Toriumin käyttömahdollisuudet ydinvoiman polttoaineena
Rouhu, Antti (2021)
Rouhu, Antti
2021
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2021-05-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105134923
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202105134923
Tiivistelmä
Torium on fertiili raskasmetallinen alkuaine. Siitä saatavan fissioenergian hyötykäytöllä olisi mahdollisuuksia vastata nykypäivän moninaisiin energiantuotannon puhtauden, turvallisuuden ja alati kasvavien tuotantomäärien synnyttämiin haasteisiin sekä tavoitteisiin. Tämän kandidaatintyön tavoitteena oli perehtyä näihin toriumvoimaan liittyviin mahdollisuuksiin ja selvittää, kuinka merkittäviä etuja se tuo nykypäivänä käytössä olevaan uraanipohjaiseen ydinvoimaan verrattuna. Työssä oli myös tarkoituksena selvittää, minkälaiset reaktoriteknologiat soveltuvat toriumista saatavan energiasisällön jalostamiseen. Lisäksi tilannekuvan kartoitus maailmanlaajuisesta tutkimus- ja kehitystyön kulusta sekä tulevaisuuden näkymistä oli osana työn tavoitetta. Luonteeltaan työ oli kirjallisuuskatsaus saatavilla olevaan englanninkieliseen tutkimusmateriaaliin aiheesta.
Toriumia esiintyy maailmanlaajuisesti maaperässä 3–4-kertaisesti uraaniin verrattuna. Energiasisällöltään torium on hyvin rikasta: työstä saatujen laskelmien perusteella toriumilla pystyttäisiin kattamaan omavaraisesti koko Suomen valtakunnallinen energiankulutusmäärä yli 6500 vuoden ajaksi vuoden 2019 kulutustasolla. Alkuaineominaisuuksien perusteella toriumin hyödyntäminen mahdollistaa nykyistä tehokkaamman sekä kestävämmän ydinvoiman polttoainekäytön. Toriumpolttoaineen käytöllä voidaan minimoida monella eri tapaa fissioreaktioon liittyviä ydinturvallisuusriskejä: Polttoaineen sisäiset ominaisuudet ehkäisevät fissioreaktion hallitsemattoman kiihtymisen ydinreaktorissa. Ydinaseiden valmistus toriumin ydinjätteestä on huomattavasti nykyistä vaikeampaa. Lisäksi syntyvän ydinjätteen määrä sekä sen radioaktiivisuuden taso ovat merkittävästi pienempiä kuin tavanomaisessa uraanikäyttöisessä ydinvoimalassa.
Vaikka toriumin fertiili luonne on ydinturvallisuutta parantava tekijä, fertiiliys tuo myös merkittävän haasteen toriumin käytettävyyteen. Tästä johtuen suurin osa reaktorimalleista vaatii ulkopuolisen fissiilin materian, kuten uraani-235:n tai plutonium-239:n käytön fissioreaktion alulle panijana. Lisäksi haasteita polttoaineen valmistusprosessiin tuovat toriumdioksidin poikkeuksellisen korkea sulamislämpötila ja valmistusprosessissa syntyvän protaktiniumin verrattain pitkä 27 vuorokauden puoliintumisaika. Toriumin kaupallisesta polttoainekäytöstä ei ole vielä kokemusta, joten teknologian valmistumiseksi tarvitaan merkittävästi investointipääomaa. Haasteista huolimatta viime vuosina on käynnistynyt useita eri projekteja lopullisena tavoitteenaan toriumenergiaa hyödyntävän ydinteknologian kaupallinen käyttö.
Toriumin soveltuvuutta moniin erilaisiin ydinreaktoreihin on tutkittu eri puolilla maailmaa. Tutkimustulosten perusteella toriumin polttoainekierto soveltuu hyvin laajasti erilaisille reaktorikonfiguraatioille. Toriumpolttoaineen hyödyntäminen nykyään laajalti käytössä olevissa kevyt- ja raskasvesireaktoreissa olisi mahdollista jo pieniä laitemuunnoksia tekemällä. Kuitenkin erityisesti 4. sukupolven uudet toriumvoimalat, kuten sulasuolareaktori ja kiihdytinreaktori, voisivat saada taakseen laajaa poliittista hyväksyntää nykyisestä ydinvoimaan liitetystä negatiivisesta imagosta huolimatta. Nämä reaktorimallit tarjoaisivat ylivertaista suorituskykyä, turvallisuustasoa ja mukautuvuutta uusien ydinpolttoaineiden käyttöön. Samalla olisi mahdollista saavuttaa jopa aiempaa pienemmät voimalaitoksen rakentamiskustannukset.
Kansainvälisten toimijoiden tekemien arvioiden perusteella ensimmäisiä toriumkäyttöisiä ydinvoimaloita voitaisiin nähdä parhaimmillaan 2030-luvulla. Kuitenkin vasta onnistuneen kaupallisen toriumvoimalan käyttöönoton, tai vaihtoehtoisesti uraanin ja plutoniumin hintojen kohoamisen myötä toriumvoimalla olisi realistia mahdollisuuksia nousta merkittäväksi puhtaan energiantuotannon vaihtoehdoksi. Suomalaiset tahot ovat tiettävästi pysyneet sivussa tutkimus- ja kehitysprojekteihin osallistumisesta. Työssä ehdotettiin kotimaisten tahojen osallistumista esimerkiksi pohjoismaisiin hankkeisiin, jotta maallamme olisi tulevaisuudessa paremmat edellytykset omavaraisen energiantuotannon kehittämiseen uusia teknologioita hyödyntämällä.
Toriumia esiintyy maailmanlaajuisesti maaperässä 3–4-kertaisesti uraaniin verrattuna. Energiasisällöltään torium on hyvin rikasta: työstä saatujen laskelmien perusteella toriumilla pystyttäisiin kattamaan omavaraisesti koko Suomen valtakunnallinen energiankulutusmäärä yli 6500 vuoden ajaksi vuoden 2019 kulutustasolla. Alkuaineominaisuuksien perusteella toriumin hyödyntäminen mahdollistaa nykyistä tehokkaamman sekä kestävämmän ydinvoiman polttoainekäytön. Toriumpolttoaineen käytöllä voidaan minimoida monella eri tapaa fissioreaktioon liittyviä ydinturvallisuusriskejä: Polttoaineen sisäiset ominaisuudet ehkäisevät fissioreaktion hallitsemattoman kiihtymisen ydinreaktorissa. Ydinaseiden valmistus toriumin ydinjätteestä on huomattavasti nykyistä vaikeampaa. Lisäksi syntyvän ydinjätteen määrä sekä sen radioaktiivisuuden taso ovat merkittävästi pienempiä kuin tavanomaisessa uraanikäyttöisessä ydinvoimalassa.
Vaikka toriumin fertiili luonne on ydinturvallisuutta parantava tekijä, fertiiliys tuo myös merkittävän haasteen toriumin käytettävyyteen. Tästä johtuen suurin osa reaktorimalleista vaatii ulkopuolisen fissiilin materian, kuten uraani-235:n tai plutonium-239:n käytön fissioreaktion alulle panijana. Lisäksi haasteita polttoaineen valmistusprosessiin tuovat toriumdioksidin poikkeuksellisen korkea sulamislämpötila ja valmistusprosessissa syntyvän protaktiniumin verrattain pitkä 27 vuorokauden puoliintumisaika. Toriumin kaupallisesta polttoainekäytöstä ei ole vielä kokemusta, joten teknologian valmistumiseksi tarvitaan merkittävästi investointipääomaa. Haasteista huolimatta viime vuosina on käynnistynyt useita eri projekteja lopullisena tavoitteenaan toriumenergiaa hyödyntävän ydinteknologian kaupallinen käyttö.
Toriumin soveltuvuutta moniin erilaisiin ydinreaktoreihin on tutkittu eri puolilla maailmaa. Tutkimustulosten perusteella toriumin polttoainekierto soveltuu hyvin laajasti erilaisille reaktorikonfiguraatioille. Toriumpolttoaineen hyödyntäminen nykyään laajalti käytössä olevissa kevyt- ja raskasvesireaktoreissa olisi mahdollista jo pieniä laitemuunnoksia tekemällä. Kuitenkin erityisesti 4. sukupolven uudet toriumvoimalat, kuten sulasuolareaktori ja kiihdytinreaktori, voisivat saada taakseen laajaa poliittista hyväksyntää nykyisestä ydinvoimaan liitetystä negatiivisesta imagosta huolimatta. Nämä reaktorimallit tarjoaisivat ylivertaista suorituskykyä, turvallisuustasoa ja mukautuvuutta uusien ydinpolttoaineiden käyttöön. Samalla olisi mahdollista saavuttaa jopa aiempaa pienemmät voimalaitoksen rakentamiskustannukset.
Kansainvälisten toimijoiden tekemien arvioiden perusteella ensimmäisiä toriumkäyttöisiä ydinvoimaloita voitaisiin nähdä parhaimmillaan 2030-luvulla. Kuitenkin vasta onnistuneen kaupallisen toriumvoimalan käyttöönoton, tai vaihtoehtoisesti uraanin ja plutoniumin hintojen kohoamisen myötä toriumvoimalla olisi realistia mahdollisuuksia nousta merkittäväksi puhtaan energiantuotannon vaihtoehdoksi. Suomalaiset tahot ovat tiettävästi pysyneet sivussa tutkimus- ja kehitysprojekteihin osallistumisesta. Työssä ehdotettiin kotimaisten tahojen osallistumista esimerkiksi pohjoismaisiin hankkeisiin, jotta maallamme olisi tulevaisuudessa paremmat edellytykset omavaraisen energiantuotannon kehittämiseen uusia teknologioita hyödyntämällä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8799]