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.