Harva tietää, että Suomessakin ydinvoimaloiden turbiineihin täytyy pumpata pieniä määriä rakettipolttoainetta ruostesuoja-aineeksi. Voimaloiden vesikemian hallinta erityisesti pwr-laitoksissa on tarkkaa puuhaa. Otimme selvää, miten se tehdään.
Viikonlopun kunniaksi T&T julkaisee uudelleen parhaita lukemistojuttuja. Tämä artikkeli on julkaistu alun perin tammikuussa 2024.
Uraani halkeaa ja tuottaa lamppuun valkeaa. Tämän seikan ydinvoimaloista tietävät kaikki, mutta paljon harvempi on kuullut, miten paljon ja tarkkaa kemiallisten olosuhteiden hallintaa ydinvoimalan toiminta edellyttää. Se koskee erityisesti painevesityyppisiä laitoksia (pwr), kuten Suomessa Loviisaa ja Olkiluodon kolmosreaktoria.
Pwr-voimaloiden reaktoriin ja turbiineihin pumpattava vesi nimittäin ei ole sataprosenttisen puhdasta, vaan siihen on liuotettu useita välttämättömiä lisäaineita. Niitä tarvitaan yhtäältä ruosteenestoaineiksi ja toisaalta ydinreaktion nopeuden säätelyyn, eivätkä voimalat toimisi oikein ilman niiden apua.
Kovin suurista määristä ei ole kyse, sillä lisäaineiden pitoisuudet jäävät enimmilläänkin vain tuhannesosiin eli promilleluokkaan. Yleensä kyse on miljoonasosista, joskus jopa miljardisosista. Näinkin vähäiset määrät kuitenkin hidastavat merkittävästi korroosiota ja vaikuttavat ydinfissioihin.
Osa lisäaineista on melko arkipäiväisiä, mutta toiset eksoottisempia. Esimerkiksi pwr-reaktorien turbiineissa hapenpoistoaineena eli antioksidanttina käytettävä hydratsiini (N2H4) tunnetaan ydinvoima-alan ulkopuolella muun muassa rakettipolttoaineena.
Kiehutusvesireaktorit (bwr, Suomessa OL1 ja OL2) ovat ydinvoimaloiden toinen yleinen tyyppi painevesireaktorien ohella. Niissä reaktorin läpi virtaava vesi on yleensä puhdasta.
Tämä selittyy osaltaan kiehutusvesivoimalan luonteella. Painevesivoimalassa höyrystin on reaktorista erillään, mutta bwr-laitoksissa vesi kiehuu suoraan reaktorissa. Olomuodoltaan kiinteät lisäaineet sakkautuisivat reaktoriin, eikä niitä siksi voida käyttää.
Veden jättäminen puhtaaksi tietenkin yksinkertaistaa asioita, mutta samalla voimalan operaattorille jää vähemmän mahdollisuuksia toiminnan optimointiin ja säätämiseen.
Painevesivoimaloiden primääripiirien vedessä tavanomaisimmat lisäaineet ovat boorihappo, jokin yksinkertainen emäs ja jokin antioksidantti, kertoo VTT:n vanhempi tutkija Konsta Sipilä.
Boorihappoa tarvitaan ydinfissioiden ketjureaktion hienosäätöön, ja emäksellä veden pH-arvo säädetään rakennemateriaaleille edulliseksi. Sekä pH-optimoinnilla että happea saalistavalla aineella pyritään minimoimaan rakennemateriaalien korroosiota.
Koska ydinvoimaloiden vesikemia liittyy suoraan ydinreaktioihin sekä toisaalta korroosiosuojauksen myötä turvallisuuteen, säätelevät niin viranomaiset kuin energiayhtiötkin vesikemian hallintaa tarkasti. Tätä painottavat Sipilä ja käyttökemian ryhmäpäällikkö Sorella Buddas Loviisan voimalat omistavalta Fortumilta.
Emäksenä käytetään länsimaisissa voimaloissa Sipilän mukaan yleensä litiumhydroksidia. Neuvostoliitosta lähtöisin olevissa vver-tyypin reaktoreissa, kuten Loviisassa, emäkset ovat kaliumhydroksidi ja ammoniakki, Buddas jatkaa.
Kaliumhydroksidi (KOH) on vahvasti emäksinen aine, jota myydään kaupoissakin viemärinaukaisua varten.
Happamuuden säädössä tavoitteena on tyypillisesti pH 6,9–7,4, esimerkiksi Loviisassa 7,2. Lukemat eivät ole niin neutraaleita kuin voisi kuvitella, sillä primääripiirin noin 300 °C lämpötilassa pH-asteikko ei ole sama kuin normaalilämpötilassa. Tavoitearvo tarkoittaakin lievästi emäksistä liuosta.
Antioksidantin roolina on poistaa vedestä reaktiivisia happiradikaaleja, jotka voivat altistaa teräspintoja ja polttoainekapselien pintoja korroosiolle. Radikaaleja syntyy veteen, kun reaktorin ydinsäteily hajottaa vesimolekyylejä.
Primääripiirin antioksidanttina toimii vetykaasu, mutta se vaihtelee, miten vety lisätään veteen. Esimerkiksi Loviisassa ammoniakki toimittaa kaksoisroolia. Se osallistuu KOH:n rinnalla happamuuden säätelyyn ja toimii vedyn lähteenä.
”Loviisan primääripiirissä on liuennutta vetyä, joka on muodostunut ammoniakista radiolyysissä. Liuennutta vetyä on noin 30–50 millilitraa litrassa vettä”, Buddas selventää.
Radiolyysi tarkoittaa kemiallisten sidosten hajoamista ydinsäteilyssä.
Joissakin voimaloissa – tyypillisesti länsimaisissa pwr-laitoksissa – vetykaasua puolestaan liuotetaan veteen suoraan. Määrä on samaa suuruusluokkaa kuin mitä Loviisassa muodostuu ammoniakista: 20–30 millilitraa per litra normaalipaineisena kaasuna mitattuna.
Vedyn vähäinen tiheys huomioiden 30 millilitraa per litra tarkoittaa noin 2,5 miljoonasosaa massan mukaan.
Primääripiirin lisäaineista kolmas on boorihappo, jolla säädetään neutronien määrää reaktorisydämessä hitaassa aikamittakaavassa eli kuukaudesta toiseen. Näin täydennetään reaktorin tärkeimpien säätöelementtien eli säätösauvojen toimintaa.
Säätö perustuu boorin isotooppiin B-10, joka imee ydinfissioista syntyviä neutroneita ahnaasti.
Koska boorihapolla muutetaan reaktorin olosuhteita, sen pitoisuutta vedessä ei säilytetä vakiona. Kun reaktori on pakattu tuoretta ydinpolttoainetta täyteen jonkin käyttöjakson aluksi, primääripiirin vesi sisältää booria tyypillisesti 0,12–0,18 prosenttia.
TVO kertoo pitoisuuksien Olkiluoto 3:ssa olevan hieman alemmat, aina alle 0,12 prosenttia. Alempi taso johtunee isotooppirikastuksesta: OL3:n käyttämässä boorihapossa isotoopin B-10 määrää on TVO:n mukaan hieman kasvatettu luonnollisesta.
Kun ydinreaktioissa halkeava uraani-isotooppi U-235 hupenee käyttöjakson loppupuolella, booria poistetaan primääripiirin vedestä. Sitä jää jäljelle vain noin viisi miljoonasosaa.
”Syötämme primääripiiriin laimeampaa boorihappoliuosta. Vastaava määrä primääripiirin vettä poistetaan keräyssäiliöön käsiteltäväksi”, Buddas kertoo booripitoisuuden hallinnasta Loviisassa.
Käsittely tarkoittaa väkevöintiä höyrystämällä ja väkevämmän boorihappoliuoksen kierrättämistä talteen odottamaan myöhempää käyttöä tai jatkokäsittelyä.
0,12 massaprosenttia booria alkuaineen mukaan laskettuna vastaa vajaata 0,7 prosenttia boorihappoa (H3BO3). Viisi miljoonasosaa booria on puolestaan vajaat 30 miljoonasosaa boorihappoa.
Koska boorihappo ja hydroksidit ovat kiinteitä, kiehutusvesireaktoriin ne eivät sovi. Boori tuottaisi ongelmia myös siksi, että bwr-laitokset on suunniteltu toimimaan ilman sitä. Reaktorin säätö hoidetaan ainoastaan säätösauvoilla.
Sen sijaan vedyn lisäys korroosiosuojaksi on mahdollista, eli vetyyn perustuva vesikemiavaihtoehto bwr-reaktoreille on olemassa, Sipilä sanoo.
Edellä mainittujen kolmen tärkeimmän lisäaineen ohella tämän vuosituhannen puolella on enenevässä määrin otettu käyttöön neljäs: sinkki-ioni, jota lisätään veteen sinkkiasetaattina muutama miljardisosa.
”Se vähentää primääripuolella säteilytasoja, koska neutronisäteilyn aktivoimia korroosiotuotteita liukenee rakennemateriaalien pinnalta jäähdytysveteen vähemmän”, Sipilä perustelee uuden lisäaineen hyötyjä.
Sekundaaripiirissä vesikemia poikkeaa primääripiiristä. Boorihappoa ei tarvita, ja korroosiosuojaukseen käytetään osittain eri kemikaaleja kuin primääripiirissä.
Muutama miljoonasosa ammoniakkia vedessä nostaa pH-arvon noin 9,8:aan, joskin Sipilän mukaan vaihteluväli voimaloiden kesken on melko iso – reilut puoli yksikköä molempiin suuntiin. Sekundaaripiirin höyrypuolen yli 250 °C lämpötilassa tämä tarkoittaa erittäin emäksisiä olosuhteita.
Happea syö ammoniakin sukulaisaine hydratsiini. Sen pitoisuus pidetään reaktorin päällä ollessa noin kymmenen miljardisosan suuruusluokassa eli hyvin alhaisena, Sipilä ja Buddas kertovat. Ainetta joudutaan kuitenkin lisäämään kiertoon, sillä se hajoaa reaktioissa hapen kanssa ja myös termisesti eli lämpötilan vuoksi.
Vuosihuoltojen aikana veteen sekoitetaan hydratsiinia jopa monta sataa kertaa korkeampi pitoisuus säilöntätoimenpiteenä, jotta veteen ei pääsisi liukenemaan happea ilmasta.
Buddas arvioi, että hydratsiinin kokonaiskulutus tyypillisessä ydinvoimalassa on suuruusluokassa joitakin tuhansia litroja vuodessa. Loviisan täsmällisiin lukuihin hän ei ota kuitenkaan kantaa.
Hydratsiini on kahdessa celsiusasteessa jäätyvää ja 114 °C:ssä kiehuvaa nestettä. Sitä on käytetty rakettipolttoaineena esimerkiksi avaruusluotainten ohjausmoottoreissa. Suuriin kantoraketteihin se ei sovellu myrkyllisyytensä ja melko alhaisen palamisenergiansa vuoksi.
Kaikkia teräsrakenteita voimaloissa ei ole tehty ruostumattomasta tai haponkestävästä teräksestä. Esimerkiksi höyrystimen vaippa eli paineen sisällään pitävä kuori on matalahiilistä terästä sekä Olkiluoto 3:ssa että Loviisassa.
Materiaalivalinta korostaa vesikemian hallinnan tarvetta, sillä hiiliteräksen pinnalle muodostuu hapettomassa vedessä ohut kerros magnetiittia (Fe3O4) eli mustaa rautaoksidia. Kerros on Sipilän mukaan noin mikrometrin paksu ja korroosionopeus vuotta kohti samassa mittaluokassa eli noin mikrometrissä.
Sekundaaripiirin vedessä kiertääkin nesteen mukana putkien pinnalta irronneita magnetiittihippusia. Veden lisäaineiden ansiosta niiden määrä on nykyisin niin vähäinen, että tästä koituvia ongelmia pystytään hallitsemaan hyvin. Aina tilanne ei ole ollut yhtä hyvä.
”Pwr-laitosten alkutaipaleella 1970–80-luvuilla sekundäärivesikemian pH:ta voitiin säätää fosfaateilla, tai sitä ei säädetty lainkaan. Tästä aiheutui vesikiertoon suuria määriä kiintoaineita, kuten magnetiittia”, Sipilä kertoo.
Jos vesi pidetään hapettomana, ruostumaton teräs ruostuu äärimmäisen hitaasti.
Konsta Sipilän oma työ VTT:llä liittyy nimenomaan rakennemateriaalien, kuten teräksen korroosioon. Hän tutkii myös mahdollisia korvaavia aineita hydratsiinille, sillä tästä aineesta saatetaan joutua luopumaan sen vakavan myrkyllisyyden ja mahdollisen karsinogeenisyyden vuoksi.
”Euroopan unionista on painetta hydratsiinista luopumiselle Reach-kemikaaliasetuksen myötä, mutta yhtä hyvää korvaajaa sille ei ole löytynyt”, Sipilä toteaa.
Pelkällä hapenpoistokyvyllä mitattuna monikin aine ajaisi saman asian, mistä Sipilä nostaa esimerkeiksi erytorbiinihapon sekä karbohydratsidin, joka on hydratsiinin ja urean johdannaismolekyyli. Molemmat olisivat antioksidantteina erinomaisia, mutta niistä kertyisi vesikiertoon orgaanisia hajoamistuotteita tai hiilidioksidia. Hydratsiini sitä vastoin hajoaa typeksi ja vedeksi, joista ei koidu harmia.
Primääripiiristä tutun vedyn ja sitä myötä myös ammoniakin käyttämisen sekundaaripuolella estää alempi lämpötila.
”Hapen ja vedyn välistä reaktiota ei tapahdu matalissa lämpötiloissa. Tarvitaan noin 300 astetta, mikä on sattumoisin suunnilleen sama lämpötila kuin primääripuolella”, Sipilä kertoo.
Ennen lisäaineiden liuotusta veteen ydinvoimaloiden prosessivesi on puhdistettu erittäin huolellisesti. Tavanomaisia vedestä poistettavia aineita ovat kloridi, fluoridi, natrium ja sulfaatti. Ne voivat aiheuttaa korroosio-ongelmia, erityisesti jos veteen pääsee vuotamaan yhtään happea.
Puhdistus tehdään ioninvaihtimilla, Fortumin Buddas kertoo. Ioninvaihtimet ovat kemiallisia suodattimia, jotka poistavat vedestä ionisia eli sähköisesti varautuneita epäpuhtauksia. Anionit eli negatiiviset ionit (kuten kloridi) vaihtuvat hydroksidi-ioneiksi (OH-) ja kationit eli positiiviset ionit (kuten natrium) vetyioneiksi (H+).
Koska hydroksidi- ja vetyionit neutraloivat toisensa vedeksi, ionivaihdossa syntyy kaikista suolamaisista epäpuhtauksista puhdistettua vettä.
Täsmälliset puhtausvaatimukset vaihtelevat laitoksesta toiseen. Monien epäpuhtauksien ensimmäinen huomioraja tulee vastaan tyypillisesti jo siinä vaiheessa, että kyseisen ionin olemassaolo voidaan ylipäätään havaita kaikkein herkimmillä instrumenteilla.
Esimerkiksi Loviisassa kloridin sallituksi maksimiksi on määritelty Buddaksen mukaan yksi miljardisosa eli yksi mikrogramma litrassa. Tyypillisen vesijohtoveden kloridipitoisuus Suomessa on viiden miljoonasosan tietämillä eli 5 000 kertaa tätä rajaa korkeampi.
Lisäksi epäpuhtauksia poistetaan vedestä aktiivisesti jatkuvalla ioninvaihtosuodatuksella. Samalla ylläpidetään kaliumin ja ammoniakin tasapainoa primääripiirin vedessä. Epäpuhtauksista osa irtoaa veteen pinnoilta, osa taas syntyy ydinsäteilyn vaikuttaessa veteen tai sen välttämättömiin lisäaineisiin.
Vesikemian tilannetta seurataan Loviisassa sekä jatkuvatoimisilla analysaattoreilla että mittauksilla vesinäytteistä. Jälkimmäisiä tehdään päivittäin.
Ympäristönäkökulmasta ydinvoimaloiden vesikemian vaikutukset ovat vähäisiä. Esimerkiksi sekundaaripiirin hydratsiinivedet puhdistetaan ennen kuin ne lasketaan mereen. Buddas tähdentää, että Loviisan voimala raportoi ympäristövaikutuksistaan vuosittain.
Radioaktiivisia aineita itseensä imeneet ioninvaihtohartsit käsitellään matala-aktiivisena ydinjätteenä.
Lue myös: