LDR on kaukolämmöntuotantoon tarkoitettu pienreaktori, joka toimii tavanomaista matalammassa lämpötilassa. Reaktorin nimilyhenne tulee toimintaolosuhteita ja käyttötarkoitusta kuvaavista sanoista ”Low-temperature District heating Reactor”. Kehityksessä hyödynnetään hyvin tunnettua painevesiteknologiaa yhdistettynä passiiviseen turvallisuussuunnitteluun.
Lämpö syntyy uraaniytimen halkeamisessa
Ydinreaktoreiden toiminta perustuu neutronien ylläpitämään ketjureaktioon. Raskas uraaniydin absorboi neutronin, ja halkeaa kahteen osaan. Halkeamisreaktion yhteydessä vapautuu energiaa sekä uusia neutroneita, jotka jatkavat reaktioketjua eteenpäin. Ydinreaktioissa vapautuva energia lämmittää metallikuoristen sauvojen sisälle kapseloitua polttoainetta. Polttoainesauvat on koottu yhteen suuremmiksi nipuiksi, jotka muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Lämpö siirtyy polttoainesauvojen pinnasta sydämen läpi virtaavaan veteen.
Tavanomaisissa ydinvoimalaitoksissa reaktorin tuottama lämpöenergia muutetaan turbiinissa mekaaniseksi energiaksi, ja samalle akselille kytketyssä generaattorissa edelleen sähköksi. LDR on kuitenkin suunniteltu tuottamaan yksinomaan lämpöä, eli sähköntuotantoon tarkoitettu turbiinikierto on jätetty kokonaan pois. Reaktori kytkeytyy kaukolämpöverkkoon erillisen välipiirin kautta. Polttoainetta jäähdyttävä vesikierto on suljettu reaktoriastian sisälle, ja lämpö siirtyy piiristä toiseen lämmönvaihtimien välityksellä.
Vastauksia ydinreaktorin toimintaan liittyviin kysymyksiin
Erityispiirteenä matala käyttöpaine
Korkean hyötysuhteen saavuttamiseksi perinteiset sähköntuotantokäyttöön tarkoitetut ydinreaktorit toimivat noin 300 °C lämpötilassa. Lämmöntuotantokäyttöön riittää kuitenkin huomattavasti matalampi lämpötila. Suomessa kaukolämpöverkot toimivat 65–120 °C asteessa, mikä asettaa reunaehdot myös LDR:n toiminnalle.
Matalan toimintalämpötilan etu on, että myös reaktorin käyttöpaine voidaan pitää matalana. Tyypillisessä painevesireaktorissa jäähdyte virtaa 150 baarin paineessa. LDR:ssä käyttöpaine jää alle kymmeneen baariin. Olosuhteet ovat lähempänä espressokeitintä tai kuohuviinipulloa kuin perinteistä ydinreaktoria.
Vaatimattomat toimintaolosuhteet yksinkertaistavat reaktorin suunnittelua. Reaktorin paineastiat voidaan valmistaa muutaman senttimetrin paksuisesta teräksestä perinteisen konepajateollisuuden menetelmin. Myös turvallisuussuunnittelu helpottuu ratkaisevasti, kun onnettomuustilanteisiin ei liity korkeapaineisia ilmiöitä.
Jäähdytys perustuu veden luonnolliseen kiertoon
LDR-reaktoriyksikkö muodostuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta. Vesi lämpenee kulkiessaan reaktorisydämen läpi, ja kohoaa nostevoiman vaikutuksesta ylöspäin. Reaktoriastian yläosassa virtaus ohjataan nousukanavan ympärille sijoitettuihin lämmönvaihtimiin, joiden kautta lämpö siirtyy erilliseen välipiiriin. Jäähtynyt vesi laskeutuu takaisin reaktoriastian pohjalle, mistä virtaus ohjataan takaisin sydämeen.
Ydinreaktoreiden tärkeimmät turvallisuustoiminnot liittyvät polttoaineen jäähdytykseen, erityisesti sellaisissa tilanteissa, joissa normaali jäähdytyskierto on esimerkiksi putkivuodon tai sähkönsyötön häiriön vuoksi menetetty. Perinteisissä ydinvoimalaitoksissa tällaisiin tilanteisiin varaudutaan moninkertaisesti varmennetuilla aktiivisilla hätäjäähdytysjärjestelmillä. Korkea turvallisuustaso edellyttää tiukkoja vikasietoisuuskriteerejä.
Monissa pienreaktoreissa vastaavat turvallisuustoiminnot nojaavat passiiviseen teknologiaan ja veden luonnolliseen kiertoon. Myös LDR:ssä jäähdytys perustuu passiivisiin järjestelmiin. Reaktoriastia on suljettu kokonaisuudessaan suuremman suoja-astian sisälle, ja reaktoriyksiköt on upotettu lämpönieluna toimiviin vesialtaisiin. Reaktorin normaalissa toimintatilassa lämpö siirtyy reaktoriastian sisältä lämmönvaihtimien kautta välipiiriin, jolloin häviöt altaaseen jäävät vastaavasti pieniksi.
Häiriötilanteessa lämmönvaihtimien toiminta lakkaa, jolloin lämpötila reaktoriastian sisällä alkaa nousta. Muuttuneet virtausolosuhteet käynnistävät passiivisen lämmönsiirron paineastioiden välissä olevan tilan läpi altaan veteen. Järjestelmään ei kuulu lainkaan sähkötoimisia pumppuja, venttiileitä tai muitakaan mekaanisia liikkuvia osia. Altaan vesimäärä riittää ottamaan lämpöä vastaan vähintään useamman viikon ajan ilman, että käyttöhenkilökunnan tarvitsee puuttua tilanteeseen.
Vastauksia turvallisuuteen liittyviin kysymyksiin
Video reaktorin passiivisesta jäähdytyskierrosta:
Modulaarinen kaukolämpölaitos
Yksittäinen LDR-50 -reaktoriyksikkö vastaa kooltaan pystyyn nostettua linja-autoa. Reaktori tuottaa käyttöjaksonsa aikana 600–700 gigawattituntia lämpöä. Reaktoriyksikön huipputeho on 50 megawattia, mutta tuotantoa voidaan säätää myös alaspäin lämmitystarpeen mukaan. Peruskuormakäytössä reaktori toimii vuoden kylmät kuukaudet täydellä teholla, jolloin käyttöjakson pituus on noin kaksi vuotta. Jakson jälkeen kolmannes polttoaineesta vaihdetaan uuteen. Matalammalla tehotasolla käytettynä polttoaine kuluu hitaammin, jolloin latausväli on vastaavasti pidempi.
Kaukolämpölaitos voi muodostua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä, eli kapasiteetti on skaalattavissa tarpeen mukaan ylöspäin. Reaktoriyksiköiden lisäksi laitokseen kuuluu apujärjestelmiä ja teknisiä tiloja. Kokonaisuudessaan kaukolämpölaitos vaatii rakennuspinta-alaa pienen tai keskisuuren teollisuustontin verran.
Maanpäällisen sijoitusvaihtoehdon lisäksi reaktoriyksiköt voitaisiin sijoittaa maan alle louhittuihin kallioluoliin. Molempia vaihtoehtoja selvitetään parhaillaan. Maanalainen sijoitus pienentää paitsi rakentamiseen tarvittavan betonin määrää, myös laitosalueen kokonaispinta-alaa. Tämä voi osoittautua merkittäväksi lisäeduksi, sillä laitokset on suunniteltu sijoitettavaksi olemassa olevien kaukolämpöverkkojen alueelle, missä tontit on tavallisesti jo kaavoitettu muuhun käyttöön.
Video neljän LDR-50 -reaktoriyksikön kaukolämpölaitoksesta:
LDR-50 -reaktoriyksikön teknisiä tietoja
| Lämpöenergian kokonaistuotanto käyttöjakson yli |
600–700 GWh |
| Lämpötehon säätövara |
10–50 MW |
| Reaktorin käyttötapa |
peruskuorma / kuormanseuranta |
| Latausväli |
24 kk (peruskuormakäytössä) |
| Jäähdytteen sisääntulolämpötila |
80–105 ℃ |
| Jäähdytteen poistolämpötila |
130–155 ℃ |
| Käyttöpaine |
0.5–0.8 MPa |
| Pääkiertovirtaus |
luonnonkierto |
| Polttoaineen materiaali |
uraanioksidi |
| Uraanin väkevöintiaste |
n. 2.5% U235 |
| Polttoainenippu |
17×17 PWR |
| Nippujen lukumäärä |
37 |
| Sydämen ekvivalenttihalkaisija |
150 cm |
| Sydämen aktiivisen osan korkeus |
100 cm |
| Reaktiivisuuden säätö |
37 säätösauvaelementtiä |
