Ydinjätteen jalostaminen energiaksi

Abstract

Nykyisten konventionaalisten ydinreaktoreiden keskeisenä ongelmana on tehoton polttoainetalous sekä muodostuva radioaktiivinen ydinjäte. Hyödyntämättömän energiapotentiaalin lisäksi ydinjätteen ongelmana ovat valtavat käsittely- ja loppusijoituskustannukset.

Tämä kirjallisuusselvityksenä tehty kandidaatintyö käsittelee ydinvoimalaitoksissa muodostuvan ydinjätteen energiahyödyntämisen mahdollisuuksia. Pääasiallisena tavoitteena oli muodostaa kattava kokonaiskuva ydinjätteen ongelmista, sen käsittely- ja hyödyntämismenetelmistä. Lisäksi tutkittiin hyödyntämiseen tarvittavan teknologian haasteita ja tulevaisuuden potentiaalia.

Nykyisellä uraanin ja plutoniumin kierrätyksellä pystytään ydinjätteestä kierrättämään viidesosa. Tulevaisuudessa kehittyneiden ydinjätteen käsittelymenetelmien ja nopean energiaspektrin reaktoreiden, kuten hyötöreaktoreiden ja kiihdytinpohjaisten reaktoreiden, ansiosta polttoaineesta voidaan hyödyntää jopa yli 80 prosenttia nykyisen alle prosentin sijaan. Useat ydinvoimamaat, kuten Yhdysvallat ja Iso-Britannia, pystyisivät kattamaan koko maan sähköntarpeen sadoiksi vuosiksi hyödyntämällä ydinjätevarantonsa nopeiden reaktoreiden avulla. Loppusijoitettavan jätteen sijoitusaika on vain satoja vuosia, kun konventionaaliselle ydinjätteelle loppusijoitusaika on satoja tuhansia vuosia.

Ydinjätteen käsittelyssä merkittävimmät vaihtoehdot ovat veteen perustuva PUREX sekä pyrometallurginen menetelmä. Vuosikymmeniä käytössä ollut PUREX, tulee pysymään pitkään merkittävimpänä menetelmänä, mutta haasteena on sen alhainen tehokkuus ja muodostuvat nestemäiset jätteet. Kehitystyön alla olevan pyrometallurgian etuna on tehokkaampi nuklidien erottelukyky sekä prosessin hyvin korkea säteilynsietokyky. Ydinjätettä hyödyntävästä nopeasta reaktoritekniikasta potentiaalisena pidetään metallijäähdytteisiä reaktoreita, niiden hyvän transmutatoimiskyvyn ansiosta. Sulasuolareaktorin etuna on sen kustannussäästöjä tuova yhteensopivuus purometallurgisen käsittelyprosessin kanssa. Kaasujäähdytteisen reaktorin vahvuutena taas pidetään sen säteilyturvallisuutta.

Suurimpana esteenä ydinpolttoainevarojen tehokkaalle hyödyntämiselle on uraanin runsas esiintyvyys ja edullinen hinta. Tarvittava teknologia on niin kallista ja monimutkaista, että toistaiseksi kannattavampaa on ollut avoin polttoainekierto, jossa käytön jälkeen radioaktiivinen ydinpolttoaine loppusijoitetaan. Monet käsittely- ja reaktoriteknologiat ovat vasta kehitysasteella ja suurin haaste onkin tutkimus- ja kehitystyössä. Neljännen sukupolven reaktorit tulevat todennäköisesti yleistymään hitaasti vasta 2030-luvun jälkeen. Nykyisellä kustannustasolla hyödynnettävät uraanivarat tulevat riittämään alle sata vuotta, minkä takia ydinpolttoaineresurssien tehokkaampi hyödyntäminen tulee olemaan elintärkeää jo tulevina vuosikymmeninä.