Usein kysyttyjä kysymyksiä

Reaktorin kehitys käynnistyi VTT:llä keväällä 2020. Teknologian tutkimuskeskus VTT on Suomen valtion omistama teollisuuden ja elinkeinoelämän tarpeita palveleva tutkimus- ja kehitysyhtiö.

Hankkeen ensimmäisessä vaiheessa reaktorin perustoiminnoista luotiin laskennallinen malli, jonka avulla konsepti todettiin turvalliseksi ja toteuttamiskelpoiseksi.

VTT:n hallitus myönsi tammikuussa 2023 hankkeelle mittavan lisärahoituksen, jonka myötä kehitys siirtyi seuraavaan vaiheeseen. Tekninen suunnittelu on laajentunut reaktorin ja siihen kytkeytyvien järjestelmien kuvauksesta kattamaan kaikki kaukolämpölaitoksen toiminnot.

Kesäkuussa 2023 hanketta edistämään perustettiin VTT:n spin-off yritys Steady Energy, jonka tehtävänä on kaupallistaa teknologia, ja samalla toteuttaa koejärjestelyt, jolla reaktorin jäähdytysratkaisujen toimivuus osoitetaan käytännössä.

VTT jatkaa merkittävällä panoksella reaktorin teknistä kehitystä Steady Energy -yhtiön tilaustyönä projektisopimuksen mukaisesti, ja yhteistyössä suomalaisten ydinenergia-alan toimijoiden, valmistavan teollisuuden yritysten sekä energian loppukäyttäjien kanssa.

Reaktorin kehityksen parissa työskentelee tällä hetkellä 30—40 asiantuntijaa, joiden erityisosaamisalueita ovat esimerkiksi reaktoritekniikka, ydin- ja säteilyturvallisuus, virtausmekaniikka sekä materiaalien käyttäytyminen erilaisissa olosuhteissa. Kaiken kaikkiaan VTT:llä työskentelee asiantuntijatehtävissä lähes 2000 tutkijaa, joiden osaaminen on käytettävissä projektin tarpeisiin. LDR-teknologian kaupallistamisesta vastaavan Steady Energy -yhtiön perustajilla on myös pitkäaikaista kokemusta ydinenergiahankkeista Suomessa.

Kehitystyö on jo laajentunut VTT:n ulkopuolelle. Suomesta löytyy pitkän linjan ydinenergiaosaamista laitosten käytöstä käytetyn polttoaineen loppusijoitukseen. Monella teollisuudessa toimivalla suunnittelutoimistolla sekä automaatio-, energia-, rakennus- ja konepajatekniikan yrityksellä on kokemusta myös ydinenergiapuolelta. 

LDR edustaa perusratkaisuiltaan melko perinteistä kevytvesireaktoriteknologiaa, joka tunnetaan Suomessa hyvin. Reaktorityypin valintaan vaikutti ratkaisevasti juuri se, että suunnittelutyö voitaisiin toteuttaa kotimaisin voimin. 

Reaktori on suunniteltu tuottamaan kaukolämpöä, eli laitoksen järjestelmiin ei kuulu lainkaan höyryturbiinia tai sähköä tuottavaa generaattoria. Lämmityslaitos voidaan kytkeä suoraan olemassa olevaan kaukolämpöverkkoon.  

Tavoitteena on saada ensimmäisen LDR-demonstraatiolaitos valmiiksi vuosikymmenen loppuun mennessä. Teknologia voisi olla laajamittaisessa kaupallisessa käytössä 2030-luvulla.  Steady Energy -yhtiö on solminut aiesopimuksia kunnallisten energiayhtiöiden kanssa 15 LDR-reaktoriyksikön rakentamisesta.

Yksittäinen LDR-50 –reaktorimoduuli tuottaa 50 megawattia lämpöä, joka syötetään välipiirin kautta kaukolämpöverkkoon 65—120 asteen lämpötilassa. Lämmityslaitos voi koostua yhdestä tai useammasta reaktoriyksiköstä, eli tuotantoa voidaan skaalata tarpeen mukaan ylöspäin. 

Yksittäisen 50 MW:n reaktorin tuotanto riittäisi laskennallisesti kattamaan 10,000 — 20,000 pientalossa asuvan nelihenkisen kotitalouden vuosittaisen lämmitystarpeen. Tyypillisen keskikokoisen suomalaiskaupungin lämmitystarpeisiin soveltuisi yksittäinen ydinkaukolämpölaitos, joka koostuisi 2—4 reaktoriyksiköstä. Pääkaupunkiseudulla verkkoon mahtuisi useampikin laitos. 

Ydinvoimalaitoksia on käytetty sähkön ja lämmön yhteistuotantoon monessa sellaisessa maassa, jossa kaukolämpö on muutenkin suhteellisen yleinen lämmitysmuoto. Yhteistuotannosta on kokemusta Bulgariassa, Kiinassa, Ruotsissa, Sveitsissä, Slovakiassa, Ukrainassa, Unkarissa ja Venäjällä. 

Myöskään ajatus yksinomaan kaukolämmöntuotantoon tarkoitetusta ydinreaktorista ei ole täysin uusi. Ruotsissa ja Suomessa kehitettiin 1970—1980 –luvuilla SECURE-nimistä 200 megawatin kaukolämpöreaktoria, jonka sijoituspaikaksi kaavailtiin myös Helsinkiä. Hanke ei lopulta toteutunut, kun lämmityksen polttoaineeksi valittiin kivihiili. 

Aurinko-, tuuli-, ja vesivoiman tapaan myöskään ydinenergia ei tuota suoria kasvihuonekaasupäästöjä. Mikään energiantuotantomuoto ei kuitenkaan ole täysin päästötön, sillä tuotantolaitosten rakentaminen, käyttö, ylläpito ja käytöstäpoisto kuluttavat energiaa ja fossiilisia polttoaineita. Ydinenergian tapauksessa päästötaseeseen lasketaan myös reaktorin polttoainekierto, joka kattaa mm. uraanin louhinnan, isotooppien väkevöinnin sekä käytetyn polttoaineen loppusijoituksen. 

Perinteisten sähköä tuottavien ydinvoimalaitosten kasvihuonekaasupäästöt vertautuvat uusiutuviin energiamuotoihin. Fossiiliseen kivihiileen tai maakaasuun verrattuna ydinvoimaa voidaan pitää erittäin vähäpäästöisenä energiantuotantomuotona. 

Ydinkaukolämmölle ei vielä vastaavia elinkaarianalyysejä ole tehty, mutta koska LDR-50 –reaktorin polttoainekierto vastaa perinteisiä ydinvoimaloita, myös päästöjen voidaan arvioida olevan samaa luokkaa.

Ydinenergian lisäksi vähäpäästöistä lämpöä voidaan tuottaa geotermisellä energialla, suoralla sähkölämmityksellä, lämpöpumpuilla sekä bioenergialla.  

Geotermisen energian tuotantomahdollisuudet ovat Suomessa lähtökohtaisesti paljon huonommat kuin esimerkiksi Islannin kaltaisilla tuliperäisillä alueilla. Lämpöä pitää hakea syvältä kallioperästä, eivätkä pienimuotoiset kokeilut ole toistaiseksi tuottaneet toivottua tulosta. 

Lämpöpumppu perustuu samaan toimintaperiaatteeseen kuin jääkaappi, jossa lämpöä siirretään viileämmästä tilasta lämpimämpään mekaanisen työn avulla. Laite kuluttaa sähköä, mutta lämpöenergiaa saadaan hyötykäyttöön enemmän kuin suoralla sähkölämmityksellä. Paras suorituskyky saavutetaan silloin, kun käytössä on jonkinlainen valmis lämmön lähde. Jos lämpö sen sijaan otetaan suoraan viileästä maaperästä, ilmasta tai vesistöstä, tuotannon tehokerroin jää erityisesti kylminä talvipäivinä vaatimattomaksi. Jotta lämpöpumpuilla tai suoralla sähkölämmityksellä voitaisiin leikata kasvihuonekaasupäästöjä, myös käytetyn sähkön on oltava vähäpäästöistä. 

Bioenergian hiilijalanjälki on fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna pieni, muttei mitätön. Laajamittaisessa käytössä tuotantoa alkavat rajoittaa myös luonnon monimuotoisuuden säilyttämiseen liittyvät vaatimukset. Tulevaisuuden fossiilivapaissa energiajärjestelmissä biomassalla on merkittävä rooli myös teollisuuden raaka-aineena. Arvokkaan luonnonvaran polttaminen lämmityskattilassa on tuskin paras mahdollinen tapa hyödyntää rajallisia resursseja. 

Ydinenergia tarjoaa muille lämmitystavoille rinnakkaisen vaihtoehdon, joka vapauttaa sähköä ja luonnonvaroja arvokkaampaan käyttöön. Tuuli- ja aurinkoenergian tuotannon vaihtelut eivät vaikuta ydinkaukolämpölaitoksen toimintaan, eikä lämmön tuotantokustannus riipu sähkön pörssihinnasta. Reaktorin polttoainetta on mahdollista varastoida vuosien tarpeiksi, mikä on merkittävä huoltovarmuutta lisäävä tekijä.  

Ydinvoimaloita on rakennettu 1950-luvulta lähtien, ja vuosien saatossa on ollut sekä onnistuneita että epäonnisia hankkeita. Viime vuosikymmenien kokemukset ovat osoittaneet, että nykyaikaisen ydinvoimalaitoksen rakentaminen on monimutkainen ja aikaa vievä prosessi, johon liittyy taloudellisia ja aikataulullisia riskejä. Modulaarisella pienreaktoriteknologialla pyritään ratkaisemaan juuri näitä suurten laitosten rakentamisessa ilmenneitä ongelmia. 

Muihin lämmitysvaihtoehtoihin verrattuna ydinkaukolämpölaitoksen rakentaminen on kallista ja haastavaa, mutta käyttö suhteellisen halpaa. Hanke sitoo paljon pääomaa pitkäksi aikaa, ja resursseja erityisesti rakentamisvaiheessa. Ydinvoimalaitokset suunnitellaan tyypillisesti yli 60 vuoden käyttöiälle. Merkittävimmät taloudelliset hyödyt saavutetaan vasta suhteellisen pitkän ajan kuluessa. 

Ydinenergian käyttöön liittyy myös paljon vastuukysymyksiä. Vaatimustaso on erittäin korkea, ja toiminnanharjoittajan on sitouduttava ylläpitämään turvallisuutta sekä huolehtimaan ydinjätteistä. Suomen ydinenergialaki velvoittaa, että turvallisuustasoa on tarvittaessa kyettävä myös kehittämään. 

Turvallisuuteen ja ydinjätteisiin liittyviä asioita on käsitelty yksityiskohtaisemmin tämän sivun myöhemmissä osioissa. 

Suomen nykyinen ydinenergialaki ei estä kaukolämpöreaktorin rakentamista. Tilanne ei kuitenkaan ole luvituksen näkökulmasta paras mahdollinen. LDR-50 ja monet muut pienreaktorit perustuvat modulaariseen sarjavalmistusta hyödyntävään teknologiaan. Luvituskäytännöt on puolestaan alun perin luotu perinteisille suurille yksittäin rakennettaville ydinvoimalaitoksille. Useamman keskenään identtisen reaktoriyksikön luvitustarpeisiin tällainen prosessi on tarpeettoman raskas. 

Viranomaisvaatimuksissa ei myöskään täysin huomioida monia pienreaktoreiden erityispiirteitä, kuten pientä yksikkökokoa tai passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Suomessa on parhaillaan meneillään ydinenergialain kokonaisuudistus, jonka yhtenä tavoitteena on tuoda lainsäädäntö reaktoriteknologian kehityksen kanssa samalle viivalle. 

Ensimmäisen LDR-pilottilaitoksen on määrä demonstroida luvitusprosessi, reaktorin komponenttien hankintaketjut, sekä sarjatuotannossa käytetyt valmistusmenetelmät. Sijoituspaikkaa on vielä auki, mutta alustavia keskusteluja on jo käyty kunnallisten energiayhtiöiden kanssa. Valinta on tulevien asiakkaiden päätös, ja tavoitteena olisi kiinnittää sijoituspaikka pian meneillään olevan kaksivuotisen perussuunnitteluvaiheen jälkeen.

Ennen ensimmäisen ydinkaukolämpölaitoksen rakentamista reaktorin jäähdytyskiertoa ja turvallisuustoimintoja tullaan testaamaan suuren mittakaavan termohydraulisilla kokeilla. Koelaitteessa reaktorin tuottamaa lämpöä simuloidaan sähkövastuksilla. 

Ydinvoimalaitoksen rakentaminen on monivaiheinen prosessi. Suomen ydinenergialain mukaan ydinenergian käytön on oltava aina yhteiskunnan kokonaisedun mukaista. Päätös tehdään eduskunnassa valtioneuvoston esityksen pohjalta. Eduskunnan vahvistama myönteinen periaatepäätös on tavallaan korkeimman tason poliittinen mandaatti laitoksen rakentamiselle. 

Muita päätöksentekoprosessin vaiheita ovat esimerkiksi rakentamis- ja käyttölupa, jotka myöntää valtioneuvosto säteilyturvakeskuksen suosituksesta. Viime kädessä päätäntävalta on kuitenkin laitoksen sijoituspaikkakunnalla. Paikallinen kunnanvaltuusto voi päätöksellään estää laitoksen rakentamisen. 

Ennen LDR-hankkeen käynnistymistä vuonna 2020 VTT:llä tehtiin teknistaloudellisia soveltuvuusselvityksiä, joissa tarkasteltiin yleisellä tasolla ydinkaukolämmön tuotantokustannuksia suhteessa muihin vähäpäästöisiin vaihtoehtoihin. Näissä selvityksissä ydinenergia todettiin kilpailukykyiseksi lämmitysmuodoksi, joka voisi olla laajamittaisessa käytössä 2030-luvulla. 

LDR-50 –reaktorilaitoksen rakentamis- ja pääomakustannuksista on tehty alustavia arvioita, joiden perusteella hinta jää 1,5 €/W tavoitetason alapuolelle. Käyttökustannusten arviointi edellyttää kuitenkin tarkempaa tietoa esimerkiksi siitä, miten ja minkälaisella käyttöhenkilökunnalla laitosta operoidaan. Jokainen kaukolämpöverkko on myös oma markkinansa, sillä sähköstä poiketen lämpö sekä tuotetaan että kulutetaan paikallisesti. Kannattavuus riippuu siis myös siitä, mihin laitos rakennetaan. 

Suunnittelun edessä myös kustannuksista saadaan tarkempaa tietoa. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että ydinvoimalaitosten rakentaminen on kallista mutta käyttö halpaa. Esimerkiksi uraanin maailmanmarkkinahinnalla ei ole suurta vaikutusta tuotetun energian hintaan. 

Ydinvoima on Suomen merkittävin yksittäinen sähköntuotantomuoto, joka vuonna 2023 kattoi 41 % kotimaisesta tuotannosta. Muita merkittäviä tuotantomuotoja olivat vesivoima (18.8 %), tuulivoima (18.2%) sekä bioenergia (13.0 %). Vuoden 2023 luvuissa ei vielä täysimittaisesti näy Olkiluoto-3 –reaktorin käyttöönotto, joka kasvatti Suomen ydinenergiakapasiteettia yli puolella.  

Suomessa toimii tällä hetkellä viisi ydinreaktoria kahdella laitospaikalla. Loviisan ydinvoimalaitoksella on kaksi venäläisvalmisteista VVER-440 –painevesireaktoria, jotka on otettu käyttöön vuosina 1978 ja 1981. Olkiluodossa on kaksi ruotsalaisen ASEA Atomin valmistamaa kiehutusvesireaktoria, joiden käyttö alkoi 1979 ja 1982. Olkiluoto-3 on ranskalaisvalmisteinen painevesityyppinen reaktori. Reaktori käynnistettiin ensimmäisen kerran joulukuussa 2021, ja säännöllinen sähköntuotanto alkoi huhtikuussa 2023. 

Maailmalla on tällä hetkellä käytössä 413 reaktoriyksikköä 31 maassa. Rakenteilla on 58 laitosta. Suurin osa käytössä olevasta reaktorikannasta on verrattain vanhaa, sillä ydinvoimarakentamisen tahti alkoi länsimaissa hiipua vuonna 1979 tapahtuneen Three-Mile-Islandin, tai viimeistään 1986 tapahtuneen Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen. 2000-luvulla uusia reaktoreita on rakennettu ennen kaikkea Kiinaan.

Kiinnostus ydinvoiman lisärakentamista kohtaan on kuitenkin heräämässä uudelleen myös lännessä. Uusia reaktoreita on rakenteilla esimerkiksi Ranskaan, Iso-Britanniaan, Yhdysvaltoihin ja Etelä-Koreaan. Suomen uusin ydinvoimalaitosyksikkö, Olkiluoto-3, aloitti säännöllisen sähköntuotannon huhtikuussa 2023. Ydinvoimarakentamisen uudelleen käynnistämisestä käydään keskustelua myös esimerkiksi Ruotsissa ja Japanissa.

Tällä hetkellä ydinenergia-ala on melkoisessa murroksessa. Kuumia puheenaiheita ovat erityisesti pienreaktorit, joilla viitataan tavallisesti laitoksiin, jotka tuottavat sähköä muutamasta kymmenestä muutamaan sataan megawattiin. Ydinreaktoreille on suunniteltu myös muita käyttökohteita sähköntuotannon rinnalle. Kaukolämmöntuotanto on yksi näistä. Pienreaktorihankkeita on valmisteilla myös sellaisissa maissa, joissa ei ole aikaisempaa ydinvoimateollisuutta. Euroopassa tällaisia maita ovat Viro ja Puola.

Ydinreaktorin toiminta perustuu neutronien eteenpäin kuljettamaan ketjureaktioon. Neutroni absorboituu uraaniatomin ytimeen, ja saa sen halkeamaan kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. Tällaista ydinreaktiota kutsutaan fissioksi. Halkeamisen yhteydessä vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita, jotka kuljettavat reaktioketjua eteenpäin. 

Reaktorin käyttämä ydinpolttoaine on tavallisimmin kiinteää uraanioksidia. Polttoainetabletit on suljettu metallisten suojakuoriputkien sisälle. Nämä polttoainesauvat on edelleen koottu suuremmiksi nipuiksi, jotka yhdessä muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Reaktorin jäähdyte virtaa polttoainesauvojen välistä sydämen läpi.

Tavanomainen ydinvoimalaitos on toimintaperiaatteeltaan lauhdevoimala, jossa lämmityskattila on korvattu lämpöä tuottavalla ydinreaktorilla. Lämpöenergia muutetaan laitoksen turbiinikierrossa mekaaniseksi energiaksi, ja generaattorissa edelleen sähköksi. LDR-reaktorin tapauksessa laitoksessa ei kuitenkaan ole lainkaan turbiinikiertoa, vaan reaktorin tuottama lämpö ohjataan välipiirin kautta kaukolämpöverkkoon. 

Uraani on jaksollisen järjestelmän aktinidisarjaan kuuluva radioaktiivinen, metallinen alkuaine, jota esiintyy kaikkialla maapallolla. Pitoisuudet kuitenkin vaihtelevat alueittain. Suurimmat uraanintuottajamaat ovat Kazakstan, Namibia, Australia ja Kanada. Euroopassa ei tällä hetkellä ole lainkaan uraanin alkutuotantoa, mutta tilanne on muuttumassa kun suomalaisen Terrafame-yhtiön Sotkamon monimetallikaivoksessa aloitetaan uraanin talteenotto kaivoksen sivuvirroista vuonna 2024.  

Uraani koostuu kahdesta isotoopista: U235 ja U238, jotka poikkeavat toisistaan ytimen neutroniluvun osalta. Atomiytimen rakenne määrää myös sen ydinfysikaaliset ominaisuudet. Ainoastaan isotooppi U235 fissioituu helposti neutronin osumasta, jolloin ketjureaktio voi jatkua eteenpäin. Luonnonuraanissa U235:n suhteellinen osuus on vain 0.72%. Fissioreaktion todennäköisyyden kasvattamiseksi ydinpolttoaineena käytettävä uraani käy läpi väkevöintiprosessin, jossa U235-isotoopin pitoisuus nostetaan vähintään muutamaan prosenttiin. 

Vaikka uraani on radioaktiivinen alkuaine, se ei itsessään aiheuta ympäristöön merkittävää säteilyhaittaa. Voimakkaasti säteilevät aineet syntyvät polttoaineeseen reaktorin käynnistämisen jälkeen. 

LDR on käytännössä matalassa lämpötilassa toimiva painevesityyppinen kevytvesireaktori. Termi kevytvesireaktori viittaa siihen, että reaktorin jäähdytteenä käytetään tavallista “kevyttä” vettä. Suurin osa maailman ydinreaktoreista toimii samalla periaatteella. Harvinaisemmissa raskasvesireaktoreissa vesimolekyylin vety-ytimet on puolestaan korvattu vedyn raskaammalla isotoopilla, eli deuteriumilla. Muita reaktorityyppejä ovat muun muassa kaasujäähdytteiset korkean lämpötilan reaktorit, sulasuolareaktorit sekä nopeat natriumjäähdytteiset reaktorit. 

Reaktorisydämen läpi virtaava vesi jäähdyttää polttoainetta, mutta sillä on reaktorin toiminnan kannalta myös toinen tärkeä rooli. Vesi toimii reaktorin neutronihidasteena, eli -moderaattorina. Neutronien hidastaminen matalalle energia-alueelle kasvattaa niiden todennäköisyyttä osua helposti fissioituviin uraanin U235–isotoopin ytimiin. Matalaenergisillä neutroneilla toimiva reaktori voi käyttää polttoaineenaan uraania, jossa U235:n atomiosuus on vain muutaman prosentin luokkaa. Ilman moderaattoria ketjureaktio ei pysy käynnissä. 

Ydinreaktorin tehon säätö tapahtuu ketjureaktion toimintatilan kautta. Tähän käytetään tavallisesti neutroniabsorbaattoria sisältäviä säätösauvoja, jotka useimmissa painevesireaktoreissa työntyvät polttoainenipuissa oleviin ohjausputkiin, ja kiehutusvesireaktoreissa nippujen väliin. Kun säätösauvoja vedetään ulos sydämestä, reaktorin teho alkaa hitaasti nousta. Teho saadaan vastaavasti laskemaan työntämällä sauvoja syvemmälle sydämeen.

Tavanomaisissa painevesireaktoreissa säätöön käytetään myös jäähdytteeseen liuotettua boorihappoa, jonka pitoisuutta voidaan muuttaa käyttöjakson edetessä. Monista pienreaktoreista boorisäätö on kuitenkin jätetty yksinkertaisuuden vuoksi pois. Myös LDR:ssä säätö on toteutettu yksinomaan liikuteltavilla absorbaattorisauvoilla.

Suurin rakenteellinen ero ydinkaukolämpölaitoksen ja tavanomaisen ydinvoimalan välillä on, että turbiinikierron sijaan reaktorin tuottama lämpö ohjataan kaukolämpöverkkoon.  

Laitosprosessiin kuuluu kaksi erillistä vesikiertoa. Reaktorin polttoainetta jäähdyttävä vesi virtaa paineastian sisällä, ja kuljettaa lämpöä sydämestä primääripiirin lämmönvaihtimille. Kierron ylläpitämiseen ei käytetä lainkaan pumppuja, vaan virtaus syntyy luonnostaan lämpötilaeron vaikutuksesta.  

Lämmönvaihtimen sisällä on suuri määrä ohuita putkia, joiden seinämien läpi lämpö siirtyy välipiirin veteen. Välipiirin toisessa päässä on samalla periaatteella toimiva lämmönvaihdin, jonka kautta lämpö siirtyy edelleen kaukolämpöverkkoon. Koska kytkentä tehdään erillisen vesikierron kautta, kaukolämpöverkossa virtaava vesi ei ole missään vaiheessa kosketuksissa reaktorin rakenteiden kanssa. 

Jotta ydinvoimalaitos voi tuottaa sähköä kustannustehokkaasti, turbiinille syötettävän höyryn lämpötila on nostettava lähes 300 asteeseen. Tämä edellyttää, että reaktorin jäähdytyskierto toimii korkeassa paineessa. Kiehutusvesireaktoreiden tyypillinen käyttöpaine on 70 ja painevesireaktoreiden 140—150 baaria. 

Kaukolämmöntuotantoon riittää huomattavasti matalampi toimintalämpötila. Verkkoon syötettävän veden lämpötila vaihtelee 65 ja 120 asteen välillä, minkä vuoksi reaktori voi toimia alle 10 baarin paineessa. LDR-50 –reaktorin käyttöpaine onkin lähempänä kuohuviinipulloa tai espressokeitintä kuin perinteistä sähköntuotantoon suunniteltua ydinreaktoria. 

Kaukolämpöreaktorin vaatimattomat toimintaolosuhteet yksinkertaistavat laitoksen suunnittelua ja komponenttien valmistusta. Perinteisissä ydinvoimalaitoksissa reaktorin paineastia voi olla valmistettu 25 cm paksusta teräksestä. Kaukolämpöreaktorissa vastaavaksi seinämävahvuudeksi riittää muutama sentti. Laitoksen toimintaa yksinkertaistaa myös se, että turbiini ja generaattori jäävät kokonaan pois. 

Perinteisille kevytvesireaktoreille vaihtoehtoisia teknologioita kehitetään maailmalla aktiivisesti, ja niihin liittyy korkeita odotuksia. Nestemäisellä polttoaineella toimiva sulasuolareaktori on yksi puhutuimmista tulevaisuuden reaktoriteknologioista. Uusien reaktorityyppien laajamittainen käyttöönotto edellyttää kuitenkin vielä paljon kehitystä ja kokeellista tutkimusta.  

Uusiin teknologioihin liitetään helposti myös vääriä mielikuvia. Sulasuolareaktoreiden kerrotaan usein olevan esimerkiksi turvallisuudeltaan ylivoimaisia nykylaitoksiin verrattuna, sillä energiaa tuottava ketjureaktio ei voi karata hallitsemattomaan kasvuun. Todellisuudessa sama pätee myös kaikkiin kevytvesireaktoreihin. Ketjureaktion stabiilisuusvaatimus kuuluu myös LDR-50:n suunnitteluperusteisiin. 

Merkittävin todellinen ero uusien ja perinteisten reaktoriteknologioiden välillä on, että reaktorin jäähdytyskierrossa virtaa jotain muuta lämmönsiirtoainetta kuin vettä. Tällainen reaktori voi toimia matalassa paineessa, mikä yksinkertaistaa jäähdytysjärjestelmien toteutusta. Myös reaktorin käyttölämpötilaa voidaan nostaa sadoilla asteilla. Vesijäähdytteiset reaktorit toimivat korkeintaan noin 300 asteen lämpötilassa. Sulasuolareaktorit yltävät jopa 700 asteen käyttölämpötilaan, mikä mahdollistaa lämpöenergian hyödyntämisen monissa teollisuusprosesseissa. 

LDR-50 on kuitenkin suunniteltu nimenomaisesti kaukolämmöntuotantoa varten. Tähän käyttötarkoitukseen riittää matalassa lämpötilassa toimiva hyvin tunnettuun kevytvesiteknologiaan perustuva reaktori. Jäähdytyskierto toimii vedellä, mutta tavanomaista matalampi käyttöpaine tuo suunnitteluun vastaavia etuja kuin seuraavan sukupolven reaktorityypeissä.  

Lämmityslaitoksen fyysinen koko määräytyy reaktoriyksikön vaatiman tilan, yksiköiden lukumäärän sekä lämmöntuotantoon ja muuhun toimintaan tarvittavien järjestelmien tilantarpeen mukaan. 

Yksittäinen LDR-50 –reaktorimoduuli vastaa kooltaan suunnilleen pystyyn nostettua linja-autoa. Moduulit upotettu halkaisijaltaan noin kymmenmetrisiin vesialtaisiin. Yhdessä lämmityslaitoksessa on yksi tai useampi reaktoriyksikkö, jotka on sijoitettu riviin yhteisen reaktorihallin sisälle. Valvomohuone ja kaukolämpöverkon lämmönvaihtimet on sijoitettu erillisiin rakennuksiin, joissa on myös muita teknisiä tiloja. 

Kokonaisuudessaan lämmityslaitos vie tilaa pienen tai keskisuuren teollisuustontin verran. 

Koska lämpöä ei ole mahdollista siirtää kustannustehokkaasti pitkien etäisyyksien päähän, lämmityslaitoksen on sijaittava kaupungin kaukolämpöverkon alueella. Todennäköisin sijoituspaikka ei kuitenkaan ole kaupungin keskusta tai muukaan kovin aktiivisesti asukkaiden käytössä oleva alue. Kaupunkisuunnittelussa hyvillä paikoilla olevat vapaat tontit halutaan tavallisesti hyödyntää muuhun käyttöön. 

Laitoksen sijoituspaikaksi soveltuisi esimerkiksi teolliseen toimintaan varattu alue, jolla on jo valmiiksi tehdas-, voimalaitos- tai muuhun vastaavaan käyttöön kaavoitettuja tontteja. Tällaisilta alueilta löytyy tavallisesti myös laitoksen rakentamiseen ja käyttöön tarvittava tie-, sähkö- ja kaukolämpöinfra. 

Reaktoriyksiköiden ja muiden ydinteknisten tilojen sijoittamista maanalaiseen kallioluolaan pidetään ensisijaisena vaihtoehtona. Tämän vaihtoehdon etuna on esimerkiksi luontainen suoja lentokonetörmäyksiä vastaan, mikä vähentää rakentamisessa tarvittavan betonin määrää. Osa laitoksen toiminnoista olisi tässäkin vaihtoehdossa sijoitettu maan pinnalle. 

LDR-teknologiaa kehittävä VTT ja Steady Energy ovat molemmat suomalaisia yhtiöitä. Tavoitteena on, että laitoksen suunnittelu sekä rakentaminen ja pääkomponenttien valmistus voitaisiin toteuttaa täysin suomalaisin voimin. Suomesta löytyy vahvaa osaamista kallio- ja betonirakentamisesta, painelaitteiden valmistuksesta, prosessi-, energia- ja automaatiotekniikasta, ja oikeastaan kaikilta niiltä teknologian osa-alueilta, joita hankkeen toteuttamiseen tarvitaan. Monella Suomessa toimivalla yrityksellä on kokemusta myös ydinenergia-alalta. 

Merkittävän poikkeuksen muodostaa kuitenkin reaktorin polttoaine, jonka valmistusketjuun kuuluu uraanin louhinta, isotooppien väkevöinti, konversio uraanioksidiksi sekä polttoainesauvojen ja -nippujen valmistus. Uraanin alkutuotantoa lukuun ottamatta ydinpolttoaineen valmistukseen vaadittavaa teknologiaa ei Suomesta löydy. Reaktorissa käytetään vastaavan tyyppisiä polttoainenippuja kuin perinteisissä painevesireaktoreissa, eli polttoaine hankittaisiin nykylaitosten tapaan kansainvälisiltä markkinoilta. Polttoainenippuja valmistetaan esimerkiksi Yhdysvalloissa, Etelä-Koreassa, Ranskassa, Iso-Britanniassa, Espanjassa ja Ruotsissa. 

Ydinkaukolämpölaitos on suunniteltu ensisijaisesti vastaamaan kotimaiseen tarpeeseen, mutta teknologiaan liittyy myös huomattava vientipotentiaali. EU-alueella toimii noin 3500 kaukolämpöverkkoa, joiden piirissä asuu 60 miljoonaa ihmistä. Kolme neljäsosaa tuotannosta katetaan tällä hetkellä fossiilisilla polttoaineilla. Kivihiilen käytöstä pyritään luopumaan ilmastosyistä. Maakaasua pidettiin aikaisemmin varteenotettavana ylimenokauden polttoaineena, mutta Venäjän hyökkäyssota Ukrainassa on muuttanut tilanteen täysin. 

Suomen ulkopuolella potentiaalisin markkina-alue löytyy sellaisista maista, joissa on sekä paljon valmiita kaukolämpöverkkoja että myönteinen suhtautuminen ydinenergiaa kohtaan. Euroopassa tällaisia maita ovat esimerkiksi Puola, Tšekki, Viro, Liettua ja Ruotsi. 

Reaktorin ympärillä on niin paljon suojausta, ettei suora säteilyvaikutus ulotu laitoksen ulkopuolelle. Voimakkaasti radioaktiiviset aineet syntyvät reaktorin käytön aikana kiinteään ydinpolttoaineeseen. Pienempiä määriä radioaktiivisia isotooppeja syntyy myös reaktorisydämen läpi virtaavaan veteen. Polttoaineen kanssa kosketuksissa olevaa vettä ei kuitenkaan missään vaiheessa lasketa ympäristöön, vaan kierto on eristetty reaktoriastian sisälle.

Sydämen läpi virtaava jäähdytyskierto on eristetty myös kaukolämpöverkosta lämmönvaihtimilla ja ylimääräisellä välipiirillä. Lämpö siirtyy piiristä toiseen, mutta vesikierrot eivät ole suorassa kosketuksessa toistensa kanssa. Kaukolämpöverkko toimii reaktoria ja välipiiriä korkeammassa paineessa, millä varmistetaan, ettei sydämen läpi virtaavaa vettä pääse edes vuototilanteessa kaukolämpöverkkoon.

Radioaktiivisuus ei vastoin yleistä mielikuvaa siirry säteilyn mukana. Vaikka lämmönvaihtimen reaktorin puoleisessa kierrossa virtaava vesi säteilee, toisella puolella virtaava vesi ei muutu pelkän siihen kohdistuvan säteilyn vaikutuksesta radioaktiiviseksi.  

Normaalikäytön aikana voimakkaasti säteilevät aineet jäävät reaktorin polttoaineeseen. Kaikki ydinvoimalaitokset päästävät kuitenkin pieniä määriä radioaktiivisia aineita ympäristöön. Päästöt koostuvat erityisesti radioaktiivisista jalokaasuista, joita vapautuu esimerkiksi reaktorin vedenpuhdistusjärjestelmien kautta ilmaan.  

Ydinvoimalaitosten päästöille on lainsäädännössä asetettu tiukat rajat. Lähialueen väestölle aiheutuvan säteilyhaitan on jäätävä merkityksettömän pieneksi suhteessa luonnollisen taustaan.  Keskivertosuomalaiselle aiheutuu maaperän radonista ja muista luonnollisista lähteistä yhteensä noin viiden millisievertin säteilyannos vuodessa. Ydinvoimalaitosten käytöstä aiheutuvan lisäannoksen on jäätävä alle 0,01 millisievertiin. Esimerkiksi Loviisan ja Olkiluodon ydinvoimalaitosten päästöt ovat jääneet selvästi viranomaisvaatimuksissa asetettujen rajojen alapuolelle. Vastaavia päästörajoja tullaan asettamaan myös LDR-50 -laitoksille.

Ydinreaktorit kestävät hyvin normaalikäytön aikaisia olosuhteita, sekä useimpia poikkeustilanteita. Voimakas lämpötilan nousu reaktorin sydämessä voi kuitenkin johtaa polttoaineen vaurioitumiseen, jolloin radioaktiivisia aineita pääsee vapautumaan polttoainesauvojen sisältä. Tällainen tilanne voi seurata joko liian korkeaksi kasvaneesta tehosta, tai jäähdytysjärjestelmän häiriöstä.

Turvallisuussuunnittelun keskiössä on onnettomuustilanteiden ennaltaehkäiseminen. Yksi tärkeimmistä suunnittelukriteereistä on, että energiaa tuottava ketjureaktio toimii aina stabiilissa tilassa. Stabiilisuus on reaktorin sisäsyntyinen ominaisuus, joka ei riipu esimerkiksi säätöautomatiikasta tai ohjaajien toimenpiteistä. Tällaisessa reaktorissa tehotason muutokset tapahtuvat hallitusti ja hitaasti, ja ketjureaktio hakeutuu itsestään sellaiseen tilaan, jossa polttoaineen lämmöntuotto ja jäähdytys ovat keskenään tasapainossa. Häiriötilanteessa reaktori sammuttaa itse itsensä. Vakaa toimintatila on kirjattu myös viranomaisvaatimuksiin.

Ketjureaktion hallinnan sijaan turvallisuussuunnittelun suurimmat haasteet liittyvät riittävän jäähdytyskierron varmistamiseen. Reaktorissa syntyneiden radioaktiivisten isotooppien hajoamisessa vapautuu energiaa, joka ilmenee voimakkaana lämmöntuottona. Reaktoritekniikassa tätä kutsutaan polttoaineen jälkilämmöksi.

Reaktori saadaan tarvittaessa nopeasti sammumaan, mutta jälkilämmön vuoksi teho ei putoa välittömästi nollaan. Jos jäähdytteen virtaus sydämeen keskeytyy pitkäksi aikaa, polttoaine voi ylikuumentua, ja pahimmassa tapauksessa sulaa. Koska radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuvaan energiaan on mahdoton vaikuttaa, reaktorin turvallisuussuunnittelu on tehtävä aina jälkilämmön ehdoilla. Samasta syystä jäähdytysjärjestelmien toimintavarmuus korostuu myös turvallisuusvaatimuksissa.

Vaikka reaktorin polttoaine vaurioituisi tai sulaisi, tilanteesta ei seuraa suoraan päästöä ympäristöön. Ennaltaehkäisyn lisäksi onnettomuustilanteisiin varaudutaan pidättämällä radioaktiiviset aineet laitoksen sisälle.

Ydinreaktoreiden turvallisuussuunnittelu nojaa nk. syvyyssuuntaisen puolustuksen periaatteeseen. Rakenteellisesti tällä tarkoitetaan sitä, että voimakkaasti radioaktiiviset aineet on suljettu useamman toisistaan riippumattoman vapautumisesteen sisälle. Sisältä ulospäin lukien nämä vapautumisesteet ovat tavallisesti uraanioksidipellettien kiinteä olomuoto, polttoainesauvojen kaasutiivis metallinen suojakuoriputki, laitoksen suljettu jäähdytyskierto sekä tiivis suojarakennus, joka ympäröi kaikkia reaktorin jäähdytyskiertoon kuuluvia osia.

Vapautumisesteiden toimintaa tuetaan erilaisilla turvallisuusjärjestelmillä. Tärkeimmät näistä liittyvät polttoaineen jäähdytykseen. Onnettomuustilanteet saadaan ehkäistyä varmistamalla polttoaineelle riittävä jäähdytys kaikissa tilanteissa. Perinteisesti jäähdytykseen on käytetty sähkötoimisia vesipumppuja. Koska kyse on mekaanisista laitteista, myös niiden vikaantuminen on huomioitava laitoksen turvallisuussuunnittelussa. Jäähdytys ei saa vaarantua, vaikka vain osa vesikiertoa ylläpitävistä pumpuista toimisi tarkoitetulla tavalla. Kyse on eräänlaisista vikasietoisuuskriteereistä. Jos pumput saavat käyttövoimansa sähköstä, myös laitoksen sähköjärjestelmät on varmennettava vastaavat vikasietoisuuskriteerit täyttävillä varajärjestelmillä.

Onnettomuustilanteiden ennaltaehkäisystä huolimatta riippumattomuusvaatimuksiin kuuluu myös varautuminen reaktorin vaurioitumiseen. Ulompien vapautumisesteiden on kestettävä vakavan onnettomuuden aikaisia olosuhteita. Samalla tavalla riippumattomiin puolustustasoihin voidaan lukea myös päästöjen rajoittaminen erilaisilla suodattimilla, sekä väestönsuojelutoimet, joilla vähennetään lähialueella asuvien ihmisten säteilyaltistusta.

Passiivisella turvallisuussuunnittelulla viitataan tavallisesti siihen, että reaktorin hätäjäähdytys- ja jälkilämmönpoistojärjestelmät perustuvat veden luonnolliseen kiertoon. Ydinpolttoaineen jäähdytys ei tällöin ole sähkönsyötön, automaation tai reaktorin ohjaajien tekemien toimenpiteiden varassa.  

Passiiviset järjestelmät mahdollistavat sen, että ydinvoimalaitoksilta edellytettävä erittäin korkea turvallisuustaso saavutetaan yksinkertaisemmalla tekniikalla, eli ilman monimutkaisia ja moninkertaisesti varmistettuja aktiivisia (sähkötoimisia) järjestelmiä. Passiivisia järjestelmiä on suunniteltu perinteisiin suuriin ydinvoimalaitoksiin, mutta pienreaktoreissa ne ovat enemmän sääntö kuin poikkeus. 

Myös LDR-50:n turvallisuussuunnittelu perustuu passiiviseen teknologiaan. Reaktorimoduuli rakentuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta. Sisempi reaktoriastia sulkee sisälleen reaktorin polttoaineen, lämmönvaihtimet, ja koko sydämen läpi virtaavan jäähdytyskierron. Reaktoriastiaa ympäröivä suoja-astia toimii syvyyssuuntaisen puolustuksen ulompana vapautumisesteenä. 

Reaktorimoduulit on upotettu lämpönieluina toimiviin vesialtaasiin. Polttoaineessa muodostuva lämpö pyrkii luonnostaan siirtymään paineastioiden seinämien ja niiden välissä olevan tilan läpi altaan veteen. Normaalikäytössä lämpö houkutellaan reaktoriastiasta ulos lämmönvaihtimien kautta, jolloin myös lämpövirta altaaseen jää pieneksi. Häiriötilanteessa reaktori palautuu kuitenkin aina luontaiseen tilaansa, jossa erillistä jäähdytystä ei tarvita. 

Passiivinen lämmönsiirto reaktorista altaaseen perustuu reaktori- ja suoja-astian välisessä tilassa olevan veden kiehumiseen ja höyryn lauhtumiseen astian viileää ulkoseinämää vasten. Järjestelmään ei kuulu lainkaan pumppuja, venttiileitä tai muitakaan mekaanisia liikkuvia osia. Reaktorialtaan kapasiteetti riittää esimerkiksi sähkönsyötön häiriötilanteessa vastaanottamaan lämpöä useamman viikon ajan. Käytännössä raja ei kuitenkaan tule vastaan, sillä altaaseen voidaan tarvittaessa ruiskuttaa lisää vettä tarkoitusta varten rakennettuja putkilinjoja pitkin.

Reaktorin turvallisuussuunnittelussa päästään hyödyntämään vaatimattomia toimintaolosuhteita. Luonnonkiertoon perustuvan jäähdytyksen sekä matalan käyttölämpötilan ansiosta häiriötilanteet etenevät hitaasti, eikä niihin liity samalla tavalla korkeapaineisia ilmiöitä kuin perinteisillä ydinvoimalaitoksilla.

Ukrainassa vuonna 1986 tapahtuneessa Tšernobylin ydinvoimalaonnettomuudessa reaktori räjähti tuottaen erittäin suuren radioaktiivisen ympäristöpäästön. Onnettomuusreaktori oli tyypiltään grafiittimoderoitu kanavatyyppinen kiehutusvesireaktori (RBMK), johon liittyi useita turvallisuuden kannalta ongelmallisia erityispiirteitä. Reaktorin käyttöön liittyvät riskit ja aikaisemmat läheltä piti –tilanteet eivät kuitenkaan olleet laitoksen käyttöhenkilökunnan tiedossa, eli onnettomuuden taustalla vaikutti myös paljon inhimillisiä tekijöitä. 

RBMK-reaktoreiden perimmäinen ongelma on se, että ne ovat jäähdytteen kiehumisen suhteen luontaisesti epästabiileja. Lämpötilan noustessa reaktorin teho lähtee kasvamaan, mikä puolestaan nostaa edelleen lämpötilaa. Seurauksena voi olla itseään ruokkiva kierre, joka johtaa lopulta hallitsemattomaan tehon kasvuun. Tšernobylissä reaktori oli onnettomuutta edeltäneen vuorokauden aikana ajettu erittäin epävakaaseen toimintatilaan. Onnettomuusketju käynnistyi reaktorin alasajotilanteessa tehdyn turbiinikokeen yhteydessä. 

Tavanomaiset paine- ja kiehutusvesireaktorit käyttäytyvät jäähdytteen kiehumisen suhteen juuri päinvastaisella tavalla. Lämpötilan nousu hillitsee tehon kasvua, mikä saa ketjureaktion käyttäytymään stabiilisti. Jos lämpötila nousee riittävän korkeaksi, reaktori sammuu. Tämä luontainen ominaisuus sulkee pois merkittävimmän Tšernobylin onnettomuuden taustalla vaikuttaneista tekijöistä, minkä vuoksi myöskään vastaavaa onnettomuusketjua ei näissä reaktorityypeissä pidetä mahdollisena. Sama pätee myös LDR-50 –reaktoriin. Vaatimus ketjureaktion stabiilisuudesta on kirjattu viranomaisohjeisiin.  

Japanissa vuonna 2011 tapahtunut Fukushiman ydinvoimalaonnettomuus sai alkunsa luonnonkatastrofista. Voimakas maanjäristys katkaisi laitokselta valtakunnanverkkoon johtaneet sähkölinjat, jonka seurauksena sähkönsyötössä siirryttiin käyttämään varavoimageneraattoreita. Tuntia myöhemmin rannikolle iski korkea tsunamiaalto, joka tuhosi myös varavoimageneraattorit jättäen laitoksen täysin ilman sähköä.  

Kaikki ydinvoimalaitoksen reaktorit oli tässä vaiheessa jo sammutettu, mutta radioaktiivisesta hajoamisesta peräisin oleva jälkilämpö lämmitti polttoainetta vielä kymmenien megawattien teholla. Jäähdytykseen käytetyt järjestelmät toimivat sähköllä, joten varavoimageneraattoreiden menetyksen jälkeen jälkilämpöä ei saatu enää siirrettyä reaktoreista ulos. Tilanne kesti useita päiviä, ja seurauksena oli lopulta vakava sydämensulamisonnettomuus kolmella laitosyksiköllä. 

Fukushiman onnettomuuden taustalla vaikutti sekä teknisiä että puutteellisesta turvallisuuskulttuurista kumpuavia tekijöitä. Ydinvoimalaitosten suunnittelussa turvallisuuden kannalta kriittisille järjestelmille sovelletaan nk. erilaisuus- ja erotteluperiaatteita, joiden mukaan esimerkiksi jäähdytysjärjestelmien sähkönsyöttö on turvattava siten, ettei mikään yksittäinen alkutapahtuma voi vaikuttaa kaikkiin varajärjestelmiin samanaikaisesti. Fukushimassa kaikki varavoimageneraattorit oli sijoitettu laitosten kellaritiloihin, jotka jäivät tsunamin jäljiltä veden alle. Suunnitteluperuste petti tältä osin täysin.  

Monissa ydinvoimamaissa turvallisuussunnitteluun sovelletaan nk. jatkuvan parantamisen periaatetta, eli turvallisuutta on kehitettävä sitä mukaa kun tieto riskeistä lisääntyy. Japanissa tällaista käytäntöä ei vielä Fukushiman aikaan ollut. Laitokset oli rakennettu 1970-luvulla, ja ne edustivat turvallisuussuunnittelun osalta edelleen vuosikymmeniä vanhaa tekniikkaa. Jos suunnittelussa olisi sovellettu samoja vaatimuksia kuin uusille ydinvoimalaitoksille, onnettomuus olisi todennäköisesti vältetty kokonaan. 

Fukushiman jälkeen uusien reaktoreiden kehityksessä on alettu kiinnittää yhä enemmän huomiota passiivisiin jäähdytysjärjestelmiin, jotka eivät tarvitse toimiakseen lainkaan sähköä. Tällaisia järjestelmiä on suunniteltu erityisesti pienreaktoreihin. LDR-50:ssä reaktorin jälkilämmönpoisto perustuu veden luonnolliseen kiertoon ilman sähkötoimisia pumppuja tai muitakaan liikkuvia mekaanisia osia. Polttoaineen jäähdytys ei vaarannu, vaikka laitoksen sähköt katkeaisivat pitkäksikin aikaa. 

Ydinvoimalaitosten ympärille on onnettomuustilanteiden varalta määrätty erityinen suojavyöhyke, jonka sisällä muun muassa maan käytölle on asetettu erinäisiä rajoituksia. Suojavyöhykettä ympäröi laajempi varautumisalue, jolle on laadittava yksityiskohtainen pelastussuunnitelma. Loviisan ja Olkiluodon tapauksessa suojavyöhyke ulottuu viiden, ja varautumisalue 20 kilometrin etäisyydelle laitosalueesta.

Ydinkaukolämpölaitokselle vastaavat käytännöt soveltuvat huonosti, sillä laitos on rakennettava kaukolämpöverkon alueelle. Tämä herättää luonnollisesti kysymyksiä siitä, tarkoittaako suojavyöhykkeiden ja varautumisalueiden pienentäminen myös turvallisuustasosta tinkimistä?

Ydinvoimalaitosten valmiusjärjestelyt voidaan ymmärtää osaksi syvyyssuuntaista puolustusta. Sellaisessa tilanteessa, jossa kaikki muut radioaktiivisen päästön tielle asetetut esteet ovat pettäneet, onnettomuuden seurauksia rajoittaa se, ettei pahimmalle laskeuma-alueelle ole sijoitettu suuria asutuskeskittymiä. Väestö voidaan tarvittaessa siirtää nopeasti turvaan.

Kokonaisturvallisuus muodostuu kuitenkin useammasta tekijästä. Jos suojavyöhykkeitä ja varautumisalueita halutaan pienentää, syvyyssuuntaisten puolustuksen sisempiin tasoihin on vastaavasti panostettava enemmän. Käytännössä tämä tarkoittaa onnettomuustilanteiden ennaltaehkäisyä ja päästöjen rajoittamista.

LDR-50:n tapauksessa korkeaa turvallisuustasoa puoltaa useampikin reaktorin erityispiirteisiin liittyvä tekijä. Matala tehotiheys, matala käyttöpaine sekä passiivinen jäähdytys vaikuttavat ratkaisevasti sydänvaurion todennäköisyyteen. Onnettomuustilanteisiin liittyvät aikaskaalat ovat pitkiä, mikä antaa laitoksen käyttöhenkilökunnalle aikaa palauttaa reaktori turvalliseen tilaan. Tähän ei tarvita esimerkiksi toimivaa sähköverkkoa. Myös reaktorin yksikkökoko on pieni. Sydämessä kerralla olevien radioaktiivisten aineiden määrä on alle viideskymmenesosa suuren perinteisen ydinvoimalaitoksen sydäninventaarista.

Vaikka suuret ydinvoimalaitokset on tavallisesti sijoitettu kauas suurista asutuskeskittymistä, tehotasoltaan LDR-50:ä vastaavia tutkimusreaktoreita on rakennettu esimerkiksi yliopistojen kampusalueille.

Keväällä 2024 Suomen ydinvoimalaitosten valmiusjärjestelyjä koskevia määräyksiä muutettiin suojavyöhykkeiden ja varautumisalueiden määrittelyn osalta. Turvallisuudelle asetetut vaatimukset säilyvät ennallaan, mutta kiinteiden kilometrimääräisten rajojen sijaan alueiden koko määräytyy jatkossa tapauskohtaisesti. Uudistus mahdollistaa pienreaktorilaitoksen rakentamisen kaupunki- tai teollisuusalueelle, mikäli se on turvallisuusvaatimukset huomioiden mahdollista.

Ydinvoimalaitoksilta edellytetään varautumista suuren matkustajalentokoneen törmäykseen. Reaktori ja turvallisuuden kannalta kriittiset järjestelmät on suojattava törmäyksen suorilta vaikutuksilta, sekä törmäyksen seurauksena syttyvän tulipalon aiheuttamalta kuumuudelta. Tavallisesti tämä on toteutettu mitoittamalla reaktorirakennuksen betoniseinät kestämään törmäyksen aiheuttamat kuormat. Vastaava suojaus voitaisiin toteuttaa myös sijoittamalla turvallisuuden kannalta kriittiset toiminnot kallion sisään, tai peittämällä reaktorirakennus paksulla maakerroksella. 

Myös maanjäristyksiin on varauduttava ydinvoimalaitosten suunnittelussa. Mitoitus tehdään paikallisten olosuhteiden asettaman vaatimustason mukaan. Suomessa kallioperä on vakaa, ja voimakkaat järistykset harvinaisia. LDR-50:n tapauksessa suunnittelussa on kuitenkin huomioitava myös teknologian vienti ulkomaille. Mitoitusperusteena käytetään tällöin paikallisia ydinvoimalaitoksille asetettuja seismisiä vaatimuksia. 

Suojautuminen lentokonetörmäyksiltä ja luonnonvoimilta tarjoaa suojaa myös sotilaallista hyökkäystä vastaan. Perinteisillä laitoksilla suurimmat riskit liittyvät sähkönsyötön varajärjestelmien vaurioitumiseen. LDR-50:ssä turvallisuussuunnittelu perustuu passiivisiin järjestelmiin, jotka eivät tarvitse toimiakseen lainkaan sähköä. Tarkoituksellista tuhoamista ei mikä ydinvoimalaitos kuitenkaan loputtomiin kestä. 

Ukrainan sota ja Venäjän hyökkäystoimet Zaporižžjan ydinvoimalaa vastaan ovat osoittaneet, ettei sotatoimialueelle jäävien ydinvoimaloiden turvallisuutta voida taata pelkästään kansainvälisillä sopimuksilla. Teknisten turvallisuusvaatimusten päivittämisestä tullaan todennäköisesti käymään vielä keskustelua, ja mahdolliset uudet vaatimukset tullaan huomioimaan myös LDR-50:n suunnittelussa. 

Ydinpolttoaineen valmistus on kansainvälisesti kilpailtua toimintaa. Valmistusketjuun kuuluu uraanin louhinta, isotooppien väkevöinti sekä polttoainenippujen valmistus. Maailman neljä suurinta uraanintuottajamaata ovat Kazakstan, Australia, Namibia ja Kanada, joiden yhteenlaskettu tuotanto kattaa yli 70% markkinoista. Valmistusketjun muut vaiheet tehdään eri maissa. 

Louhinnan jälkeen uraani konvertoidaan matalassa lämpötilassa kaasuuntuvaksi uraaniheksafluoridiksi, joka soveltuu isotooppien väkevöintiin. Väkevöintiprosessissa isotoopin U235 atomiosuus nostetaan luonnonuraanin 0.72% tasolta muutamaan prosenttiin. Loppuosa uraanista on isotooppia U238. LDR-50:ssä polttoaineen väkevöintiaste on noin 2.5%. Väkevöintiin käytetään tavallisesti kaasusentrifugimenetelmää. Uraaniheksafluoridia pyöritetään suurella nopeudella kapeissa sylintereissä, jolloin keskipakoisvoima saa eri massaiset isotoopit kerrostumaan. 

Väkevöintilaitoksia on Ranskassa, Saksassa, Alankomaissa, Iso-Britanniassa, USA:ssa, Kiinassa ja Venäjällä. Ennen Ukrainan sotaa Venäjän markkinaosuus väkevöintipalveluista oli lähes 50%, mutta tilanne on muuttumassa muiden toimijoiden kasvattaessa kapasiteettiaan. 

Väkevöity uraani konvertoidaan keraamiseksi uraanioksidiksi, josta valmistetaan noin sormenpäänkokoisia pellettejä. Nämä pelletit suljetaan metallisten suojakuoriputkien sisälle. Kapeat polttoainesauvat kootaan edelleen suuremmiksi polttoainenipuiksi. LDR-50 on suunniteltu toimimaan tavanomaisella painevesireaktorin polttoaineella. Tällaisia polttoainenippuja valmistetaan esimerkiksi Yhdysvalloissa, Etelä-Koreassa, Ranskassa, Iso-Britanniassa, Espanjassa ja Ruotsissa. 

Suomalainen Terrafame-yhtiö ilmoitti joulukuussa 2022 aloittavasta uraanin talteenoton Sotkamon monimetallikaivoksen (entinen Talvivaaran kaivos) sivuvirroista. Toiminnan on määrä alkaa kesällä 2024. Arvioitu vuosittainen tuotantokapasiteetti on noin 200 tonnia, mikä riittäisi laskennallisesti kattamaan yli viidenkymmenen LDR-50 -reaktoriyksikön polttoainetarpeen. Minkäänlaisia suunnitelmia kotimaisen uraanin hyödyntämisestä ei kuitenkaan vielä ole tehty. 

Suomesta ei löydy polttoaineen väkevöintiin tai polttoainenippujen valmistukseen tarvittavaa teknologiaa. Vaikka uraani hankittaisiin Terrafamelta, polttoaine tulisi käytännössä ulkomaiselta toimittajalta. 

Radioaktiivinen jäte luokitellaan aktiivisuustason perusteella matala-, keski- ja korkea-aktiivisiin jätteisiin. Matala-aktiivista jätettä ovat esimerkiksi reaktorin huoltotöissä kontaminoituneet suojavaatteet. Keskiaktiiviseen jätteeseen luokitellaan reaktorin vedenpuhdistusjärjestelmissä käytettävät suodattimet, jotka keräävät vedestä esimerkiksi aktivoituneita korroosiotuotteita. Näiden jätteiden osalta LDR-50 ei olennaisesti eroa nykyisistä ydinvoimalaitoksista. 

Ydinpolttoaine muuttuu reaktorista poistamisen jälkeen korkea-aktiiviseksi ydinjätteeksi, jonka aktiivisuustaso on yli miljoonakertainen matala-aktiiviseen jätteeseen verrattuna. Radioaktiiviset aineet ovat kiinteässä olomuodossa käytöstä poistetuissa polttoainenipuissa. LDR-50:n sydämessä on kerrallaan 37 nippua. Reaktori ladataan uudelleen noin kahden vuoden välein, jolloin 13 vanhinta polttoainenippua vaihdetaan uusiin. Jos reaktori toimii 60 vuotta, käytettyä ydinpolttoainetta syntyy koko käyttöiän aikana reilun 400 nipun verran. Vierekkäin aseteltuna nämä polttoaineniput mahtuisivat kahden pysäköintiruudun kokoiselle alalle. 

Yksi LDR-50:n tärkeimmistä suunnitteluperusteista on, että reaktorin ydinjätehuoltoon voidaan soveltaa samoja käytäntöjä kuin Loviisassa ja Olkiluodossa. Suomalainen ydinjätehuoltoratkaisu perustuu geologiseen loppusijoitukseen. Käytetyt polttoaineniput loppusijoitetaan sellaisenaan kallioon louhittuihin tunneleihin 400—500 metrin syvyyteen. Suomi on ydinjätteen loppusijoituksessa edelläkävijä. Loppusijoitusratkaisua on tutkittu ja kehitetty 1980-luvulta lähtien, ja Loviisan ja Olkiluodon ensimmäisten reaktoreiden käytettyä polttoainetta aletaan loppusijoittamaan vielä tämän vuosikymmenen kuluessa. 

LDR-50 –reaktorin polttoaine vastaa ominaisuuksiltaan Suomen muilla ydinvoimalaitoksilla käytettyjä polttoaineita. Samasta syystä myöskään loppusijoitukseen ei liity uusia teknisiä haasteita. Yksityiskohtaisia suunnitelmia polttoainehuollosta ei kuitenkaan vielä ole tehty. Selvitettäviä asioita ovat esimerkiksi keskitetyn välivarastoinnin järjestäminen. Suunnitelmat tarkentuvat kehityksen edetessä. 

Suomen lainsäädäntö asettaa ydinjätteen loppusijoitukselle tiettyjä reunaehtoja, jotka koskevat myös LDR-50 –laitoksia. Ydinenergialain mukaan kaikki Suomessa syntyvä ydinjäte on loppusijoitettava pysyväksi tarkoitetulla tavalla maan rajojen sisäpuolelle. Laitoksen luvittaminen edellyttää pitkälle vietyä loppusijoitussuunnitelmaa, ja luvan saaneilta toimijoilta aletaan keräämään maksua Valtion ydinjätehuoltorahastoon. Rahastoon kerätyillä varoilla rahoitetaan loppusijoitustoiminta täysmääräisesti. 

Geologisen loppusijoituksen turvallisuus perustuu nk. moniesteperiaatteeseen. Voimakkaasti radioaktiiviset aineet on eristetty ympäristöstä useammalla sisäkkäisellä vapautumisesteellä. Käytöstä poistetussa polttoaineessa suurin osa aktiivisuusinventaarista on edelleen keraamisesta uraanioksidista valmistetuissa pelleteissä. Polttoainepellettejä ympäröi tiivis metallinen suojakuoriputki. Loppusijoituslaitoksella polttoaineniput suljetaan vahvistettujen paksuseinämäisten kuparikapselien sisälle. Kapseleita ympäröivä tila sekä kallioon louhitut tunnelit tiivistetään bentoniittisavella.

Moniesteperiaatteen tarkoitus on estää ja rajoittaa radioaktiivisten aineiden vapautumista, sekä hidastaa niiden kulkeutumista loppusijoitustilasta ympäristöön. Niin kauan kun polttoaineniput pysyvät eristettynä kuparikapselien sisällä, myöskään radioaktiivisia aineita ei pääse kapselien sisältä ulos. Loppusijoituskapseli on kuitenkin vain yksi vapautumisesteistä. Toisen tärkeän esteen muodostaa puskuriaineena käytettävä bentoniittisavi, joka lähes pysäyttää veden virtauksen loppusijoitustilassa.

Kuparisen loppusijoituskapselin puhki syöpyminen kestää arvioiden mukaan vähintään 10,000 vuotta, ja todennäköisesti huomattavasti pidempään. Kun vesi pääsee lopulta kosketuksiin käytetyn polttoaineen kanssa, kaikkein korkea-aktiivisimmat aineet ovat ehtineet jo hajota. Jäljellä olevien radioaktiivisten aineiden liukeneminen tapahtuu hitaasti. Erityisesti pitkäikäiset plutoniumin ja sivuaktinidien isotoopit liukenevat erittäin huonosti veteen. Samat vapautumisesteet, jotka hidastivat veden kulkeutumista loppusijoitustilasta kuparikapselin pintaan, hidastavat myös polttoaineesta vapautuvien radionuklidien kulkeutumista toiseen suuntaan. Pitoisuudet laimenevat aineiden kulkeutuessa vuosituhansien kuluessa syvältä maan alta pintavesistöihin.

Ydinjätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuusanalyyseissä turvallisuuden mittarina käytetään lähialueella asuvien ihmisten säteilyaltistusta. Loppusijoituksesta aiheutuvan säteilyannoksen on jäätävä kaikkina aikoina merkityksettömän pieneksi suhteessa esimerkiksi maaperän radonin aiheuttamaan luonnolliseen säteilyaltistukseen. Vertailuryhmänä voidaan käyttää esimerkiksi seuraavan jääkauden jälkeen loppusijoitustilan päälle asumaan muuttanutta pienkyläyhteisöä, joka saa käyttövetensä paikallisesta kaivosta.

Koska loppusijoitukseen liittyvät aikajänteet ovat erittäin pitkiä, turvallisuusanalyyseihin liittyy myös suuria epävarmuuksia. Tuntemattomia tekijöitä voidaan kuitenkin huomioida erilaisilla konservatiivisilla oletuksilla. Laskennallisissa malleissa käytetyt parametrit valitaan siten, että veden virtausnopeus, kuparikapselien syöpyminen, radioaktiivisten aineiden liukeneminen sekä muut säteilyannoksiin vaikuttavat tekijät arvioidaan tarkoituksellisesti epävarmuusvälin ylärajoille. Mallin tuottamat ennusteet siis suurella todennäköisyydellä yliarvioivat todellista säteilyhaittaa. Loppusijoitustilan päällä asuville ihmisille ei tällöin koituisi merkittävää terveysvaikutusta, vaikka laskelmissa olisi tehty karkeita virheitä kaikilla tasoilla.

Maailmalla kehitetään paljon seuraavan sukupolven teknologiaan perustuvia reaktorityyppejä, jotka hyödyntävät ns. suljettua polttoainekiertoa. Tällaisessa polttoainekierrossa reaktorista poistetut polttoaineniput jälleenkäsitellään, ja ydinjätteeksi päätyvästä massavirrasta erotetaan käyttökelpoinen fissiili aines uuden polttoaine-erän valmistukseen. Kierto voi perustua joko uraanipolttoaineeseen syntyvään plutoniumiin, tai toriumpolttoaineeseen syntyvään uraaniin. Reaktoria, joka kykenee uudistamaan oman polttoaineinventaarinsa, kutsutaan myös hyötöreaktoriksi. 

Edistyneisiin polttoainekiertoihin liittyy paljon lupauksia. Uraani- tai toriumpolttoaineella toimiva hyötöreaktori kykenee käyttämään luonnonvaroja perinteistä ydinreaktoria tehokkaammin. Historiallisesti tällaiseen teknologiaan siirtymistä on perusteltu maailman uraanivarojen rajallisuuteen liittyvillä tekijöillä. Nykykäsityksen mukaan uraania kuitenkin riittää ydinpolttoaineeksi vähintään satojen vuosien tarpeiksi. Esimerkiksi ilmastonmuutoksen torjunnan kannalta merkittävässä aikaskaalassa uraanin riittävyys ei ole ydinenergian laajamittaista käyttöä rajoittava tekijä. 

Viime vuosikymmeninä edistyneiden polttoainekiertojen merkittävimmäksi eduksi on nostettu ydinjätteen kierrätys. Jos reaktorin tuottamaa jätettä kierrätetään takaisin reaktoriin, loppusijoitukseen päätyvän jätteen määrä jää vastaavasti pienemmäksi. Loppusijoituksen tarvetta suljettu polttoainekierto ei kuitenkaan poista. Käytetystä polttoaineesta saadaan uudelleen käyttöön lähinnä plutoniumin isotoopit. Ydinjätteen loppusijoituksen turvallisuuteen tällä ei olisi juuri minkäänlaista vaikutusta. Plutoniumilla on kyllä pitkäikäisiä isotooppeja, mutta matalan liukoisuutensa vuoksi niillä ei ole juurikaan vaikutusta säteilyannoksiin maan pinnalla.

Suljettu polttoainekierto edellyttää myös paljon nykyistä monimutkaisempaa reaktoriteknologiaa. Plutoniumin tehokas kierrättäminen on mahdollista ainoastaan ns. nopean neutronispektrin reaktoreissa. Käytetyn polttoaineen kemiallinen jälleenkäsittely on kallis ja teknisesti haastava prosessi, johon liittyy myös poliittisesti hankalia kysymyksiä. Toriumpolttoaineelle ei teollisessa mittakaavassa toimivaa jälleenkäsittelyprosessia ole vielä edes kehitetty. 

Vaikka edistyneistä polttoainekierroista puhutaan paljon, kyse ei ole teknologiasta, joka olisi valmista kaupalliseen käyttöön. Ilmastonmuutoksen torjuntaan uraanilla tai toriumilla toimivia hyötöreaktoreita ei edes tarvita. Kaikki ydinenergian merkittävimmät edut voidaan saavuttaa jo nykyisin käytössä olevilla reaktorityypeillä. 

Ydinaseen rakentamiseen tarvitaan uraania tai plutoniumia. Uraania käytetään myös reaktorin polttoaineena, ja plutoniumia syntyy uraanista reaktorin käytön aikana. Samasta syystä ydintekniikkaan liittyy aina tietty proliferaation, eli ydinaseiden leviämisen riski. Tämän riskin suuruus riippuu kuitenkin ratkaisevasti käytetystä teknologiasta, sekä siitä, minkälaisia vaiheita reaktorin polttoainekiertoon kuuluu. Ydinmateriaalien käyttöön, vientiin ja tuontiin liittyy paljon velvoitteita ja kansainvälisiä sopimuksia. 

Ydinaselaatuisessa uraanissa tai plutoniumissa fissiilin isotoopin (U233, U235 tai Pu239) atomiosuus on erittäin korkea. Siviilipuolella polttoaineen väkevöintiaste (U235-isotoopin atomiosuus) on käytännössä rajoitettu 20%:iin. Lähes kaikki kevytvesireaktorit käyttävät polttoaineenaan vielä matalammin väkevöityä, alle 5% uraania. Tämä pätee sekä perinteisiin suuriin laitoksiin että uusiin pienreaktoreihin. LDR-50:ssä polttoaineen väkevöintiaste on noin 2.5%. Ydinaseen rakentaminen tällaisesta uraanista ei ole edes teoriassa mahdollista. 

Reaktorin käytön aikana ydinpolttoaineeseen syntyy väistämättä myös plutoniumia. Ydinaselaatuisen, paljon isotooppia Pu239 sisältävän plutoniumin valmistus edellyttää kuitenkin tähän käyttötarkoitukseen varta vasten suunniteltua reaktoria. Energiantuotantokäytössä toimivien reaktorien käyttöjakso on sen verran pitkä, että polttoaineeseen ehtii kertyä paljon myös plutoniumin raskaampia isotooppeja. Samasta syystä käytettyyn reaktoripolttoaineeseen liittyvää proliferaatioriskiä pidetään pienenä. Suoraan polttoainekiertoon ei myöskään kuulu kemiallista jälleenkäsittelyä, vaan plutoniumin isotoopit kulkevat polttoainenippujen mukana geologiseen loppusijoitukseen. 

Suomi on sitoutunut kansainväliseen ydinsulkusopimukseen, johon kuuluu myös ydinmateriaalivalvontaan liittyviä velvoitteita. Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA suorittaa laitoksilla mm. kameravalvontaa ja tarkastuskäyntejä. Nämä velvoitteet huomioidaan LDR-50:n suunnittelussa jo alusta lähtien.