Ydinjätteet: 2.1 Vesikemian perusteet

 

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Radionuklidien vapautuminen

Loppusijoitustilan toimiessa suunnitellusti mitään ei vapaudu, ei koskaan – ennen kuin radioaktiivisuuden taso on jo “luonnollisella” tasolla. Mutta joku kapseli voi olla alun perin viallinen, korroosio voi vaurioittaa kapselia, jääkauteen liittyvät kalliosiirrokset voivat murtaa kuparikapseleita – skenaarioita on monia ja niitä pyritään käsittelemään mahdollisimman kattavasti turvallisuustarkastelussa.

Käytetyn polttoaineen oppusijoitustila suunnitellaan estämään radionuklidien vapautuminen kallioperään siten, että jätteen tuottama lämpö kuitenkin poistuu riittävän tehokkaasti, sillä liian korkea lämpötila voi vahingoittaa tilan rakenteita ja materiaaleja. Radionuklidien vapautuminen estetään useiden toisiaan varmentavien teknisten (ihmisen rakentamien) ja luonnollisten vapautumisesteiden käytöllä – moniesteperiaate.

Jos sisimmät esteet (polttoine, sitä ympäröivä valurautainen tuki ja kokonaisuutta ympäröivä kuparikapseli) pettävät, niin radionuklidit voivat päästä kuparikapselia suojaavaan bentoniittisaveen ja siitä edelleen pohjaveteen kallion rakojen kautta.

Radionuklidit tarvitsevat liikkuakseen vettä, joten niiden osalta riittää tarkastella vesikemiallisia ja veden kasteleman mineraalipinnan reaktioita. Liikkuminen voi tapahtua kahdella tavalla: pohjaveden virtauksen mukana tai diffuusiona (satunnaisliikkeenä) veden sisällä. Ensimmäinen tapa on tärkeä pitkillä matkoilla (metreistä kilometreihin), kun taas jälkimmäinen on sitä tehokkaampi mitä lyhyempi matka on eli alle millimetristä tuohon metrin luokkaan asti.

Radionuklidi voi olla veteen liuennut, pinnoille kiinnittynyt (sorptio) tai saostunut kiinteäksi mineraaliksi. Myös kaksi jälkimmäistä voi liikkua pohjaveden mukana kallion raoissa, jos kiinnittyminen tai saostuminen on tapahtunut kolloidihiukkasen pinnalle (vedessä oleva pieni hiukkanen). Veteen liuennut voi edetä kallion raoista kiteisen kallion sisään pienissä huokosissa (matriisi)diffuusiolla ja samalla kiinnittyä pinnoille tai jopa saostua huokosten pinnoille.

Vapautuminen lyhyesti: veden päästessä kapselin sisään välittömästi liukeneva osuus inventaarista liukenee, erilaiset diffuusioprosessit kuljettavat sitä bentoniittipuskuriin ja sieltä edelleen pohjaveden virtaukseen. Pitää siis tietää miten radionuklidit käyttäytyvät vesiliuoksessa: bentoniitin sisällä huokosissa, kallion raoissa, kallion huokosissa ja joskus myös vaurioituneen kuparikapselin sisällä

Johdanto

Vesiliuos koostuu kahdesta erillisestä komponentista: puhtaasta vedestä ja siihen liuenneista mineraaleista ja kaasuista. Osa liuenneesta aineesta voi päätyä veteen pieninä kolloidihiukkasina, vastaa ilmassa olevia pieniä aerosolihiukkasia. Termodynaamisen tarkastelun lähtötilanne on siis tämä: lasillinen puhdasta vettä, lusikallinen ruokasuolaa siihen, ja lasi tasapainottumaan ilman kanssa. Tällainen lähestymistapa (puhdasta vettä ja suoloja eli luonnossa tavattuna mineraaleja) saattaa tuntuu hullunkuriselta, kun vaikkapa vichypullon kyljessä lukee joskus, että siinä on natriumia, kaliumia ja hiilihappoa, eivätkä ne ole suoloja. Asian voi ajatella käänteisesti niin, että kaikki vichypuollon vesi ja kaasut haihdutetaan, jolloin pullon pohjalle jää sakkaa, joka sisältää natriumin, kaliumin ja hiilihapon muodostamia kiinteitä yhdisteitä.

Protonit, Na, Cl ja CO₂

Täysin puhtaassakin vedessä on valmiina OH^--ioneja, joita muodostuu vesimolekyylin menettäessä protonin. Huom. oikeaan yläkulmaan kirjoitetaan ionin tai molekyyli varaus. Ja lisäksi niitä irrallisia protoneita, H⁺-ioneja. Oikeastaan H₃O⁺, koska protoni ei voi olla yksin vedessä, joten se on kimpassa vähintään yhden vesimolekyylin kanssa. Vesikemiallisen termodynamiikan mukaan H⁺- ja OH-^-ionien tulo on vakio, joten veden happamoituessa OH^--ionien pitoisuus pienenee.

Veteen liuettuaan ruokasuolan (NaCl) alkuaineet erottuvat toisistaan siten, että kloorille (Cl) jää elektroni ja vastaavasti natriumilta (Na) puuttuu se. Siten vedessä on kloori- (Cl^-) ja natriumioneja (Na⁺). Ilmakehän hiilidioksidi CO₂ liukenee myös veteen reagoiden vesimolekyylien kanssa siten, että veteen syntyy vetykarbonaatti-ioneja (HCO₃^-) ja H⁺-ioneja. Protonien lisääntyminen tarkoittaa veden happamuuden kas-vua eli veden pH-arvo menee reilusti alle arvon 7, jossa H⁺- ja OH^--pitoisuudet ovat tasan. Na⁺-ionit reagoivat myös esim. vetykarbonaatti-ionien kanssa muodostaen uuden yhdisteen eli osaslajin (spesies) NaHCO₃, jonka pitoisuus tässä tapauksessa on hyvin pieni. Jos ruokasuolaa lisää liuokseen, suunnilleen lasillisen suolaa lasilliseen vettä, niin suolaa ei enää liukene lisää, vaan on saavutettu liukoisuusraja. Termodynaamisen mallin mukaan Na- ja Cl-ionien pitoisuuksien tulo on silloin liian suuri. Tulon merkitys tässä on se, että jos jostain syystä liuoksessa on paljon klooria, vaikkapa jonkun muun liuenneen suolan takia, niin vähäisestä natriumin määrästä huolimatta sinne ei enää voi liueta lisää ruokasuolaa.

Vesikemiallinen liuos on hyvin vuorovaikuttava, ”sosiaalinen” eli erilaisten osaslajien käyttäytyminen riippuu monimutkaisella tavalla toisista. Jopa äärimmäisen yksinkertainen vesi & ruokasuola & ilmakehä -systeemi on lopulta aika monimutkainen, etenkin kun edellinen kuvaus on melkoinen yksinkertaistus todellisuudesta. Nämä perusperiaatteet ovat kuitenkin samanlaisia tutkittaessa radionuklideita loppusijoitustilan huokos- ja pohjavedessä.

Tarkempi kuvaus osaslajeista

Termodynamiikan perusteiden mukaan vesikemiallisen systeemin tilan määräävät alkuaineiden mooliosuudet, lämpötila ja paine. Vesiliuoksessa hallitsevat tietenkin veden alkuaineet happi ja vety, mutta vesi on tavallaan passiivinen osapuoli. Tämän takia vesikemiassa käytetään veteen liuennutta happea kuvaamaan systeemin hapetustilaa. Jos happea on paljon kuten ilmakehän kanssa kontaktissa olevassa vedessä ollaan hapettavissa olosuhteissa. Jos happea on vähän tai jopa olemattoman vähän, ollaan pelkistävissä oloissa, tällöin vedessä on usein liuennutta vetyä tai metaania.

Esimerkiksi kompostointi tapahtuu hapellisissa olosuhteissa, kun taas saman materiaalin mädättäminen tapahtuu hapettomissa olosuhteissa, joissa muodostuu meille hapelliseen ympäristöön tottuneille epämiellyttäviä haisevia kaasuja. Pohjavesi on usein hapetonta, jolloin siihen liukenee kahden arvoista rautaa (Fe²⁺), joka joutuessaan hapen kanssa tekemisiin muuttuu kolmenarvoiseksi (Fe³⁺) lähes täysin veteen liukenemattomaksi raudaksi, joka välittömästi muuttuu ruostehiukkasiksi ja samentaa veden, muuttaen sen samalla pahanmakuiseksi. Tämä tai hapettoman ympäristön rikkiyhdisteet ovat monen porakaivon käytännön ongelma. Yksinkertaistaen: hapellisissa olosuhteissa hiilen kaasumainen muoto on hiilidioksidi, hapettomissa olosuhteissa se on metaani, ja hapen on korvannut vety. Rikki on hapellisissa olosuhteissa sulfaattina (SO₄^2-) ja hapettomassa sulfidina (S₂^-). Sulfidi ja sen yhdisteet haisevat. Ydinjätteiden loppusijoitustila on aluksi hapellinen ja lopulta (suurimman osan ajasta) hapeton. Osa radionuklideista esiintyy useassa hapetustilassa riippuen olosuhteiden hapellisuudesta/hapettomuudesta. Hapellinen yhdiste on luovuttanut elektroneja, joten sen hapetusluku (arvoisuus, roomalaisin numeroin) on suurempi kuin hapettoman ionin: hapellinen rauta on kolmenarvoista (Fe(III) tai veteen liuenneena ionina Fe³⁺) ja hapeton kahdenarvoista (Fe(II) tai veteen liuenneena ionina Fe²⁺).

Vedyn mooliosuutta korvaamaan käytetään vesikemiassa pH-arvoa, joka on veteen liuenneiden vetyionien (H⁺ tai H₃O⁺) pitoisuuden logaritmin vastaluku. Tarkempi kuvaus pH:lle vaatii vetyionien aktiivisuuden käsitettä, mutta laimeissa liuoksissa tämä on vain pieni korjaus. Happamassa liuoksessa (pH≈1), vetyatomien pitoisuus on suuruusluokkaa 1 mol/L (1 M), vastaavasti hyvin emäksisessä (pH≈14) liuoksessa vetyionien konsentraatio on olematon (10^-14 M), mutta vastaavasti OH- ionien konsentraatio on noin 1 M. Kuten edellä hapen tapauksessa, hapellisissa olosuhteissa hapen pitoisuus on mitattavissa ole muuttuja (suure), happamissa olosuhteissa vetyionien pitoisuus on mitattavissa ole muuttuja (suure), mutta hapettomissa oloissa hapen pitoisuus on olematon kuten vetyionien emäksisissä olosuhteissa.

Esimerkkejä

Arjessamme hieman hapanta on kahvi (pH noin 5), kuten monet muutkin juomat (Coca Cola jopa varsin hapanta: pH=2,5–3,5), ruosteen- ja kalkinpoistoaineet erittäin happamia (pH noin 1 tai alle), monet pesuaineet (liiankin) emäksisiä (pH noin 13 tai yli). Juomaveden pH on hanasta suoraan laskettuna noin 7,5 eli lievästi emäksistä mikä suojaa vesijohtoputkia korroosiolta, mutta oltuaan riittävän kauan ilman kanssa kontaktissa sen pH laskee noin arvoon 5,6 eli lievästi happamaksi. Ilmakehän hiilidioksidi on siis monessa mukana.

Vesikemiassa pitoisuudet ilmaistaan usein yksikössä mol/L (M), ja pitoisuus ilmaistaan laittamalla ionin tai neutraalin yhdisteen nimi hakasulkujen sisään: [H⁺], [Na⁺], [H2(aq)]. Tällainen tapa on omaksuttu, koska mooliosuuksien suora käyttö olisi varsin kömpelöä, vaikka eksaktimpaa: kilossa vettä on noin 55 moolia, ja ta-kempi kemiallinen kuvaus käyttääkin yksikköä moolia per kilo (molaliteetti, m). Kilo vettä ei kaikissa olosuhteissa vastaa litraa vettä. Mittaustulokset annetaan usein yksikössä mg/L tai g/L. Meriveden suolaisuus eli kaikkien ionien ja neutraalien yhdisteiden summa on noin 35 g/L (0,6 M), mutta Itämeressä se vaihtelee lähes suolattomasta Tanskan salmien 20 g/L, keskimäärin 7 g/L (0,12 M). Pohjaveden suolaisuudessa on suurta vaihtelua: varsin suolattomasta esimerkiksi Olkiluodon syvien pohjavesien yli 80 g/L suolaisuuteen.

Hydratoituminen ja suolaiset liuokset

Vesimolekyylin happiatomin puoleinen pää on lievästi negatiivisesti varattu, kun puolestaan vetyatomien kohdalla on lievä positiivinen varaus. Tällä ominaisuudella on monipuolisia vaikutuksia veden käyttäytymiseen, mutta vesikemiassa kiinnostavinta lienee ionien hydratoituminen: positiivinen kationi on (mutta vain keskimäärin, koska molekyylit ovat koko ajan lämpöliikkeessä) laimeassa liuoksessa vesimolekyylien ympäröimä siten, että happiatomit ovat kohti kationia. Vastaavasti anionin ympärillä vesimolekyylit ovat vetyatomi kohti anionia. Ilmiöllä on suuri vaikutus vesikemiaan, anionit ja kationit käyttäytyvät hieman eri tavoin riippuen myös ionin koosta, suolaisuus vaikuttaa veden ominaisuuksiin, ja kaikki muuttuu vielä vaikeammaksi, kun suolaisuus kasvaa. Tämän takia ionien pitoisuuksia vedessä pitää tarkemmissa matemaattisissa malleissa korjata aktiivisuuksiksi, ja tällainen korjaus on sitä vaikeampi tehdä mitä suolaisempi liuos. Tässä esityksessä ei aktiivisuutta käsitellä.

Hyvin suolainen vesi käyttäytyy varsin erilaisella tavalla kuin laimeammat liuokset, joissa yhtä ionia kohti on monta vesimolekyyliä, jotka ikään kuin ympäröivät ionit. Kovin suolaisessa vedessä voi olla esimerkiksi 1-2 moolia ioneja litrassa, jolloin yhtä ionia kohti riittää enää parikymmentä vesimolekyyliä, jolloin ionien suora vuorovaikutus alkaa olla hyvin voimakasta.

Ydinjätteet: 1.4 Inventaari eli jätteen määrä ja laatu

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Yleistä

Ydinvoimalaitosten toiminta-aika on usein hyvin pitkä, jopa yli 60 vuotta. Käytön aikana se tuottaa erilaista ydinjätettä, joista haitallisinta eli käytettyä polttoainetta muutaman kymmenen tonnia vuodessa. Matala-, keski- ja korkea aktiivinen jäte sisältää hyvin erilaisia radionuklideita. Kirjanpitoa näistä radionuklideista kutsutaan inventaariksi, joka vastaa vaikkapa jonkun organisaation omaisuusluetteloa. Ydinjätteiden inventaari on vahvasti ajan mukana muuttuva, koska etenkin aluksi siinä on mukana paljon hyvin lyhytikäisiä radionuklideja, jotka hajoavat toisiksi radionuklideiksi tai stabiileiksi isotoopeiksi. Inventaarin laatiminen ei ole aivan helppoa, koska fissio- ja neutroniaktivointituotteet eivät jakaudu polttoaineessa tasaisesti ja lisäksi inventaari riippuu polttoaineen alkuperäisen koostumuksen lisäksi sen sijainnista ja ajasta reaktorissa, siitä kuinka paljon energiaa nipulla on tuotettu jne. Inventaarin laatiminen on reaktorifyysikoiden työtä ja heillä on varsin hyvät tietokonemallit tehtävän suorittamiseen. Tällaisten mallien tulosten kelpoistaminen (sen varmistaminen, että mallit tuottaa oikeita tuloksia) ei kuitenkaan ole helppo tehtävä, koska käytetyn polttoaineen mittaaminen on haastava ja erikoislaboratoriotiloja vaativaa – Suomessa tällaisia laboratorioita ei tällä hetkellä ole (VTT:n Ydinturvallisuustalo pääse lähimmäksi).

Nuklideja syntyy toiminnan aikana koko ajan lisää, joten inventaaria on jatkuvasti ylläpidettävä, myös laitoksen toiminnan loputtua, koska tämä tieto on ratkaisevan tärkeää ydinjätteiden loppusijoittamisen suunnittelussa ja toteuttamisessa. Neutroniaktivointi muuttaa myös ydinvoimalan rakenteita radioaktiiviseksi, joten käytöstäpoistossa syntyvästä jätteestä osa on radioaktiivista – osa hyvinkin vahvasti, kun taas osa voidaan palauttaa normaaliin kierrätykseen joko heti, pienen odottelun jälkeen tai puhdistettuna.

Inventaari muuttuu ajan mukana, koska radionuklideja hajoaa koko ajan, ja usein syntyvä tytärydinkin on radioaktiivinen, jolloin syntyy hajoamisketjuja. Tällaisessa ketjussa ydin voi vaihtaa varaustaan useasti, jolloin joka kerran myös sitä vastaava alkuaine muuttuu.

Säteily tuottaa myös lämpöä, jonka määrä on käytetyssä polttoaineessa niin suuri, että se vaikuttaa jätteen säilyttämiseen ja loppusijoitukseen. Suomessa käytettyä polttoainetta säilytetään vesialtaissa, jotka tarjoavat tehokkaan tavan ylijäämälämmön poistoon ja samalla säteilysuojaukseen. Varastointi voi myös tapahtua ilman vettä, mutta tällöin pitää lämmön poisto ja säteilysuojaus hoitaa muulla tavoin. Radionuklidien inventaari tuottaa myös tiedon lämmöntuotosta. Siten inventaari antaa tietoa jätteen haitallisuudesta ja sen käyttäytymisestä loppusijoitustilassa, mutta samalla saadaan lämmöntuoton aikakehitys, joka puolestaan määrää loppusijoitustilan koon sellaiseksi, että lämpötila ei missään osassa nouse liian suureksi. Lisäksi inventaaria tarvitaan kriittisyystarkasteluihin eli siitä huolehtimiseen, että ketjureaktiot eivät ala uudelleen missään vaiheessa eikä missään paikassa. Kriittisyystarkastelu on vaikea tehdä, mutta yleensä sopivien olosuhteiden kehittyminen on erittäin epätodennäköistä.

Käytetyn polttoaineen määrä

Käytetyn polttoaineen ominaisuudet annetaan yleensä metallista uraania kohti. Kevytvesireaktoreissa, joita kaikki Suomessa käytössä olevat reaktorit ovat, polttoaine on uraanidioksidia, UO₂, joten metallisen uraanin osuus kokonaismassasta on noin 238/(238+32) = 88 %. Loviisan ydinvoimalaitokset (painevesireaktoreita) tarvitsevat vuodessa polttoainetta metallisena uraanina noin 25 tonnia (tU). Hiukan suurempi määrä 42 tU riittää myös Olkiluodon 1. ja 2. yksiköille, jotka ovat kiehutusvesireaktoreita. Olkiluoto 3, uusin painevesireaktori, puolestaan tarvitsee noin 30 tonnia metallista uraania vuodessa. Yhteensä siis noin 100 tU vuodessa. Voimalaitosten arvioituna käyttöikänä voi pitää 60 vuotta, kaikki ovat nyt käytössä, joten kaiken kaikkiaan jätettä tulisi noin 6 000 tU. Vaikuttaa ehkä paljolta. Uraanidioksidin tiheys noin 11 t/m³, ja sitä olisi siis yhteensä noin 6 800 tonnia, ja sen kokonaistilavuus on siten noin 620 m³, mikä vastaa noin yhtä 25 metrin uima-allasta, jossa kuusi rataa, tai yhtä isoa omakotitaloa. Käytettyä polttoainetta ei siis kumminkaan saa tuolla tavalla pinota tai seuraukset ovat katastrofaaliset. Neljä uusinta VR:n veturia tarvittaisiin kuljettamaan tuo lasti, ja mukana saisi silloin olla polttoaineen kuoretkin.

Paljonko sähköä ja mitä maksaa jätehuolto

Paljonko tuolla uraanimäärällä kyetään tuottamaan sähköä, kun voimalaitosten sähkötehot ovat: Loviisa 1&2 noin 1 000 MW, Olkiluoto 1&2 1 800 MW ja OL3 1 600 MW. Yhteinen teho on siis noin 4 400 MW. Lyhyt kertolasku, jos laitokset toimivat 60 vuotta ja niiden käyttöaste 90 %: 0,9 x 60 x 365 x 24 h x 4400 MW = 2 080 000 000 MWh eli 2 miljardia MWh. Jos tuotannon arvoksi laittaisi 50 €/MWh, niin sähköä tuotettaisiin 100 miljardin verran. Joten vaikka laitoksien rakentaminen on kallista, niin kyllä ne myös tuottavat, jos kaikki menee odotetusti. Jos niin huonosti olisi käynyt, että kaikki tuo sähkö tuotettaisiin kivihiilellä, niin päästöjä tulisi vajaa tonni per MWh eli 2 miljardia tonnia eli puolet vuoden 2019 EU:n hiilidioksidipäästöistä. Ydinvoimasta ei näin suurta etua enää ole, koska sähköntuotannon päästöt ovat uusiutuvien ansiosta pienemässä. Suurin hyöty lienee siinä, että tuotanto ei ole riippuvainen sääoloista tai vuorokauden tai vuodenajasta.

Yhden ihmisen tasolla, Olkiluoto 3 tuottaa 1,5 kg:lla uraania noin 600 MWh sähköä. Tämän voi laskea poistopalamasta eli siitä kuinka paljon energiaa (lämpöä, ei sähköä) kilo uraanimetallia tuottaa ennen kuin se poistetaan voimalaitoksesta. Olkiluoto 3:n tapauksessa poistopalama on noin 45 MWh/d (per vrk). Tästä runsas kolmannes saadaan sähköksi. Suurehkossa kerrostaloasunnossa tarvitaan sähköä saunaan, lattialämmitykseen, astioiden pesuun, vaatteiden pesuun ja ruoanlaittoon helposti 10 MWh vuodessa, joten tuo puolitoista kiloa uraania riittäisi noin 60 vuodeksi. Hiilellä tuotettaessa hiilidioksidia tuotettaisiin noin 500 tonnia.

Jätehuollon hintaa voi arvioida Valtion ydinjätehuoltorahastossa tällä hetkellä (2023 tilinpäätös) olevasta 2,8 miljardin pääomasta, jolla arvioidaan voitavan hoitaa ydinjätteiden loppusijoitus ja ydinvoimalaitosten käytöstäpoisto Suomessa, jonkin häiriön sattuessa. Rahaa on tähän mennessä kulutettu karkeasti arvioiden 1 miljardi euroa, joten kahden miljardin MWh:n sähköntuotannon jätehuolto maksaisi noin 4 miljardia euroa eli 2 €/MWh. Varoitan, että laskelma on karkea: lopullista käyttöikää laitoksille ei tiedetä, eikä myöskään ole helppo arvioida sata vuotta kestävän loppusijoituksen kustannuksia.

Jätteen määriä grammoina

Loppuun vielä esimerkki: käytetyssä polttoaineessa Olkiluodon laitoksessa yhtä uraanitonnia kohti voi arvioida olevan 0,1-0,2 g jodin I-129, 3-4 g Tc-99 ja 100 g Cs-137 isotooppeja. Tämä noin 20 vuoden jäähtymisen jälkeen, joten Cs-137 oli reaktorista poistettaessa ehkä noin 300 g. Nämä luvut ovat vain suuntaa antavia, en takuuta niiden tarkkuudesta. Cs-137:n radioaktiviinen hajoaminen aiheuttaa suuren osan polttoaineen lämmöntuotosta, joka hidastuu nopeasti koska vaikka Cs-137 puoliintumisaika on noin 30 vuotta.

 

Ydinjätteet: 1.3 Säteily ja sen haitat

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Yleistä

Säteilyn lajit opittiin tuntemaan 1800- ja 1900-luvun taitteessa. Säteilyä on kahta perustyyppiä: sähkömagneettista ja hiukkassäteilyä. Sähkömagneettista säteilyä on myös valo, mutta eliöille haitallista ovat vain ionisoivat lajit: ultravioletti-, röntgen- ja gammasäteily. Ultravioletille säteilylle altistumme kaikki ulkona aurinkoisena päivänä, mutta ydinjätteiden sähkömagnetismi on röntgen- ja gammasäteilyä.

Hiukkassäteilyn lajit ovat alfa-, beeta- ja neutronisäteily. Alfasäteilyn hiukkanen on heliumatomin (sähköisesti) varattu ydin, beeta koostuu elektroneista tai niiden antihiukkasista positroneista ja neutronisäteily nimensä mukaisesti neutroneista. Hiukkassäteily voi koostua myös muista varatuista tai neutraaleista alkeishiukkasista kuten protoneista, pioneista ja kaoneista (kosminen säteily) tai jopa kokonaisista atomien ytimistä, mutta näitä ei esiinny ydinjätteiden yhteydessä. Pioneissa ja kaoneissa on vain kaksi kvarkkia kolmen sijasta.

Hajoamisessa atomiytimen massa tai varaus tai molemmat muuttuvat. Varauksen muuttuessa vaihtuu myös radionuklidin alkuaine, ja tällä on iso vaikutus radionuklidin käyttäytymiseen. Hajoaminen tapahtuu sillä tavoin satunnaisesti, että tietyn ajan kuluessa aina puolet ytimistä hajoaa. Tätä aikaa kutsutaan puoliintumisajaksi, ja se vaihtelee alle sekunnista aina miljooniin tai miljardeihin vuosiin. Kaikki säteily vaimenee myös nopeasti, kun etäisyys säteilyn lähteeseen kasvaa.

Alfasäteily

Alfasäteily koostuu heliumatomin ytimistä, joten kyseessä on lähes 10 000 kertaa raskaampi hiukkanen kuin elektroni, lisäksi varaus on kaksinkertainen. Täten alfahiukkanen vuorovaikuttaa aineen (elektronien ja ytimien) kanssa varsin tehokkaasti, sillä se osuu voimalla kaikkeen matkalla olevaan. Sen kantama on tästä syystä lyhyt, vain muutama senttimetri ilmassa ja noin 100 mikrometriä ihossa, joten ulkopuolella elimistön haitat ovat vähäiset, mutta vastaavasti alfasäteily elimistön sisällä on tuhoisaa (esimerkiksi radonin tytärytimet keuhkoihin päästyään). Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin alfasäteilyä voisi ajatella vasaraniskuna: vahinko on suurta, muttei mene kovin syvälle.

Beetasäteily

Beetasäteily koostuu joko elektroneista tai niiden vastahiukkasista positroneista, joten ero röntgen- ja gammasäteilyyn on selvä. Beetasäteily vuorovaikuttaa aineessa olevien elektronien kanssa tehokkaasti, joten säteilyn läpäisy on vähäisempää kuin röntgensäteilyn ja paljon vähäisempää kuin gammasäteilyn. Tämä helpottaa säteilyltä suojautumista, mutta toisaalta säteilevän aineen päästessä eliön sisään lähes kaikki säteilyn energia (ja vahingot soluille) vapautuu riittävän ison eliön sisällä. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin beetasäteilyä voisi ajatella puukoniskuna, joka menee syvälle ja aiheuttaa siellä paljon vahinkoa.

Gammasäteily

1800-luvun suurimpia keksintöjä oli yhdistää sähkö ja magnetismi saman teorian alle. Tämän teorian suora seuraus oli ennustaa sähkömagneettinen säteily, joka etenee valonnopeudella – valon ollessa yksi osa-alue tätä säteilylajia. Muut lajit ovat radioaallot, mikroaallot, infrapunasäteily, ultraviolettisäteily, röntgensäteily ja gammasäteily. Nämä säteilylajit erottaa toisistaan aallonpituus (siis myös taajuus ja energia), joka radioaalloilla voi olla kilometrejä, valolla hiukan alle mikrometrin ja gammasäteilyllä vain 1 pm (tai vähemmän, jolloin aallonpituus on noin 10 kertaa ison atomiytimen halkaisija.

1900-luvun alussa sekä kokeellinen tutkimus että kvanttiteoria osoittivat, että sähkömagneettinen säteily esiintyy myös hiukkasina (fotoneina), joiden energia on kvantittunut eli yhden fotonin energia riippuu vain sen aallonpituudesta: mitä lyhyempi aallonpituus sitä suurempi energia. Tätä energiaa on erityisesti lyhyillä aallonpituuksilla kätevää esittää elektronivoltteina. Röntgensäteilyn energia-alue alkaa noin yhdestä kiloelektronivoltista ja kovin ydinreaktioiden aiheuttama gammasäteily on yli yhden megaelektronivoltin.

Röntgensäteily on hyvin kudoksia läpäisevää, kuten me kaikki tiedämme röntgenkuvista. Gammasäteily läpäisee kudoksia ja materiaaleja vielä paljon helpommin – koboltin kova gammasäteily läpäisee jopa 10 cm paksun lyijylevyn. Toisaalta näin läpäisevä säteily ei kudokseen osuessaan aiheuta täysimittaista haittaa, vaan yksinkertaisesti suuri osa säteilystä menee läpi vuorovaikuttamatta kudoksen kanssa. Jos säteilylajien vaikutusta vertaa, niin gammasäteily on kuin kiväärinluoti, joka aiheuttaa paljon vahinkoa, mutta kudoksen läpäistyään sillä on edelleen jopa pääosa energiastaan edelleen tallella.

Neutronisäteily ja ketjureaktiot

Neutronisäteily on täysin omintakeista edellisiin verrattuna, koska neutronit vuorovaikuttavat vain atomiydinten ei elektronien kanssa. Atomiydin voi kaapata neutronin (neutroniaktivointi), jolloin se usein muuttuu epästabiiliksi, ja seurauksena on alfa- tai betasäteilyä, jolloin uusi ydin on kokonaan toisen alkuaineen isotooppi. Erikoistapaus neutroniaktivoinnista on fissio, jossa kohdeydin halkeaa kahteen kutakuinkin yhtä suureen osaan (näitä kutsutaan fissiotuotteiksi). Tässä reaktiossa vapautuu runsaasti alkuperäisen ytimen sidosenergiaa erilaisena säteilynä ja hajoamistuotteiden liike-energiana. Lisäksi yleensä vapautuu myös uusia neutroneita, jolloin voi alkaa ketjureaktio.

Uraanin isotooppi U-235 on luonnossa ylivoimaisesti runsaiten esiintyvä fissiili ydin eli tyypillisesti se hajoaa alfahajoamisella, mutta joskus harvoin spontaanilla fissiolla, joka tuottaa keskimäärin 2,5 uutta neutronia. Jos joku näistä neutroneista reagoi U-235:n kanssa, niin reaktiossa syntyy kolme uutta neutronia. Riittävän iso massa, jossa syntyvät neutronit käytetään uusiin fissioreaktioihin eli neutronit eivät karkaa ulos massasta, synnyttää ketjureaktion. Ydinvoimaloissa ketjureaktio pidetään hallinnassa siten, että riittävän iso osa neutroneista karkaa tai sidotaan. Ydinreaktion hallinta vaatii lisäksi neutronien hidastamista, ja on siten mutkikas hallittava. Fissioydinpommissa pyritään päinvastaiseen eli mahdollisimman iso osa neutroneista pitää saada uuteen fissioreaktioon ennen pommin lopullista hajoamista sen räjähtäessä. Neutronit reagoivat myös U-238:n kanssa, sekä näiden reaktioiden tuottamien aktinidien kanssa, osa näistä on fissiokelpoisia.

Kriittisyys

Myös ydinjätteiden loppusijoituksen eri vaiheissa on huolehdittava siitä, että jäte ei missään tilanteessa muutu kriittiseksi eli ketjureaktiot pääsevät alkuun. Seurauksena olisi runsaasti säteilyä ja sitä myötä lämmöntuottoa, jolloin jätteen ja sen ympäristön olomuoto voi muuttua monimutkaisella tavalla. Radionuklidien vapautuminen pohjaveteen voisi tällöin olla hyvinkin tehokasta. Lisäksi ketjureaktio tuottaisi runsaasti lisää uusia radionuklideita, joista osa olisi joka tapauksessa jätepakkauksen ulkopuolella. Tällainen kriittisyystapahtuma on kuitenkin ydinjätteiden tapauksessa arvioitu erittäin epätodennäköiseksi, mutta tätäkin ilmiötä tutkitaan jatkuvasti lisää. Ydinvoiman tuotannossa ja ydinaseiden kehittämisessä kriittisyysonnettomuuksia on tapahtunut, enkä nyt tarkoita isoja ydinvoimalaonnettomuuksia.

Ydinjätteet: 1.2 Nuklideista

Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

1.2 Radionuklidit

Alkuaine määräytyy protonien ja elektronien lukumäärästä: vedyllä (H) on yksi protoni ja elektroni, heliumilla (He) kaksi, hiilellä (C) kuusi, kloorilla (Cl), nikkelillä (Ni). Nämä ovat kaikki kevyitä alkuaineita, joista syntyy radionuklideita neutroniaktivoinnilla eli niiden ytimet kaappaavat ylimääräisen neutronin, joita ydinreaktorissa on runsaasti tarjolla.

Vedyllä on kolme isotooppia, joista yksi on radioaktiivinen. Ensimmäinen on perusvety yhdellä protonilla (H-1) – tätä on suurin osa maapallon vedystä. Kun siihen lisätään yksi neutroni, saadaan deuterium (H-2), jota on noin 0,015 % Maassa olevasta vedystä; se ei ole radioaktiivinen. Ja kun lisätään vielä yksi, saadaan tritium (H-3). Sen puoliintumisaika on 12,3 vuotta (a), ja sitä on kaikesta vedystä noin 1⁄10 000. Tritium syntyy ydinreaktoreissa neutoniaktivoinnilla litiumista (Li-6), sitä voidaan tuottaa myös teollisesti ja luonnossa sitä synnyttää yläilmakehän kosminen säteily.

Merkintätavoista: Kullakin alkuaineella on yksi- tai kaksikirjaiminen lyhenne, josta on kansainvälisesti sovittu. Nimi pitää sisällään protonien määrän, mutta joskus se halutaan näkyviin: tritium voidaan esittää kuten yllä H-3, jossa 3 tarkoittaa protonien ja neutronien lukumäärää, ytimen massaa eli massalukua. 

 

Puoliintumisaika: Se aika, jonka kuluessa radioaktiivista ainetta on jäljellä puolet alkuperäisestä. Vaihtelee alle sekunneista miljooniin vuosiin.

Kiinnostavia keveiden alkuaineiden isotooppeja ydinjätetutkimuksen kannalta ovat esimerkiksi:

C-14 (hiili), jossa on kuusi protonia ja kahdeksan neutronia. Sen puoliintumisaika on 5 730 vuotta, ja sitä syntyy tritium tavoin yläilmakehässä kosmisen säteilyn tuloksena ja ydinreaktoreissa typestä (N) neutroniaktivoinnilla. Hiilellä on kaksi neutraalia isotooppia: C-12 ja C-13, joista jälkimmäisen osuus on noin 1 %. C-14 sopii radiohiiliajoitukseen, jossa orgaanisessa aineessa sen suhde neutraaliin hiileen on kasvin tai eläimen eläessä kuta kuinkin vakio, koska ilmakehän C-14 määrää suhteen. Eläimen tai kasvin kuollessa se ei enää saa uutta C-14, joka alkaa puoliintua pois. Noin neljän puoliintumisen jälkeen (60000 vuotta, kuudestoista osa alkuperäisestä) C-14 pitoisuutta on enää vaikea määrittää, joten sitä pidempiin aikoihin menetelmä ei sovi.

Cl-36 (kloori), jolla on 17 protonia ja 19 neutronia. Sen puoliintumisaika on 301 300 vuotta, ja sitä syntyy tritium tavoin yläilmakehässä kosmisen säteilyn tuloksena ja ydinreaktoreissa vakaasta Cl-35 ytimestä neutroniaktivoinnilla. Kloorilla on kaksi vakaata isotooppia Cl-35 ja Cl-37, joista jälkimmäisen osuus on pienempi eli noin 24 %.

Ni-59 (nikkeli), jolla on 28 protonia ja 31 neutronia. Sen puoliintumisaika on 76 000 vuotta, ja sitä syntyy ydinreaktoreissa vakaasta Ni-58 ytimestä neutroniaktivoinnilla. Nikkelillä on peräti viisi vakaata isotooppia: massaluvut 58, 60, 61, 62 ja 64, joista eniten massalukuja 58 ja 60.

Kemialliset erot hiilen, kloorin ja nikkelin välillä ovat merkittäviä. Hiilellä on lukematon joukko epäorgaanisia ja orgaanisia yhdisteitä, joukossa myös kaasuja. Kloori on kaasu, mutta veteen se liukenee kloridi-ionina, joka nappaa muilta yhdisteiltä vedessä yhden elektronin ja on siten negatiivinen varaukseltaan. Nikkeli on metalli, joka veteen liuetessaan puolestaan luovuttaa kaksi elektronia ja on siten selvästi positiivinen ioni. Näillä seikoilla on iso merkitys radionuklidien kulkeutumisessa.

Lisäksi on ydinreaktorit tuottavat ison joukon keskiraskaista alkuaineita, fissiotuotteita (syntyvät ydinreaktioissa), näiden syntyyn palataan myöhemmin:

Tc-99 (teknetium), jolla on 43 protonia ja 56 neutronia. Sen puoliintumisaika on 211 000 vuotta. Sitä ei esiinny luonnostaan Maassa, vaan se on ensimmäinen ihmisen tuottama alkuaine. Se on tärkein gamma-aktiivinen lääketieteen käyttämä nuklidi, sillä voidaan esimerkiksi selvittää syöpäsolujen pääsyä vartijaimusolmukkeisiin.

I-129 (jodi), jolla on 53 protonia ja 76 neutronia. Sen puoliintumisaika on 15 700 000 vuotta. Jodin ainoa vakaa isotooppi on I-127, vaikka isotooppeja on kaikkiaan nelisenkymmentä. Jodilla on paljon lääketieteellistä käyttöä. Myös I-129 isotooppia muodostuu kosmisen säteilyn seurauksena. Ydinvoimalaonnettomuuksien yhteydessä kilpirauhasia uhkaa jodin lyhytikäinen (noin 8 vrk) isotooppi I-131.

Cs-135 (cesium), jolla on 55 protonia ja siten jo 80 neutronia. Sen puoliintumisaika on 2 300 000 vuotta. Cesiumin ainoa vakaa isotooppi on Cs-133, mutta radioaktiivisia isotooppeja on 40. Ydinkokeissa ja ydinvoimalaonnettomuuksissa vapautuu isotooppia Cs-137, jonka puoliintumisaika on noin 30 vuotta, sillä on merkitystä matala- ja keskiaktiivisen jätteen loppusijoituksessa.

Teknetiumin kemia on monimutkaista, mutta se esiintyy vesiliuoksessa usein negatiivisena ionina, kompleksina. Myös jodi on vedessä usein ionina jodaattina tai jodidina, myös neutraali yhdiste on mahdollinen. Cesium on natriumin tai kaliumin tapainen aine, joka vesiliuoksessa positiivisena ionina.

Edeltä käy hyvin ilmi se kuinka neutroneja tarvitaan koko ajan lisää suhteessa protoneihin, jotta vahva vuorovaikutus kumoaa karkottavan sähköisen voiman protonien välillä.

Ydinvoiman tuotanto sekä perustuu joukkoon raskaita alkuaineita, aktinideja, että niitä myös muodostuu ydinvoimalan käytön aikana lisää. Aktinidit lukuun ottamatta U-235 ja U-238 syntyvät reaktorissa.

Ra-226 (radium), jolla 88 protonia ja 138 neutronia. Sen puoliintumisaika on 1 602 vuotta. Radiumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia, mutta niitä ja erityisesti Ra-226 muodostuu U-238 hajoamistuotteista kallioperässä.

Th-229 ja Th-230 (torium), jolla on 90 protonia ja vastaavasti 139 tai 140 neutronia. Niiden puoliintumisajat ovat 7 340 ja 77 000 vuotta. Th-232 on radioaktiivinen mutta erittäin pitkäikäinen (puoliintumisaika 14,5 miljardia vuotta eli yli maailmankaikkeuden eliniän) toriumin isotooppi.

U-233, U-235 ja U-238, joilla on 92 protonia ja vastaavasti 141, 143 tai 146 neutronia. U-233 on reaktorissa syntyvä uraanin isotooppi, jonka puoliintumisaika on 159 200 vuotta. U-238 on melkein stabiili luonnossa esiintyvä (puoliintumisaika maapallon iän luokkaa, 4,5 miljardia vuotta), osuus luonnon uraanista noin 99,3 %. U-235 on pitkäikäinen (0,7 miljardia vuotta) luonnossa esiintyvä isotooppi (osuus noin 0,7 %), erittäin merkittävä nuklidi ydintekniikassa, koska se on ainoa merkittävä fissiili nuklidi eli spontaanisti neutroneja tuottaen hajoava ydin. Uraanin isotoopeilla voidaan määrittää maapallon ikää.

Np-237 (neptunium), jolla on 93 protonia 144 neutronia. Sen puoliintumisaika on 2 140 00 vuotta. Neptuniumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia.

Pu-242 (plutonium), jolla on 94 protonia ja 146 neutronia. Sen puoliintumisaika on 380 000 vuotta. Plutoniumin isotooppia Pu-239 käytetään ydinaseissa, joka lienee syy plutoniumin pitämiseen poikkeuksellisen haitallisena nuklidina.

Am-241 ja Am-243 (amerikium), jolla on 94 protonia ja vastaavasti 147 tai 149 neutronia. Niiden puoliintumisajat ovat 432 ja 7 370 vuotta. Am-241 on ollut suosittu palovarottimissa.

Radium on kalsiumia muistuttava aine, joka kertyy elimistössä luustoon, jossa alfa-aktiivisena elimistön sisällä varsin haitallinen. Pidättyy mineraalipinnoille, koska on yleensä vesiliuoksessa kahdesti positiviinen ioni. Ra-226:n hajoamistuote kaasumainen Rn-222 (huoneilmassa oleva radon).

Torium on neljänarvoinen ioni, joka muodostaa runsaasti yhdisteitä vesiliuoksessa, johon liukenee heikosti.

Uraanin vesikemia on varsin mutkikasta, ja se vaihtelee happamuuden ja muiden olosuhteiden mukaan.

Neptunium on viidenarvoinen ioni, joka liukenee uraania selvästi huonommin, sorboituu hyvin.

Plutonium neljäarvoinen ioni, jonka yhdisteet liukenevat erittäin huonosti.

Amerikium on kolmenarvoinen europiumin tavoin käyttäytyvä ioni vedessä.

Huomionarvoista on se, että huolimatta vielä suuremmasta määrästä neutroneja, nekään enää kykene pitämään aktinideja koossa, vaikka joidenkin puoliintumisaika on hyvin pitkä.

 

Ydinjätteet: 1.1 Isotoopit

 Olen kirjoittamassa yleistajuiseksi tarkoitettuja tekstejä ydinjätteiden loppusijoituspaikan todennäköisistä ja vähemmän todennäköisistä tapahtumista. Jaan osan tekstinpätkistä blogissani, toivoen kommentteja ja kritiikkiä ymmärrettävyydestä. Ja mikä ettei korjaukset myös väärinkäsityksistä, joita sattuu vuosienkin opiskelun ja työn jälkeen.

Ongelma

Ydinjätteiden ongelma on niiden sisältämät radionuklidit eli radioaktiiviset atomin ytimet, jotka ovat sillä tavoin epätasapainotilassa, että hajoavat toisinaan muiksi atomeiksi. Niiden syntymekanismeista ja hajoamistavoista lisää seuraavissa teksteissäni. Mutta aloitetaan atomeista ja niiden isotoopeista.

Atomi koostuu raskaasta ytimestä ja sen ympärillä olevasta elektronien parvesta. Yksikertaisin atomi on vety, jonka ytimessä on yksi protoni ja sen ympärillä yksi elektroni. Niillä on sama varaus, protonilla positiivinen ja elektronilla negatiivinen, mutta protonin massa on 1836-kertainen elektroniin verrattuna. Muissa atomeissa on enemmän protoneja ja sama määrä enemmän elektroneja, joten atomi on aina sähköisesti neutraali.

Elektroni on siinä mielessä aito alkeishiukkanen, että sen ei tiedetä koostuvan mistään sitä vielä pienemmästä alkeishiukkasesta. Protonin tiedetään koostuvan sitä vielä pienimmistä alkeishiukkasista kvarkeista, joita siinä on kolme kappaletta: kahdesta ylös-kvarkista ja yhdestä alas-kvarkkeja. Protonilla on sähköisesti neutraali kumppani neutroni, joka koostuu yhdestä ylös-kvarkista ja kahdesta alas-kvarkista. Neutronin massa on 1839 elektronin massaa, joten se on hiukan protonia raskaampi.

Protonia ja neutronia pitää koossa eli sitoo niiden kvarkit toisiinsa vahva vuorovaikutus, jonka välittäjänä, liimana toimii gluoni. Sama vahva vuorovaikutus sitoo toisiinsa myös protonit ja neutronit isommissa atomiytimissä. Vahva vuorovaikutus on todella vahva, koska se kykenee pitämään kahta tai useampaa protonia hyvin lähellä toisiaan. Neutroneita on yleensä atomiytimessä suunnilleen saman verran kuin protoneita, ja niistä on tietenkin apua koossa pitämisessä, koska vahva vuorovaikutus tapahtuu protonin ja neutronin kvarkkien välillä. Protonin halkaisija on noin 1,6 fm, noin sadastuhannesosa vetyatomin halkaisijasta, 0,11 nm. Tämän tekstin pisteen halkaisija on noin 0,4 mm, oikein ohuen hiuksen halkaisija voi olla 0,02 mm, joka on kaksisataatuhatta kertaa vetyatomin halkaisija, joka siis puolestaan on 70 000 kertaa protonin halkaisija.

Elektroni, joka välittää sähköistä vuorovaikutusta kuten gluoni vahvaa, on kinkkisempi olento, jonka fyysisestä koosta ei ole tarkkaa tietoa, mutta se on vääjäämättä paljon protonia pienempi. Elektroni on kuitenkin varsin kvanttimekaaninen olento, joka on sekä hiukkanen että aalto, ja sen ”aallonpituus” on vetyatomissa atomin halkaisijan verran. Se vaatii siis varsin suuren tilan protoniin verrattuna. Maan etäisyys Auringosta on noin 150 miljoona kilometriä, tätä etäisyyttä kutsutaan astronomiksesi yksiköksi (AU). Jos vetyatomin protoni olisi Auringon kokoinen, ja elektroni sen planeetta, niin tämä planeetta vaatisi tilaa 50 00 miljoona kilometriä eli 320 AU. Pluton etäisyys Auringosta on enimmillään noin 70 AU. Suurimpien atomien olisivat näillä mittayksiköillä lähes 1000 AU etäisyydellä, sitä kauempana majailevat vain pitkäjaksoiset pyrstötähdet, komeetat.

Kemian alkuperä

Elektroni on siis aalto, jonka paikkaa ei atomissa voi tarkkaan määrittää, vaan se ympäröi ydintä jonkinlaisena ”sumupilvenä”, joka siellä täällä tihentyy. Elektronin voi laittaa pienempään tilaan, mutta silloin se haraa vastaan ja purkittaminen vaatii enenevässä määrin energia tilan pienetessä.

Elektroni on muutenkin varsin introvertti kaveri, joka ei toisista elektroneista tykkää. Sillä kaksi pyörimissuuntaa eli spiniä, ja kaksi eri suuntaan pyörivää mahtuu samaan tilaan. Niinpä atomien kasvaessa eli ytimen protonien ja neutronien lukumäärän lisääntyessä, elektronit asettuvat aina uusiin kvanttimekaanisiin tiloihin, koska eivät voi samassa tilassa olla. Tämän ilmiön vaikutus näkyy meidän makromaailmassamme kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien vaihteluna. Vetyatomia seuraavaksi suurempi atomi on helium, jolla on kaksi protonia ja kaksi neutronia ytimessään (alfahiukkanen säteilyssä), ja kaksi elektronia niiden ympärillä. Helium on selvästi vetyä pienempi atomi (0,06 nm), ja se on tunnettu jalokaasu eli hyvin huonosti kemiallisesti reagoiva. Vety sen sijaan on ilmassa jopa molekyylinä (kahden vetyatomin kimppana) räjähdyskaasu melkein kaikilla mahdollisilla vety-ilma-suhteilla.

Lisääntyvä määrä protoneja ja elektroneja tuottaa sitten kaikki tuntemamme alkuaineet, ja niiden moninaisen kemiallisen koostumuksen. Arkielämässä elektronit vaikuttavat lähes kaikkeen, mutta atomiytimet lähinnä materiaalien tiheyteen, painavuuteen. Uraaniydin ja sen vielä painavammat keinotekoiset serkut ovat yli 200 kertaa vetyatomia painavampia. Atomiytimen halkaisija on uraanilla noin 12 fm, eli noin 8 kertaa protonia suurempi. Ytimessä protonit ja neutronit pakkautuvat lähestulkoon kuin pallot eli ne eivät kykene puristamaan toisiaan kasaan. Pikemminkin koossapito vaatii aina vaan enemmän neutroneita, joita uraanin neutraalissa isotoopissa on 146, kun protoneita on 92. Atomiydin kasvaa sen massan kasvaessa.

Elektronien tilanne on erilainen, koska kvanttimekaanisia tiloja, joihin ne voivat sijoittua on paljon. Siten atomin koko ei ole verrannollinen elektronien määrään vaan vaihtelee pienestä heliumista sitä kymmenen kertaa isompaan cesiumiin, joka on vasta keskimassainen atomi.

Mittakaavasta lisää

Vetyatomin massa on varsin pieni ja yhteen milligrammaan vetyä tarvitaan 6x10²⁰ atomia. Se on vaikeasti hahmotettava luku: karkeasti jokainen nyt elävä ihminen voisi antaa 10 vetyatomia kaikille muille nyt eläville ihmisille, tai meidän kaikkien pitäisi kätellä toisiamme 20 kertaa.

Edellä jo mainittiin sana isotooppi, jonka voi määritellä näin: Kunkin alkuaineen protonien määrä on vakio, mutta neutronien lukumäärä ytimessä voi vaihdella, näitä kutsutaan alkuaineen isotoopeiksi. Osa isotoopeista on stabiileja eli vakaita, mutta iso osa epävakaita eli radioaktiivisia. Isotooppi määrää radioaktiivisuuden luonteen ja haitallisuuden säteilyn osalta. Epävakaita atomin isotooppeja kutsutaan radionuklideiksi – niiden ydin voi hajota usealla eri tavalla. Radionuklidit ovat tärkein osa ydinjätteen haitallisuutta, joskin muita pienempiä haittoja voi myös olla.

PS Edellä mainittujen sähköisen ja vahvan vuorovaikutuksen lisäksi on vielä heikko vuorovaikutus, joka kuitenkin kykenee rikkomaan atomiytimiä, ja meidän parhaiten tuntema painovoima. Sähköisen vuorovaikutuksen voiman näemme kaikissa kemiallisissa koneissa ja laitteissa, tai suoraan sähköä käyttävissä moottoreissa. Koneet voittavat helposti painovoiman, jopa meidän oman kehomme kemiallinen koneisto. Ympäristömme on kuitenkin yleensä sähköisesti neutraali, joten painovoima hallitsee. Samalla tavoin kuin sähköinen vuorovaikutus kumoaa tarvittaessa painovoiman, myös vahva vuorovaikutus kumoaa sähköisen vuorovaikutuksen protonien välillä atomien ytimessä. Kvanttimekaniikalla ja suppeammalla suhteellisteorialla voidaan ymmärtää kaikki muut paitsi painovoima, jota kuvaa yleinen suhteellisuusteoria. Fyysikot ponnistelevat voidakseen luoda kvanttipainovoiman teorian, toistaiseksi tuloksetta.