossa pääsyöttövesijärjestelmällä ja ylös- ja alasajoissa omalla järjestelmällään. Kylmissä seisokkitiloissa jälkilämmönpoisto suoritetaan matalapaineiseen hätäjäähdytysjärjestelmään liittyvällä jälkilämmönpoistojärjestelmällä. Lämpö siirretään suoraan primääripiiristä mereen ilman höyrystimiä. Jälkilämmönpoistojärjestelmä on tyypiltään 4 * 100 %. Järjestelmällä on käyttöä myös ylös- ja alasajojen aikana.

9 Korkeassa paineessa ja lämpötilassa tapahtuva jälkilämmönpoisto tapahtuu ensisijaisesti höyrystimien ja lauhduttimen kautta mereen. Tällöin höyrystimien lisävesi syötetään ylösja alasajojärjestelmän kautta. Veden syöttö höyrystimiin on varmennettu moninkertaisesti. Jos ylös- ja alasajojärjestelmä ei ole käytettävissä, vettä syötetään pääsyöttövesijärjestelmällä. Mikäli sekään ei toimi, vettä voidaan syöttää vielä hätäjäähdytysjärjestelmällä, joka on 4 * 100 % -tyyppisesti varmennettu. Lisäksi korkeapaineisesta reaktorista voidaan poistaa lämpöä myös ilmakehään sekundääripiirin paineenalennusjärjestelmän ulospuhallusventtiileillä. (Fortum, 61.) 2.2.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Primääripiirin vaurion varalle EPR:ssä on hätäjäähdytysjärjestelmä, jonka osajärjestelmä koostuu välipaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä, paineakusta ja matalapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä. Näitä osajärjestelmiä on laitoksella 4 kappaletta, joista jokainen pystyy yksinään kattamaan suuren primääripiirin putken katkosta aiheutuvan tarpeen. Jotta nämä järjestelmät olisivat käytettävissä, primääripiirin paine on alennettava riittävän matalalle tasolle. Mikäli mahdollinen putkikatko ei sitä alentaisi, on laitoksella olemassa siihen järjestelmät. Ensisijaisesti paine pyritään alentamaan siirtämällä primääripiiristä lämpöä sekundääripiiriin höyrystimien kautta. Mikäli sekundääripiiri tai höyrystimet eivät ole käytettävissä, paine alennetaan paineistimen ulospuhalluslinjaan kytketyillä pakko-ohjattavilla varoventtiileillä. Näin primääripiirin paine saadaan tasolle, jolla hätäjäähdytysjärjestelmät voivat toimia. (Fortum, 61.) Vakavien onnettomuuksien varalle EPR:ssä on kaksinkertainen suojarakennus. Sen ulompi teräsbetonikuori on suunniteltu suuren matkustajalentokoneen törmäystä ajatellen. Sisempi kuori on valmistettu esijännitetystä betonista, ja on vuorattu teräksellä. Sen tarkoituksena on eristää mahdollisen sydänvaurion tapahtuessa radioaktiiviset aineet ympäristöstä. Vakavissa onnettomuustilanteissa ensiarvoisen tärkeää on suorittaa primääripiirin paineenalennus. Tämän vuoksi mikäli aiemmin esitetyt paineenalennuskeinot eivät ole käytettävissä, on vakavien onnettomuuksien lisäksi

10 olemassa vielä ylimääräinen paineistimesta lähtevä paineenalennuslinja. EPR:ssä on myös sydänsieppari, joka on suunniteltu siten, että sydämen jäänteet leviävät riittävän suurelle alalle tehokkaan jäähdytyksen mahdollistamiseksi. Lisäksi vakavien onnettomuuksien varalta laitoksella on mm. suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmä ja vedyn passiiviset katalyyttiset rekombinaattorit vetyräjähdyksen välttämiseksi. (Fortum, 62.) 2.3 APWR APWR on japanilaisen Mitsubishi Heavy Industries Limitedin (MHI) suunnittelema moderni painevesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona TVO:n suunnitelmissa. Se on evoluutiotyypin laitos, eli nykyisissä laitoksissa hyväksi havaittuja järjestelmiä on käytetty joiltain osin paranneltuina. Perusperiaatteiltaan laitos on hyvinkin nykyisiä painevesireaktoreja vastaava. Suunnitteluperustana on käytetty MHI:n aiempia nelipiirisiä painevesilaitoksia. Toistaiseksi APWR -laitoksia ei ole rakenteilla, mutta kahden laitoksen lisensointi on käynnissä Japanissa. (TVO, 56.) 2.3.1 Perustekniikka APWR on lämpöteholtaan noin 4450 MW ja sähköteholtaan noin 1650 MW. Laitoksen primääripiirissä on neljä höyrystinpiiriä. (TVO, 56.) Sen reaktorisydämessä on 257 polttoainenippua, jotka ovat 17 x 17 tyyppisiä. Painesäiliön sisäpuolella on käytössä ruostumattomasta teräksestä valmistettu raskas heijastin, joka vähentää neutronien vuotoa ulos sydämestä ja painesäiliön säteilyvaurioita. Osittainen poikkileikkaus laitoksesta on esitetty kuvassa (3). (MHI, 52.)

11 Kuva 3. MHI APWR (MHI, 51.) 2.3.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus Reaktorin sammutus pikasulkutilanteissa tapahtuu ensisijaisesti painevesilaitoksille tyypillisellä säätösauvakoneistolla. Säätösauvat sijaitsevat painesäiliön yläpuolella, josta ne voidaan pudottaa reaktoriin painovoiman vaikutuksesta. Mikäli säätösauvat eivät ole käytettävissä, reaktorisydämen ketjureaktio voidaan pysäyttää myös primääripiirin veden booripitoisuutta nostamalla. Tähän voidaan käyttää joko primääripiirin normaalia vesikemiallista järjestelmää, tai hätätilanteessa voidaan suorittaa primääripiirin paineenalennus, jolloin hätäjäähdytysjärjestelmä pumppaa automaattisesti vahvasti boorattua vettä reaktoriin. (TVO, 56.) 2.3.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalikäytössä primääripiirin lämpö siirretään neljän höyrystimen kautta sekundääripiirin höyryyn, joka johdetaan turbiinin läpi lauhduttimeen. Häiriötilanteita varten höyrystimiin voidaan syöttää vettä myös aktiivisella hätäsyöttövesijärjestelmällä, joka on kapasiteetiltaan 4 * 50 % -tyyppinen. Näiden järjestelmien pumpuista kaksi toimii sähkömoottorilla ja toiset kaksi höyryturbiinikäyttöisesti. Alhaisissa paineissa ja

12 lämpötiloissa voidaan jälkilämmön poistoon käyttää myös aktiivista jälkilämmönpoistojärjestelmää, joka toimii samalla myös suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmänä. Tällä 4 * 50 % -tyypin järjestelmällä voidaan tilanteen mukaan jäähdyttää joko primääripiiriä tai suojarakennuksessa sijaitsevaa hätäjäähdytysvesiallasta. 2.3.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Häiriö- tai onnettomuustilanteessa reaktorin jäähdytyksen kannalta on tärkeää saada primääripiirin paine laskemaan. Tähän tarkoitukseen APWR:ssä on kaksi toisistaan riippumatonta 100 % kapasiteetin omaavaa paineenalennuslinjaa, sekä yksi erillinen linja vakavien onnettomuuksien varalle. Varsinaista hätäjäähdytystä varten laitoksella on neljä rinnakkaista haaraa, joista kukin koostuu korkeapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä ja paineakusta. Paineakkujen vesi purkautuu reaktoriin automaattisesti primääripiirin paineen laskettua alle paineakuissa vallitsevan paineen. Paineakuissa on virtauksenrajoittimet, jotta jäähdytysvettä virtaisi reaktoriin hallitusti ja vettä riittää pidemmäksi aikaa. Paineakkujen virtausrajoittimien vuoksi laitoksella ei ole käytössä erillistä matalapaineista hätäjäähdytysjärjestelmää. Lisäksi korkeapaineinen hätäjäähdytysjärjestelmä toimii myös matalissa reaktorin paineissa. Korkeapaineisella hätäjäähdytysjärjestelmällä on painesäiliössä omat yhteet, joiden kautta järjestelmän pumppaama vesi voidaan ruiskuttaa suoraan reaktoriin. Paineakkujen vesi ruiskutetaan pääkiertopiirien kylmiin haaroihin. Hätäjäähdytysjärjestelmän kapasiteetti riittää kattamaan primääripiirin suuren putken katkon vaatiman tarpeen, vaikka yksi osajärjestelmä olisi vikaantunut ja toinen samanaikaisesti käyttökunnoton huollon vuoksi. Lisäksi reaktorin hätäjäähdytystä voidaan tehostaa käyttämällä yhdistettyä jälkilämmönpoisto- ja suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmää. Tämä voidaan operaattorin toimenpitein yhdistää pumppaamaan suojarakennuksen hätäjäähdytysvesialtaasta vettä reaktoriin. Vakavien onnettomuuksien varalta reaktorin painesäiliön alapuolella on sydänkaappari, joka on suunniteltu niin, että painesäiliöstä purkautuva sydänsula leviää helposti jäähdytettäväksi kerrokseksi. Alueen tulvitus suoritetaan palovesijärjestelmällä. Suojarakennuksen kaasutiiveyttä varmistava teräsverhous on painesäiliön alapuolisessa

13 tilassa päällystetty betonilla, jottei sydänsula pääse vaarantamaan suojarakennuksen tiiveyttä ja aiheuttamaan laitoksen ulkoista päästöä. Suojarakennuksesta voidaan vakavan onnettomuuden aiheuttamaa lämpöä poistaa aiemmin mainitun järjestelmän lisäksi erillisellä aktiivisella lauhdutusjärjestelmällä. Sillä voidaan lauhduttaa suojarakennuksen kaasutilavuudessa olevaa höyryä välipiirin jäähdytyskierukoissa kiertävän veden avulla. Välipiirin lämpö siirretään ilmakehään ilman luonnonkierron avulla. Suojarakennuksen mitoituksessa on otettu huomioon sydämen zirkoniuminventaarin täydellinen vapautuminen ja hapettuminen. Vapautuva vetymäärä voidaan pidättää suojarakennuksessa, ja vetypitoisuutta ja lauhtumattomista kaasuista aiheutuvaa painetta hallitaan vedyn poltolla sytyttimiä käyttäen. (TVO, 56-58.) 2.4 APR 1400 APR 1400 on etelä-korealaisen Korea Hyrdo & Nuclear Power Companyn (KHNP) suunnittelema evoluutiotyypin painevesilaitos, joka on laitosvaihtoehtona Fortumin ja TVO:n suunnitelmissa. Laitoskonsepti on kehitetty edelleen etelä-korealaisesta OPR1000- laitoksesta, jonka pohjalla taas oli amerikkalaisen Combustion Engineeringin suunnittelema System 80+ -konsepti. Laitoksen suunnittelu on toteutettu Etelä-Korean kansallisena tutkimushankkeena, johon on ottanut osaa suurin osa maan ydinvoimateollisuudesta. Tällä hetkellä yhtäkään APR 1400 laitosta ei ole käytössä, mutta Etelä-Koreaan on rakenteilla neljä laitosyksikköä, kaksi Shin-Korin voimalaitokselle ja kaksi Shin-Ulchinin voimalaitokselle. (Fortum, 57.) 2.4.1 Perustekniikka Laitos on pääosin aktiivisiin järjestelmiin perustuva, lämpöteholtaan noin 4000 MW painevesireaktori. Sähkötehoa laitos tuottaa noin 1450 MW. Pääkiertopiirejä on kaksi kappaletta, höyrystimet ovat pystysuuntaiset. Pääkiertopiiri koostuu yhdestä kuumasta ja kahdesta kylmästä haarasta. Säätösauvat sijaitsevat painevesilaitoksille tyypillisesti

14 painesäiliön yläpuolella. Laitoksen ulompi suojarakennus on mitoitettu suuren matkustajalentokoneen törmäyksen varalle. (Fortum, 57.) 2.4.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus Normaalissa tehoajossa reaktiivisuutta hallitaan sekä säätösauvoilla, että primääripiirin veden booripitoisuutta säätämällä. Säätösauvoja liikutellaan sähkömagneettisilla kytkimillä, ja niillä säädetään reaktorin tehoa normaalitilanteessa, tai katkaistaan ketjureaktio häiriötilanteessa. Pikasulku tapahtuu pudottamalla sauvat reaktoriin. Boorijärjestelmällä kompensoidaan lähinnä ajojakson mittaan tapahtuvia hitaita reaktiivisuusmuutoksia. Molemmat järjestelmät pystyvät sammuttamaan reaktorin yksinään. Mikäli häiriötilanteessa reaktorin pikasulku säätösauvojen avulla ei onnistu, on käytettävissä normaalikäytön järjestelmästä riippumaton primääripiirin boorausjärjestelmä. Järjestelmä koostuu kahdesta rinnakkaisesta osajärjestelmästä, joiden molempien kapasiteetti riittää sammuttamaan reaktorin. (Fortum, 58.) 2.4.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalissa tehoajossa reaktorin kehittämä lämpö poistetaan primääripiiristä höyrystimien läpi sekundääripiirin höyryyn. Paisuttuaan turbiinissa höyry lauhtuu lauhduttimessa, josta lämpö siirretään meriveteen. Pääsyöttövesijärjestelmä syöttää lauhteen takaisin höyrystimiin. Ylös- ja alasajojen aikana höyrystimien tuottama höyry voidaan johtaa suoraan lauhduttimeen ohittamalla turbiini. Korkeissa paineissa reaktorin tuottama jälkilämpö poistetaan höyrystimien ja lauhduttimen kautta mereen. Mikäli pääsyöttövesijärjestelmä ei ole käytettävissä, voidaan höyrystimiin syöttää vettä myös hätäsyöttövesijärjestelmällä, jonka kapasiteetti on 4 * 100 %. Korkeissa paineissa jälkilämpö voidaan poistaa myös sekundääripiirin paineenalennuksen avulla, joka tapahtuu piirin ulospuhallusventtiileillä. Lämpö poistuu sekundääripiirin höyryn mukana ilmakehään.

15 Matalissa paineissa reaktorin jälkilämmönpoistosta huolehtii jälkilämmönpoisto- ja suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmä. Lämpö siirretään suoraan primääripiiristä lopullisena lämpönieluna toimivaan mereen. Järjestelmän kapasiteetti on 4 * 50 %, ja sitä käytetään myös ylös- ja alasajojen aikana. 2.4.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Primääripiirin vaurioituessa reaktorin hätäjäähdytyksestä huolehtii neljään rinnakkaiseen osajärjestelmään jaettu hätäjäähdytysjärjestelmä. Kukin osajärjestelmistä koostuu korkeapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä ja paineakusta. Kullakin järjestelmällä on painesäiliöön oma yhteensä, jonka kautta vesi hätätilanteessa syötetään reaktoriin. Paineakkujen linjoissa on passiiviset virtaussäätimet, joiden takia vesi virtaa reaktoriin hallitusti kestäen pidempään. Erillistä matalapaineista hätäjäähdytysjärjestelmää ei tarvita. Reaktorin hätäjäähdytysjärjestelmä on kapasiteetiltaan 4 * 100 % primääripiirin suuren putken katkeamisen vaatimasta kapasiteetista. Primääripiirin paineenalennus on erittäin tärkeää onnistuneen hätäjäähdytyksen varmistamiseksi. Ensisijainen tapa madaltaa primääripiirin painetta on siirtää primääripiirin lämpöä höyrystimien kautta sekundääripiiriin. Mikäli höyrystimet eivät ole käytettävissä tai lämmönsiirto ei muusta syystä onnistu, primääripiirissä on erillinen paineenalennusjärjestelmä. Järjestelmä koostuu neljästä rinnakkaisesta ulospuhalluslinjasta, jotka lähtevät paineistimesta. Linjoissa on pakko-ohjatut varoventtiilit. Ulospuhalluslinjat johtavat suojarakennuksen sisällä olevaan boorivesisäiliöön, jossa primääripiirin höyry lauhtuu vedeksi ja alentaa primääripiirin painetta. Vakavien onnettomuuksien varalta APR 1400:n suojarakennus rakennetaan kaksinkertaiseksi. Ulompi teräsbetoninen suojarakennus suojaa laitosta ulkoisilta uhilta ja suunnitellaan kestämään suuren matkustajalentokoneen törmäys. Sisempi, teräsvuorattu esijännitetystä betonista valmistettu suojarakennus on tarkoitettu estämään laitoksen ulkoinen radioaktiivinen päästö. Primääripiirin paineenalennuksen varmistamiseksi

16 paineistimesta lähtee erityinen vakavien onnettomuuksien varalle suunniteltu paineenalennuslinja. Linja jakautuu kahdeksi haaraksi, joiden molempien kapasiteetti riittää onnistuneeseen paineenalennukseen. Yhteisvikamahdollisuuden poistamiseksi linjan venttiilit ovat erilaisia kuin ulospuhalluslinjojen venttiilit. APR 1400:ssa ei ole erillistä sydänkaapparia, vaan sydämen sulaessa se pidätetään painesäiliön sisällä. Reaktoripainesäiliön alaosa voidaan upottaa veteen tulvittamalla painesäiliön alapuolella oleva reaktorikuoppa. Lämmön poistamiseksi suojarakennuksesta vakavissa onnettomuustilanteissa on olemassa oma järjestelmänsä. Lisäksi jälkilämmönpoisto- ja suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmät hoitavat samaa tehtävää. Järjestelmät lauhduttavat suojarakennuksen kaasutilavuuden höyryä, madaltaen suojarakennuksen painetta. Lisäksi ne sitovat onnettomuudessa vapautuneita radioaktiivisia aineita ja siirtävät reaktorista tai sen jäänteistä syntyvää lämpöä suojarakennuksen ulkopuolelle. Vakavien onnettomuuksien ruiskutusjärjestelmä on kapasiteetiltaan 2 * 100 %. Vakavissa onnettomuuksista vapautuvasta vedystä huolehditaan passiivisilla rekombinaattoreilla, jotka poistavat vapaata vetyä suojarakennuksen kaasutilasta ennen kuin se voi syttyä palamaan hallitsemattomasti. (Fortum, 59.) 2.5 ESBWR ESBWR on yhdysvaltalaisen General Electricin suunnittelema innovatiivinen kiehutusvesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona sekä Fortumin että TVO:n suunnitelmissa. Se on kehitetty vanhemman ABWR-konseptin pohjalta eurooppalaisten vaatimusten mukaiseksi. Kehitystyöhön osallistui myös eurooppalaisia voimayhtiöitä. Reaktorin turvallisuusjärjestelmät ovat suurelta osin passiivisia, ja myös normaalikäytön aikana jäähdytteen kierto reaktorissa toimii luonnonkierrolla. ESBWR-laitoksia ei ole vielä käytössä tai rakenteilla, mutta tyyppilisensointiprosessi on käynnissä sekä Yhdysvalloissa että Iso-Britanniassa. Yhdysvalloissa on myös haettu yhdistettyä rakentamis- ja käyttölupaa usealle laitokselle. (Fortum, 62.)

17 2.5.1 Perustekniikka Lämpöteholtaan Suomeen tarjottu ESBWR olisi 4500 MW ja sähköteholtaan noin 1650 MW. Nykyisistä kiehutusvesilaitoksista se eroaa merkittävimmin siinä, että reaktorin sisäinen jäähdytteen kierto on toteutettu täysin passiivisesti ilman pumppuja, luonnonkierrolla. Säätösauvakoneisto sijaitsee kiehutusvesireaktorille tuttuun tapaan painesäiliön alapuolella ja toimii joko hydraulisesti tai sähkömoottorein. ESBWRlaitoksen poikkileikkaus on esitetty kuvassa (4). Kuva 4. General Electricin ESBWR -laitos. (GE, 2.) 2.5.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus Tehon ja reaktiivisuuden hallinnan perustana ovat reaktorifysikaalinen perussuunnittelu (negatiiviset takaisinkytkennät). Tämän lisäksi tehoa voidaan säätää aktiivisesti joko säätösauvoilla, tai jäähdytteen lämpötilaa muuttamalla. Säätösauvoja käytetään normaalitilanteessa lähinnä kompensoimaan polttoaineen palaman kasvamisesta aiheutuvat reaktiivisuusmuutokset käyttöjakson aikana. Normaalitilanteessa jatkuva

18 tehonsäätö toteutetaan syöttöveden lämpötilaa muuttamalla, koska tavallisesta kiehutusvesilaitoksesta poiketen jäähdytevirtausta ei voida suoraan muuttaa pääkiertopumppuja säätämällä. Reaktorin sammutus häiriötilanteessa tapahtuu ensisijaisesti säätösauvoin. Reaktorin pikasulussa säätösauvat painetaan reaktoriin hydraulisesti, tai jos se ei onnistu, normaalisäätöön tarkoitetuin sähkömoottorein. Mikäli säätösauvoja ei saada ajetuksi reaktoriin lainkaan, voidaan ketjureaktio pysäyttää pumppaamalla reaktoriin booripitoista vettä. Tätä varten on olemassa passiivinen hätäboorausjärjestelmä, joka saa käyttövoimansa typpipaineesta. Boorijärjestelmän kapasiteetista oli saatavilla ristiriitaista tietoa, Fortumin mukaan järjestelmän kapasiteetti on 2 * 50 % ja TVO:n mukaan 2 * 100 %. (Fortum, 63. TVO, 51.) 2.5.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalikäytössä reaktorin kehittämä lämpö siirtyy tuotetun höyryn mukana turbiinin kautta lauhduttimeen, josta se palautetaan reaktoriin pääsyöttövesijärjestelmällä. Höyry voidaan johtaa myös suoraan lauhduttimeen turbiinin ohi, esimerkiksi ylös- ja alasajotilanteissa. Lopullisena lämpönieluna on lauhdutinta jäähdyttävä merivesi. Jälkilämmönpoisto kylmissä seisokkitiloissa hoidetaan jäähdytteen puhdistus- ja reaktorinjäähdytysjärjestelmällä. Myös tämän järjestelmän lämpönieluna on meri, ja sen kapasiteetti on 2 * 100 %. Järjestelmää käytetään myös ylös- ja alasajoissa, ja korkean toimintapaineensa ansiosta sitä voidaan käyttää myös korkeapaineiseen jälkilämmönpoistoon. Pääasiassa korkeapaineisesta jälkilämmönpoistosta huolehtii kuitenkin passiivinen eristyslauhdutinjärjestelmä. Järjestelmä koostuu suojarakennuksen ulkopuolella sijaitsevasta vesialtaasta, ja siihen upotetuista lämmönvaihtimista, joihin reaktorin jälkilämmön tuottama höyry johdetaan. Höyryn lauhduttua vedeksi se valuu painovoiman vaikutuksesta takaisin reaktoriin. Järjestelmä on siis täysin passiivinen. Lämpönieluna on

19 ilmakehä, johon lämpö siirtyy eristyslauhduttimen vesialtaan veden höyrystyessä. Järjestelmää käytetään häiriötilanteiden lisäksi ylös- ja alasajoissa, ja sen kapasiteetti on 4 * 50 %. (Fortum, 63 64.) 2.5.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Reaktorin primääripiirin vauriotilanteita varten on olemassa passiivinen hätäjäähdytysjärjestelmä. Järjestelmä koostuu kolmesta suojarakennuksen sisällä sijaitsevasta vesialtaasta, jotka ovat korkeammalla kuin painesäiliö. Veden virtaus painesäiliöön ei siis tarvitse pumppuja. Hätäjäähdytyksen käynnistää murtolevyllisten venttiilien avaaminen, mikä tapahtuu räjäyttämällä murtolevy auki. Jokaisessa venttiilissä on kaksi räjähdepanosta, joista toisen toiminta riittää murtolevyn rikkoutumiseen. Hätäjäähdytysjärjestelmän neljästä linjasta kahdella on yhteinen suurempi vesiallas, ja suunnitteluperustana järjestelmän toiminnalle on tilanne, jossa toinen pienempään vesialtaaseen liitetyistä linjoista ei ole käytettävissä. Koska hätäjäähdytysjärjestelmässä ei ole painetta nostavia pumppuja, onnettomuustilanteessa on erittäin tärkeää saada reaktorin paine alennettua, koska muuten hätäjäähdytysvettä ei saada reaktoriin. Jos primääripiirin vuoto tai muu mahdollinen onnettomuus ei itsessään alentaisi painesäiliön painetta riittävästi, on olemassa automaattinen paineenalennusjärjestelmä, joka koostuu kymmenestä pakko-ohjattavasta venttiilistä. Näiden kautta höyry johdetaan suojarakennuksen alaosassa sijaitsevaan lauhdutusaltaaseen. Pakko-ohjattavien venttiilien lisäksi nopeaa paineenalennusta varten on olemassa kahdeksan murtolevyllistä venttiiliä, jotka avataan räjäyttämällä. Näiden kautta höyry johdetaan suojarakennuksen ylempään kuivatilaan. Matalissa paineissa reaktorin hätäjäähdytykseen voidaan käyttää myös polttoaine- ja apualtaiden jäähdytysjärjestelmää, joista voidaan pumpata vettä reaktoriin. Järjestelmän kapasiteetti on 2 * 100 %.

20 Vakavien onnettomuuksien varalle ESBWR:n suojarakennus on rakennettu suuren matkustajalentokoneen törmäyksen kestävään reaktorirakennuksen sisälle. Itse suojarakennus on kaasutiivis teräsvuorattu teräsbetonirakennelma, jonka tarkoituksena on eristää onnettomuuksissa vapautuvat radioaktiiviset aineet ympäristöstä. Lisäksi laitoksesta löytyy sydänsieppari, joka on sijoitettu suoraan painesäiliön alapuolelle. Sen tarkoituksena on jäähdyttää reaktorisydämen jäänteitä onnettomuustilanteessa ja estää sen pääsy kantaviin rakenteisiin. Sydänsieppari saa jäähdytysvetensä matalapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä, eli se on toimintaperiaatteeltaan passiivinen. Suojarakennuksen lämmönpoisto on toteutettu niin ikään passiivisesti. Lämpöä siirretään suojarakennuksen ylempään kuivatilaan yhteydessä olevien lämmönvaihtimien kautta suojarakennuksen ulkopuolella olevaan vesialtaaseen, joka on sama kuin eristyslauhduttimen lämmönvaihtimilla. Suojarakennuksesta purkautuva höyry lauhtuu lämmönvaihtimissa ja valuu painovoiman vaikutuksesta takaisin matalapaineisen hätäjäähdytysjärjestelmän altaisiin. Suojarakennuksen ulkopuolisessa vesialtaassa riittää vettä 72 tunnin lämmönpoistoa varten, jonka jälkeen vettä on lisättävä. Järjestelmä toimii siis täysin passiivisesti ensimmäiset 3 vuorokautta. Lämpöä voidaan poistaa suojarakennuksesta myös ruiskutusjärjestelmän kautta. Vakavassa onnettomuudessa tapahtuvan zirkoniumin oksidoitumisen ja vedynkehityksen takia suojarakennuksen happipitoisuus pidetään normaalikäytössä alle kolmessa prosentissa. Näin estetään vetyräjähdys vakavan onnettomuuden sattuessa. (Fortum, 64 65.) 2.6 AES2006 AES2006 on venäläisen Atomstroiexportin suunnittelema painevesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona Fortumin suunnitelmissa. Siitä on olemassa kaksi versiota, joista toinen pohjautuu VVER-91/99 laitoskonseptiin, ja toinen AES-92 konseptiin. Fortumin tarkastelema AES2006-laitos perustuu VVER-91/99 konseptiin. VVER-91/99 laitoksia on tehokäytössä Kiinan Tianwanissa kaksin kappalein, sekä Pietarin lähistölle Sosnovyi Borin voimalaitokselle rakennetaan kahta AES2006 -yksikköä. Laitos on tyypiltään evoluutiolaitos, eli se perustuu pääosin vanhoihin, hyväksi havaittuihin teknisiin

21 ratkaisuihin. Lisäksi laitos hyödyntää muutamia passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. (Fortum, 54.) 2.6.1 Perustekniikka AES2006 on lämpöteholtaan 3200 MW ja sähköteholtaan 1200 MW painevesireaktori. Sen primääripiirissä on neljä kiertopiiriä ja höyrystimet ovat vaakasuorat. Painevesireaktorille tyypilliseen tapaan säätösauvakoneisto sijaitsee painesäiliön yläpuolella. (Fortum, 54.) 2.6.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus Reaktorin reaktiivisuuden ja tehon hallitsemiseksi reaktorin sydän suunnitellaan sellaiseksi, että nopeat reaktiivisuusmuutokset aikaansaavat nopean tehon laskun, eli hyödynnetään ns. negatiivisia takaisinkytkentöjä. Aktiiviseen tehon säätöön AES2006- laitoksessa on olemassa kaksi toisistaan riippumatonta järjestelmää. Säätösauvajärjestelmällä hallitaan sekä häiriötilanteiden nopeita reaktiivisuusmuutoksia että normaalikäytön tehonsäätöä. Normaalikäytössä säätösauvoja liikutellaan sähkömagneettisin kytkimin, joiden avaaminen aktiivisesti tai sähkö- tai signaalivian seurauksena pudottaa säätösauvat reaktoriin aiheuttaen pikasulun. Lisäksi tehonsäätöön käytetään normaalikäytön boorijärjestelmää, jota käytetään pääasiassa polttoaineen palamasta johtuvan reaktiivisuusmuutoksen kompensointiin käyttöjakson aikana. Boorijärjestelmä muuttaa primääripiirin jäähdytysveden booripitoisuutta, jolla voidaan säätää hitaista reaktiivisuusmuutoksista aiheutuva tehonmuutos. Reaktorin sammuttaminen suoritetaan häiriötilanteessa ensisijaisesti säätösauvoilla. Mikäli niiden pudottaminen reaktoriin ei onnistu, ketjureaktio pysäytetään riippumattomalla hätäboorausjärjestelmällä, joka syöttää primääripiiriin väkevää booriliuosta. Sen kapasiteetti on 4 * 50 %. (Fortum, 54 55.)

22 2.6.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalissa tehoajossa reaktorin tuottama lämpö poistetaan höyrystimien kautta sekundääripiiriin, jonka vettä lämpö höyrystää. Kiertopiirejä ja höyrystimiä on neljä kappaletta. Höyry viedään turbiinin läpi lauhduttimiin, joista lämpö siirtyy lämpönieluna toimivaan meriveteen. Tarvittaessa, kuten ylös- ja alasajojen aikana, höyry voidaan myös viedä lauhduttimiin turbiinin ohi. Kylmien seisokkitilojen (matala paine ja lämpötila) jälkilämmönpoistojärjestelmä siirtää lämmön suoraan primääripiiristä mereen. Jälkilämmönpoistojärjestelmän kapasiteetti on 4 * 100 %. Korkeassa paineessa jälkilämpö poistetaan primääripiiristä höyrystimien kautta, joihin syötetään vettä tilanteen mukaan joko pää- tai apusyöttövesijärjestelmällä. Mikäli näistä kumpikaan ei toimi, höyrystimien vesi otetaan hätäsyöttövesijärjestelmästä. Vaihtoehtona on myös sekundääripiirin paineenalennus ulospuhallusventtiileillä tai höyrystimen passiivisen jälkilämmönpoistojärjestelmän käyttö. Passiivinen jälkilämmönpoistojärjestelmä koostuu suojarakennuksen ulkopuolella sijaitsevasta vesialtaista ja niihin upotetuista lämmönvaihtimista, jotka ovat yhteydessä höyrystimiin. Höyrystimistä vapautuva höyry lauhtuu lämmönvaihtimissa ja valuu painovoiman vaikutuksesta takaisin höyrystimeen. Järjestelmä on muuten passiivinen, mutta sen käynnistäminen vaatii aktiivisia toimenpiteitä. Passiivisen jälkilämmönpoistojärjestelmän kapasiteetti on 4 * 33 %, ja suojarakennuksen ulkopuolisessa vesialtaassa riittää vettä 24 tunnin jälkilämmönpoistoon, jonka jälkeen vettä on lisättävä. (Fortum, 55 56.) 2.6.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Primääripiirin vaurioitumista varten on olemassa hätäjäähdytysjärjestelmä, joka jaetaan neljään rinnakkaiseen ja erilliseen osajärjestelmään. Näistä kukin koostuu välipaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä, paineakusta ja matalapaineisesta hätäjäähdytysjärjestelmästä. Kunkin osajärjestelmän kapasiteetti on 100 % suuren primääripiirin putken katkeamisen aiheuttamasta jäähdytystarpeesta. Primääripiirin pienen vuodon (paine ei laske onnettomuuden seurauksena) varalle laitoksella on eri tapoja alentaa primääripiirin paine riittävän alhaiseksi, jotta hätäjäähdytysjärjestelmät voivat toimia. Ensisijainen tapa alentaa

23 primääripiirin paine on jäähdyttää sitä sekundääripiirin kautta. Mikäli höyrystimet eivät ole käytettävissä tai lämmönsiirto sekundääripiiriin ei muusta syystä onnistu, primääripiirin paine alennetaan paineistimen ulospuhalluslinjan kautta. Linjassa on kolme rinnakkaista pakko-ohjattua venttiiliä joista jokaisen kapasiteetti on 100 % paineenalennuksen vaatimasta kapasiteetista. Laitoksen suojarakennus on tärkeä leviämiseste vakavan onnettomuuden sattuessa. AES2006-laitoksen suojarakennus on kaksinkertainen, joista ulompi kuori on suunniteltu kestämään suuren matkustajalentokoneen törmäys. Sisempi teräsbetonirakenne on tehty teräsvuorauksella kaasutiiviiksi, ja sen tarkoituksena on eristää vakavassa onnettomuudessa vapautuvat radioaktiiviset aineet ympäristöstä. Vakavien onnettomuuksien varalta laitokselle tehdään myös sydänsieppari, jonka tarkoituksena on estää sydänsulan pääsy kosketuksiin suojarakennuksen kantavien rakenteiden kanssa. Sydänsiepparissa käytetään uhrimateriaalina rauta- ja alumiinioksidia, jotta sydänsulan koostumus saataisiin sellaiseksi, että sitä on helpompaa jäähdyttää. Varsinainen sieppari on teräsrakenne, jota voidaan jäähdyttää sekä ulkopuolelta boorivesisäiliöistä saatavalla vedellä tai suoraan sydänsulan päälle laskettavalla reaktorin sisäosien tarkastuskuilun vedellä. Jotta suojarakennuksen paine ei nousisi liian korkeaksi, on sieltä poistettava onnettomuustilanteessa lämpöä. Tätä tarkoitusta varten laitoksella on suojarakennuksen ruiskutusjärjestelmä, joka lauhduttaa ilmassa olevaa höyryä, sitoo radioaktiivisia aineita ja siirtää reaktorista ja sen jäänteistä lämpöä suojarakennuksen ulkopuolelle. Ruiskutusjärjestelmän kapasiteetti on 4 * 50 %. Suojarakennuksella on myös passiivinen lämmönpoistojärjestelmä, joka ei riipu lainkaan aktiivisen järjestelmän (ruiskutus) toiminnasta. Passiiviseen lämmönpoistojärjestelmään kuuluu lämmönvaihtimet, jotka sijaitsevat samoissa suojarakennuksen ulkopuolisissa vesialtaissa kuin höyrystimien passiivisen jälkilämmönpoistojärjestelmän lämmönvaihtimet. Ulkopuoliset lämmönvaihtimet ovat yhteydessä suojarakennuksen ylätilassa oleviin lämmönvaihtimiin, jossa olevan veden onnettomuudessa vapautunut lämpö hiljalleen höyrystää. Höyry nousee luonnonkierron avulla suojarakennuksen ulkopuoliseen lämmönvaihtimeen, jossa se lauhtuu takasin vedeksi, ja palaa suojarakennukseen. Passiivisen suojarakennuksen

24 lämmönpoistojärjestelmän kapasiteetti on 4 * 33 %, ja se on käytössä jatkuvasti, vaikka aktiivinen järjestelmäkin olisi käytettävissä tai tilanne ei vaatisi välttämättä lämmönpoistoa suojarakennuksesta. Vakavassa onnettomuudessa vapautuvan vedyn hallitsemiseksi suojarakennuksessa on passiiviset katalyyttiset vedynpolttimet. (Fortum, 56-57.) 2.7 SWR 1000 SWR 1000 on Areva NP:n kehittämä kiehutusvesireaktori, joka on laitosvaihtoehtona Fennovoiman suunnitelmissa. Laitoksen kehitystyön aloitti Siemens yhteistyössä saksalaisten voimayhtiöiden kanssa, ja myöhemmin Siemensin ja Framatomen yhdistyttyä Areva NP:ksi SWR 1000:n kehityksessä keskityttiin passiivisiin turvallisuusjärjestelmiin. Suuri osa laitoksen tärkeimmistä turvallisuusjärjestelmistä toimiikin ilman ulkoista käyttövoimaa. Suomeen suunnitellun laitoksen referenssilaitoksena toimii Gundremmingen C, joka otettiin käyttöön vuonna 1985. Laitokset ovat normaaliajon prosessitekniikaltaan vastaavat, mutta Gundremmingen C:n turvallisuusjärjestelmät ovat aktiivisia. Mikäli Fennovoima valitsee SWR 1000:n laitostyypiksi, se aikoo ensisijaisesti rakentaa laitoksia kaksi yksikköä. (Fennovoima, 271.) 2.7.1 Perustekniikka SWR 1000 on perustekniikaltaan ja prosessiltaan lähes samanlainen kuin olemassa olevat kiehutusvesilaitokset, mutta sen ensisijaiset turvallisuusjärjestelmät ovat aiemmista laitoksista poiketen omavoimaisia. Kaikki höyrynkehitykseen tarvittavat rakenteet sekä pääkiertopumput ovat sijoitettuna reaktorin painesäiliön sisään. Reaktorin tuottama lämpöteho on noin 3370 MW ja sähköteho noin 1250 MW. Polttoaineniput ovat neliöhilaan koteloituja 12 * 12 tyyppisiä, ja hieman nykyisiä kiehutusvesireaktorien nippuja suurempi poikkileikkaukseltaan. Vastaavasti reaktorin sydän on totuttua matalampi. Nippuja on reaktorissa 664 kappaletta, ja säätösauvoja 157. Säätösauvat

25 sijaitsevat kiehutusvesireaktorille tyypillisesti painesäiliön alapuolella. Laitoksen reaktorirakennuksen poikkileikkaus on esitetty kuvassa (5). (Fennovoima, 272-273.) Kuva 5. Areva NP:n SWR 1000 kiehutusvesilaitoksen reaktorirakennus. (Fennovoima, 272.) 2.7.2 Reaktiivisuuden hallinta ja reaktorin sammutus Reaktorisydämen nopeita tehonvaihteluita kontrolloidaan säätösauvoilla. Normaalitilanteen tehonsäädössä säätösauvoja siirrellään sähkömoottorein, mutta häiriötilanteen laukaisemassa pikasulussa sauvat painetaan muutamassa sekunnissa sydämeen vesihöyrypaineisella vesihydrauliikalla. Hydrauliikan pettäessä sauvat voidaan ajaa sydämeen myös sähkömoottorein, mutta se on hitaampaa. Mikäli säätösauvat eivät ole lainkaan käytettävissä, ketjureaktio pysäytetään ruiskuttamalla sydämeen höyrynpaineen avulla väkevää booriliuosta. Sekä säätösauvojen hydrauliikassa että booriruiskutuksessa käytetään typpipaineen sijasta paineistettua vesihöyryä, jottei reaktoriin pääsisi missään tapauksessa lauhtumattomia kaasuja, jotka vaikeuttaisivat jäähdytteen kiertoa. Säätösauvat mitoitetaan niin, että reaktori saadaan alikriittiseksi, vaikka yksi sauvoista jäisi sydämen ulkopuolelle. Boorijärjestelmän kapasiteetti on 2 * 100 %. (Fennovoima, 273 274.)

26 2.7.3 Reaktorin jäähdytys ja jälkilämmön poisto Normaalissa tehoajossa reaktorin tuottama lämpöteho siirretään sen tuottaman höyryn mukana turbiinin kautta lauhduttimeen, josta se palautetaan syöttövesijärjestelmällä takaisin reaktoriin. Lämpönieluna toimii lauhdutinta jäähdyttävä merivesi. Lievissä häiriötilanteissa turbiini voidaan ohittaa, jolloin höyry viedään suoraan lauhduttimeen. Reaktorin tuottama jälkilämpö poistetaan ensisijaisesti matalapaineisen hätäjäähdytysjärjestelmän avulla välipiirin kautta mereen. Järjestelmän kapasiteetti on 2 * 100 %. Mikäli matalapaineinen hätäjäähdytysjärjestelmä ei ole käytettävissä, jälkilämpö voidaan poistaa passiivisella hätäjäähdytyslauhduttimella. Ne koostuvat reaktorirakennuksen ylemmässä kuivatilassa oleviin vesialtaisiin upotetuista lämmönvaihtimista, jotka toimivat täysin ilman ulkoista käyttövoimaa. Järjestelmän kapasiteetti on 4 * 50 %. (Fennovoima, 274 276.) 2.7.4 Reaktorin hätäjäähdytys ja vakavien onnettomuuksien hallinta Vakavassa häiriö- tai onnettomuustilanteessa reaktorin lämpö siirretään joko puhallusventtiileillä tai hätäjäähdytyslauhduttimilla yläkuivatilan vesialtaisiin. Ajan kuluessa altaissa oleva vesi alkaa kiehua, ja suojarakennuksen kaasutilavuus alkaa täyttyä höyrystä. Ylipaineistumisen estämiseksi suojarakennuksessa on suojarakennuksen jäähdytyslauhdutin, joka siirtää lämpöä suojarakennuksesta sen ulkopuolella sijaitseviin vesialtaisiin. Suojarakennuksen jäähdytyslauhduttimen kapasiteetti on 4 * 50 %. Mahdollisen primääripiirin putken katkon seurauksena syntyvä nopea paineennousu ajaa höyryvirtauksen avoimien kanavien läpi reaktorirakennuksen lauhdutusaltaaseen, jossa se lauhtuu takaisin vedeksi. Sekä yläkuivatilan vesialtaita että lauhdutusallasta voidaan jäähdyttää matalapaineisella hätäjäähdytysjärjestelmällä, josta lämpö saadaan siirrettyä mereen. Onnettomuustilanteissa erittäin tärkeä reaktorin paineenalennus on toteutettu kahdeksalla puhallus- ja varoventtiilillä, jotka toimivat kahdella eri toimintaperiaatteella. SWR 1000:n passiiviset hätäjäähdytysjärjestelmät koostuvat jo aiemmin mainitusta hätäjäähdytyslauhduttimesta, joka toimii jälkilämmönpoiston lisäksi korkeapaineisena hätäjäähdytysjärjestelmänä, sekä painovoimaisesta tulvituksesta, joka ottaa vetensä

27 yläkuivatilan vesialtaista. Molemmat järjestelmät toimivat täysin ilman ulkoista käyttövoimaa tai signaalia. Vakavien onnettomuuksien varalta SWR 1000:ssa ei ole erillistä sydänkaapparia, vaan sydänsula pidätetään painesäiliön sisällä, jota jäähdytetään tulvittamalla reaktorikuoppa yläkuivatilan vedellä. Onnettomuudessa vapautuvan vedyn syttyminen on estetty pitämällä suojarakennuksessa typpi-ilmakehä. Suojarakennus on teräsvuorattu teräsbetonirakennelma, jota ei esijännitetä. Ulkoisen törmäyksen mitoitusperustana on käytetty suuren matkustajalentokoneen törmäystä. (Fennovoima, 274 279.) 3. LAITOSTYYPPIEN VERTAILU Laitostyyppien vertailu on jaettu kolmeen osaan. Ensin käydään läpi laitosten perusominaisuuksia, kuten tuotettu sähköteho ja reaktorin tyyppi. Erikseen vertaillaan laitosten turvallisuusjärjestelmiä sekä passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Perusominaisuuksien vertailussa kaikki laitokset käsitellään yhdessä, mutta turvallisuusjärjestelmien vertailussa laitokset jaetaan painevesireaktoreihin ja kiehutusvesireaktoreihin. 3.1 Perusominaisuudet Ydinvoimalan ensisijaisena tarkoituksena on tuottaa sähköä joko myytäväksi tai laitoksen omistajien käyttöön. Laitosten reaktorityyppi, lämpöteho, sähköteho ja sähköntuotannon hyötysuhde on esitetty taulukossa (1). Hyötysuhde on suuntaa-antava, laitosten tuottaman sähkö- ja lämpötehon määrä on tässä vaiheessa vielä alustava. Mikäli laitoksen teholukema on ilmoitettu arvovälinä, hyötysuhteen laskemiseksi on käytetty välin keskiarvoa. Taulukko 1. Laitosten tuottama teho ja hyötysuhde Laitos [-] Reaktorityyppi [-] Lämpöteho [MW] Sähköteho [MW] Hyötysuhde [%] ABWR BWR 4300 1600 1650 37,8 EPR PWR 4590 1700 37,0 APWR PWR 4450 1650 37,1 APR 1400 PWR 4000 1450 36,3

28 ESBWR BWR 4500 1650 36,7 AES 2006 PWR 3200 1200 37,5 SWR 1000 BWR 3370 1250 37,1 Laitoksista kolme on tyypiltään kiehutusvesireaktoreja ja loput neljä ovat painevesireaktoreja. Sähköteholtaan laitokset on jaettavissa kolmeen ryhmään. Laitoksista neljä tuottaa sähkötehoa 1600 1700 MW, kaksi 1200 1250 MW ja APR 1400 on teholtaan keskiluokkaa, tuottaen 1450 MW. Kaikki laitokset ovat teholtaan huomattavasti suurempia kuin Suomen nykyiset käynnissä olevat reaktorit. Ydinvoimaloiden pitkä lupamenettely ja myönnettävien rakentamislupien määrän vähäisyys puoltaa suurten laitosten rakentamista. Sähköntuotannon hyötysuhteeltaan laitokset ovat melko tasaisia, ja prosentin kymmenesosien ero vertailun tässä vaiheessa mahtunee epävarmuusrajojen sisään. ESBWR:n hyötysuhde jää silti yllättävän matalaksi ollen toisiksi alhaisin, vaikka reaktorin jäähdytekierto toimii luonnonkierrolla ilman suuritehoisia kiertopumppuja. Vertailun neljä PWR laitosta eroavat höyrystinpiireiltään hieman. EPR:ssä kiertopiirejä on neljä kappaletta, ja höyrystimet ovat pystysuorat. Samaa ratkaisua käytetään myös APWR:ssä. AES2006 poikkeaa tästä siten, että siinä höyrystimet ovat sijoitettu vaakatasoon, kuten Loviisan käynnissä olevissa VVER-440 laitoksissakin. Kiertopiirejä on siinäkin neljä kappaletta. APR 1400 laitoksessa pääkiertopiirejä on vain kaksi kappaletta, joten pystymallisten höyrystimien on oltava todella suuria. Hieman erikoisesti pääkiertopiirissä on yhtä piiriä kohti kaksi kylmää haaraa. Painevesilaitosten tehonsäätö on toteutettu kaikissa neljässä laitostyypissä identtisesti. Säätösauvoilla säädetään nopeita reaktiivisuusmuutoksia, kun taas primääripiirin booripitoisuutta muuttamalla kompensoidaan latausjakson alussa sydämessä olevaa ylijäämäreaktiivisuutta. Kiehutusvesilaitoksissa tehonsäädössä on hieman eroja. ABWR edustaa perinteistä linjaa, jossa tehon hitaasta säädöstä huolehditaan reaktorin pääkiertopumpuilla muuttamalla reaktorin läpi virtaavan jäähdytteen määrää. ESBWR:ssä tehoa ei voida näin säätää, sillä jäähdytteen kierto tapahtuu passiivisesti luonnonkierrolla. Siellä tehonsäätö tapahtuu syöttöveden lämpötilaa muuttamalla. Painevesilaitosten tapaan nopeat tehonsäädöt on toteutettu säätösauvoilla kaikissa laitostyypeissä.