Reaktorite põlvkonnad

Kust kõik alguse sai

Videoloeng | 60 min

Tuumaenergeetika alguseks võib pidada Enrico Fermi eestvedamisel edukalt käivitatud Chicago Pile-1, mis saavutas kriitilisuse 2. detsembril 1942. 

Esimene elektri tootmine tuumaenergia abil toimus 20. detsembril 1951 testreaktoris EBR-I (eksperimentaalne paljundusreaktor-I), mille jahutamiseks kasutati naatrium ja kaaliumi sulamit. 

1950-ndatel hakati nii USAs, Nõukogude Liidus kui Euroopas arendama reaktoreid kommertskasutuse suunal. Esimest korda toodeti elektrit võrku (5 MW) 27. juunil 1954 NL-is Obninkski tuumajaamas RBMK reaktoritĂĽĂĽbi eelkäijaks peetava reaktoriga. 

17. juulil 1955 hakati USA-s, Idaho maakonnas Arcos esimest korda tootma elektrit tuumajaamast terve asula tarbeks. Maailma esimeseks kommertstuumajaamaks loetakse UK-s Windscale-s asuvat Calder Hall tuumajaama, mis avati 1956. aastal. Calder Hall’is kasutati energia tootmiseks mitmeotstarbelist (nii elektri kui plutooniumi tootmine) grafiitaeglusti ja gaasjahutusega MAGNOX reaktorit võimsusega 46 MW. 

Põlvkonnad tähistavad kokkuleppeliselt tuumareaktorite arengutaset, kuid see ei tähenda otseselt, et uuem põlvkond on eelmisest tingimata ohutum, tõhusam või odavam. 

Näiteks ohutuse tagamiseks peab reaktor vastama konkreetsetele ohutusparameetritele, läbima esmalt loamenetluse ning seejärel tõestama ka praktikas, et reaktor toimib käitades õigesti. 

I põlvkond

Esimeste kommertsreaktorite tekkimisega oligi antud alus ka sellele, mida täna nimetame tuumareaktorite I põlvkonnaks. Seda põlvkonda iseloomustab hulk erinevaid reaktortehnoloogiaid, palju eksperimentaalseid lahendusi ja prototüüpe, mida kasutati nii elektri kui ka (ajastule omaselt) plutooniumi tootmiseks. Sellest tulenevalt ei olnud esimese põlvkonna reaktorid optimeeritud mitte efektiivsele ja ohutule elektritootmisele, vaid tuumaarsenali arendamisele. Esimese põlvkonna reaktoreid arendati ja võeti kasutusele peamiselt 1950-1960ndatel ning viimane neist, Wylfa-1, suleti 2015. aastal.

II põlvkond

Teise põlvkonda kuuluvad majanduslikult tõhusad, töökindlad ja suure võimsusega (tihti >1 GW) kommertsreaktorid. 

Teise põlvkonna reaktorid arendati planeeritud elueaga 30-40 aastat (eluea pikkuse määramisel arvestati pigem investeeringu tagasiteenimise aega, mitte tehnika vastupidamist – enamiku II põlvkonna reaktorite tööaega on juba pikendatud 60 aastale ning 80-aastane kasutus ohutusmeetmete lisamise ja sobiva hoolduse korral pole samuti välistatud) ja nende hulka kuuluvad surveveereaktorid, CANDU reaktorid, keevvee reaktorid, edasiarendatud gaasjahutusgea reaktorid ja Nõukogude Liidu (hiljem Vene Föderatsiooni) VVER reaktorid. Need reaktoreid hakati kasutusele võtma alates 1960-ndatest ja nende hulka kuulub suur enamus täna töötavatest reaktoritest. 

Tüüpiline teise põlvkonna reaktor kasutab jahutamiseks tavalist ehk nn kerget vett, tugineb aktiivsetel (elektril või muudel mehaanilistel jõududel toimivatel) ohutussüsteemidel, mis aktiveeruvad automaatselt või vajadusel operaatori käsul. Passiivseid süsteeme nagu ülerõhu klappe ja gravitatsioonil põhinevad jahutussüsteeme küll kasutatakse, kuid piiratult.

III põlvkond

Kolmanda põlvkonna reaktorid on peaasjalikult teise põlvkonna reaktorite edasiarendused ja võeti kasutusele 1990-ndatel. Parandatud on nii kütusetehnoloogiaid, termilist kasutegurit, ehituspraktikaid kui ka ohutussüsteeme (eriti lisatud passiivseid süsteeme). Samuti on püütud läheneda suuremale standardiseeritusele. See on võimaldanud tõsta reaktorite eluiga 60 aastani ja pikemakski.

III põlvkonna reaktorite peamised eesmärgid:


Standardkonstruktsioon

Tagada väiksem maksumus ja lühem ehitusaeg;

Pikem garanteeritud tööiga

 60 aastat senise 40 aasta asemel;

Passiivsete ohutussĂĽsteemide rakendamine

Vähendada inimese rolli intsidentidega toime tulemisel;

Lihtne ja vastupidav konstruktsioon

Konstruktsioon hõlbustab ekspluatatsiooni ja muudab reaktori häirete suhtes vähem tundlikuks;

Pikem aastane kasutustundide arv

Pikendatud kütusevahetuste vahelist aeg ja vähendatud perioodilise hoolduse vajadust;

Minimaalne keskkonnamõju 

Nii tavapärasel tööl kui ka teoreetiliselt võimaliku avarii korral;

Parem kĂĽtusekasutus 

(II põlvkonna 30–35 GWööp/t asemel on 60 GWööp/t, mis vähendab nii kütusevajadust kui ka radioaktiivsete jäätmete kogust);
kuna kĂĽtusevahetuste vahelise aja pikendamiseks kasutatakse suurema rikastusega kĂĽtust kui II põlvkonna reaktorites, siis kasutatakse “väljapõlevaid reaktormĂĽrke” ehk neutroneid neelavaid aineid.

III+ põlvkond

Kolmas-pluss põlvkond hõlmab endas omakorda kolmanda põlvkonna reaktorite edasiarendatud versioone. 

Eriline rõhk arenduses on ohutussĂĽsteemidel, täpsemalt passiivsetel ohutussĂĽsteemidel, mis ei vaja ohuolukordades operaatori sekkumist, vaid toimivad tänu loodusjõududele nagu gravitatsioon ja vabakonvektsioon. Lisaks on tõhustatud kĂĽtusekasutust. 

Kolmas-pluss põlvkonna reaktorid on sertifitseeritud läänemaailma ohutusstandardite kohaselt, mis on aktsepteeritud ülemaailmselt. Nende hulka kuuluvad näiteks keevaveereaktorid ABWR ja ESBWR (General Eletric, Hitachi, Toshiba) ning surveveereaktorid EPR (Areva), AP-1000 (Westinghouse), APR+ (KEPCO), VVER-1200 (OKB Gidropress).

Laialt üldistades on III+ põlvkonna reaktorid täna maailmas eksisteerivatest kõige läbimõeldumad ja ka läbi testitumad ning nende ehituse ja opereerimisega on paljudel riikidel pikaajalisi kogemusi, mis muudab juba ära proovitud reaktoritehnoloogiate kasutamise ka realistlikumaks kui mõne muu, eksootilisema tehnilise lahenduse.

IV põlvkond

Tuumareaktorite neljanda põlvkonna alguseks võib pidada aastat 2000, mil USA juhtimisel asutati rahvusvaheline neljanda põlvkonna reaktorite foorum ehk GIF (Generation IV International Forum). GIFi peamiseks ĂĽlesandeks sai defineerida nõudmised uue põlvkonna tuumareaktoritele, valida välja kõige potentsiaalsemad tehnoloogiad ning koordineerida vajalikku teadus- ja arendustegevust. 

Algselt kaasati GIF-i kogenud tuumariigid, kes on huvitatud selle tehnoloogia järgmisele tasemele arendamisest nagu Argentiina, Brasiilia, Kanada, Prantsusmaa, Jaapan, Lõuna Korea, UK ja USA. Hiljem liitusid Ĺ veits, Hiina, Venemaa, Austraalia ning Euroopa Liit läbi Euratomi. 2019. aastal liitus Kanada päritolu sulasoolareaktori arendaja Terrestrial Energy saades ĂĽhtlasi GIFi esimeseks liikmeks erasektorist. 

Jätkusuutlikkus

Tänased vajadused tuleb tagada nii, et tuleviku põlvkondade õigused ei oleks riivatud. Tuumaenergia kontekstis tähendab see tõhusamat kütusekasutust ja väiksemat jäätmete hul- ka. Tähtis osa on siinkohal uute kütuste kasutuselevõtul (looduslik uraan, toorium), kasutatud kütuse ümbertöötlemisel ja taaskasuta- misel ehk nn suletud kütusetsüklil. Jätkusuutlikkust toetab muuhul- gas saastavamate energiaallikate, eelkõige fossiilsete kütuste asen- damine elektri tootmises ja transpordis. Tõhusam kütusetsükkel võimaldab isegi suurema hulga energia tootmise puhul rajada olu- liselt vähem ja väiksemaid jäätmehoidlaid. Neljanda põlvkonna süs- teemide hulka kuuluvad ka spetsiaalsed jäätmekäitlusreaktorid (nt MYRRHA Belgias), mis võimaldavad vähendada juba tekkinud jäät- mete radioaktiivsust ja hulka, lihtsustades seeläbi ka lõpphoidlate rajamiseks vajalikke teaduslikke ohutusanalüüse.

Majanduslikkus

Neljanda põlvkonna reaktoreid peab olema oda- vam ehitada ja opereerida ehk nende kasutamisega peab kaasne- ma madalam finantsrisk. Seda aitavad saavutada eelkõige kõrgema efektiivsusega tehnoloogiad ja optimeeritud kĂĽtusetsĂĽklid. Kindlasti mängib olulist rolli väiksemate ja lihtsamate reaktorite arendamine. Majanduslikku riski vähendab omakorda reaktorite ja komponentide tootmine tehases ning moodullahenduste kasutamine. Lisandväär- tust loovad ka alternatiivsed tööstuslikud energiakasutused, nagu magevee ja vesiniku tootmine ning kaugkĂĽte.

Ohutus ja usaldusväärsus

Nagu kõik tuumarajatised, peavad ka nel- janda põlvkonna reaktorid toimima stabiilselt ning vastama kõige kõr- gematele ohutusstandarditele. Ă•nnetuste vältimine ja nende halda- mine peab tuginema passiivsetele mehhanismidele, mis ei vaja välist sekkumist. Ka kõige raskema õnnetuse korral peavad tagajärjed ĂĽhis- konnale olema minimaalsed. Passiivseid lahendusi, mis tuginevad fĂĽĂĽsikaseadustele, nagu gravitatsioon, rõhk, vedelike loomulik ring- lus, ei kasutata ainult avariiolukordades, vaid ka tavalises tööreĹľiimis, muutes sĂĽsteemid seeläbi lihtsamaks ja töökindlamaks. Lihtsamaid sĂĽsteeme on ka lihtsam arendada, hooldada ja kaitsta, mis võimaldab parandada ĂĽhiskonna kindlustunnet tuumaenergeetika suhtes.

Tuumamaterjalide leviku tõkestamine ja fĂĽĂĽsiline kaitse 

Rahvusvaheliselt on kokku lepitud, et tuumareaktoreid ei või kasutada tuumarelvamaterjalide loomiseks. Selle tagamiseks tuleb arendada reaktorisüsteemid selliselt, et plutooniumi eraldamist ja/või trans- porti väljaspool tuumajaama ei toimuks. Lisaks ehitatakse jaamad nii, et nende ründamine ei oleks terroristidele atraktiivne.

Põlvkondadest üldisemalt

Kuna IV põlvkonnaks nimetatud tehnoloogiate näol ei ole tegu ĂĽhegi eelneva põlvkonna edasiarenduse ehk evolutsiooniliste tehnoloogiatega, vaid “revolutsioonilistega”, siis on niisuguste reaktorite ehitamise- ja käidukogemust maailmas veel vähe. Ning nagu katsejärgus asjadega sageli ka muudes valdkondades ette tuleb, on ka revolutsiooniliste tuumatehnoloogiate kasutuselevõtul praktilisi takistusi – seda sõltuvalt tehnoloogiast eeskätt eriliste materjalide või keerukate tootmisprotsesside näol. Samuti vajavad erilisemat kĂĽtust kasutavad reaktorid ka spetsiifilist teadmist nii kĂĽtuste valmistamisest, logistilistest ahelatest kui ka nende kĂĽtustega seotud jäätmekäitlusnĂĽanssidest.

Kommertskasutuseks on sobilikumad tehnoloogiad, kus kõik taolised praktilised küsimused on lahendatud.


Meedia

Links

Advanced Nuclear Power Reactors