Vanha ydintutkimusreaktori poistetaan käytöstä – uusi ydinturvallisuustalo rakenteilla

​VTT on päättänyt sulkea Espoon Otaniemessä käytössä olleen Finnish Reactor 1 (FiR 1) -reaktorin. VTT:llä ei enää ole strategisesti merkittäviä hankkeita, joissa tarvitaan tutkimusreaktoria. 

FiR 1 käynnistettiin juhlallisin menoin Otaniemen kampusalueella Espoossa 31. elokuuta 1962. Tutkimusreaktorilla on koulutettu kaksi sukupolvea Suomen ydinalan henkilöstöä. Se on ollut myös tärkeä tutkimuslaitos.

Reaktorin ainoa korkea-aktiivinen jäte on sen käytetty ydinpolttoaine, joka sijaitsee veden alla avoimessa reaktorialtaassa. Käytetty ydinpolttoaine toimitetaan todennäköisesti takaisin polttoaineen alkuperämaahan Yhdysvaltoihin. Idahossa sijaitsevaan kansalliseen ydintutkimuskeskukseen (INL) on aiemmin toimitettu vastaavia eriä Triga-reaktoreista. VTT jatkaa loppusijoitukseen liittyvää yhteistyötä myös suomalaisten viranomaisten kanssa. 

Reaktorin rakenteet ja materiaalit ovat aktivoituneita, ja niistä syntyy keski- ja matala-aktiivista jätettä. Jätteen säteilyarvot mitataan asianmukaisesti reaktorin sulkemisvaiheen aikana. 

Suomessa ei ole vielä purettu yhtään ydinreaktoria. Maailmalla, esimerkiksi Tanskassa ja Saksassa, on poistettu käytöstä useita tutkimusreaktoreita, ja niistä saatuja oppeja hyödynnetään myös Otaniemen reaktorin purkutyössä. Vastaavasti tästä saatavia oppeja voidaan siirtää muiden Triga-reaktoreiden ja myös ydinvoimaloiden käytöstä poiston valmisteluun. 

Yhdysvallat on toimittanut FiR 1:n kaltaisia opetus- ja tutkimuskäyttöön tarkoitettuja Triga-reaktoreita kaikkiaan yli 60 kappaletta eri puolille maailmaa. 

FiR 1:n ensimmäinen vuosikymmen kului koulutuksen ja reaktorifysiikan perustutkimuksen parissa. Näin luotiin perusta tulevalle toiminnalle. Laitoksella koulutettiin suomalaisten ydinvoimatoimijoiden avainhenkilöstöä.

Reaktorin lämpöteho nostettiin 250 kW:iin vuonna 1967. Tavoitteena oli lisätä neutronivuota niin, että säteilytys onnistuu nopeammin. Neutronien aktivointianalyysiä kehitettiin intensiivisesti 1970-luvulla. Uraanin määritykseen kivinäytteistä kehitettiin nopea säteilytysjärjestelmä, jossa hyödynnettiin viivästettyä neutronimittausta. Vuosittain analysoitiin lähes 50 000 näytettä, ja teknologiaa vietiin myös maailmalle. FiR 1 sai vuonna 1969 kunnian tutkia Apollo 12 -kuulennon keräämiä kuunäytteitä. Reaktorin ohjauslaitteita uudistettiin vuonna 1981 yhdessä Unkarin tiedeakatemian fysiikantutkimuslaitoksen (KFKI) kanssa. 

Reaktoriin tehtiin 1990-luvulla mittavia muutoksia, kun sen yhteyteen rakennettiin sädehoitoasema. Tavoitteena oli boorineutronisieppaushoitoon (BNCT) soveltuva intensiivinen ja puhdas epiterminen neutroni-säteily. Sädehoitoa annettiin kaikkiaan yli 300 syöpäpotilaalle. BNCT-hankkeen myötä FiR 1:stä tuli tärkeä lääketieteellinen tutkimus- ja koulutuskeskus. Alan tutkimus piti sisällään muun muassa dosimetriaa, säteilyn mallinnusta, hoitojen suunnittelua, kerkeiden gamma-kvanttien kuvantamista sekä muuta boorineutronisieppaushoitoon liittyvää fysiikkaa.

FiR 1 on ensimmäinen käytöstä poistettava ydinlaitos Suomessa. Käytetyn polttoaineen ja purkujätteen määrät ja kokonaisaktiivisuudet ovat useita kertaluokkia pienemmät (1/10 000) kuin tehoreaktoreilla.  VTT täydentää omia resurssejaan ulkopuolisilla asiantuntijapalveluilla käytöstä poiston aikana muun muassa käytetyn ydinpolttoaineen siirtämiseksi ja jätteiden radioaktiivisuuden karakterisoimisen ja välivarastoimisen valmisteluun.

FiR 1:n purkuun on tällä hetkellä varattu noin 10 miljoonan euron rahoitus Valtion ydinjätehuoltorahastossa.

Tutkimusreaktorin turvallinen purku ja ydinjätehuollon suunnitelmien varmistaminen edellyttävät seuraavia toimenpiteitä: Kulkujärjestelyt, ilmastointi ja säteilyvalvonta muuttuvat. Työtilaa ja säteilymittauspaikkoja järjestetään halliin. Aktivoituneiden reaktorirakenteiden laskennallisesti arvioidut säteilytiedot varmennetaan mittauksin ja mittausmenetelmiä kehitetään lopullisia purkuvaiheen mittauksia varten. Reaktorin sydämen käytetty ydinpolttoaine poistetaan. Reaktorin alumiiniset sisäosat, kevyet ja massaltaan pienet ydinpolttoaineen tukirakenteet poistetaan. Sydäntä ja sen vesiallasta ympäröineet betoni-, alumiini- ja grafiittirakenteet puretaan. Purkuvaiheessa jätepakkausten radioaktiivisuus mitataan tarkasti. Tietojen perusteella laaditaan ydinjätekirjanpito.

Purkutyön tekevät erikoistuneet ulkoiset toimijat VTT:n valvonnassa. Päärakenteiden purku vie muutaman kuukauden ja koko käytöstä poisto tilan loppupuhdistuksineen noin kaksi vuotta. Rakennus vapautetaan muuhun käyttöön.

FiR 1 -tutkimusreaktorin ydinjätehuollon toteutus perustuu merkittävältä osin seuraaviin toimiin: Käytöstä poisto -projektin käynnistys ja toteuttaminen; ydinjätehuollon sopimusvalmistelu ja yhteydet Yhdysvaltoihin; yhteydenpito ja yhteistyö Suomessa: Teollisuuden Voima Oy (TVO), Fortum P&H ja Posiva Oy; sekä ulkoisten purkuhankintojen valmistelu, yhteydet alan toimijoihin.

VTT tarkentaa projektin alkuvaiheessa tutkimusreaktorin purkumenetelmää, toteuttaa sen rakenteiden karakterisoinnin aktiivisuuden ja muiden ominaisuuksien suhteen ja selvittää purkujätteen pakkaamista soveltuvaksi siirtoon. Lisäksi VTT tarkastelee välivarastointia ja sen ohessa alustavaa loppusijoituksen teknistä ratkaisua ottaen huomioon grafiitin, alumiinin sekä BNCT-hidastimen (Fluental™) erityiskysymykset. Lisäksi tarkastellaan turvallisuusvaatimuksiin ja -perusteluun liittyviä asioita. 

Käytetyn ydinpolttoaineen palautus, reaktorin rakenteiden purku sekä käyttö- ja purkujätteen käsittely ja välivarastoinnin aloittaminen ajoittuvat nykyisen suunnitelman mukaan lähivuosiin. Kauemmas, lähelle vuotta 2030, sijoittuvat ajallisesti välivarastoinnin päättyminen, loppusijoituksen käyttövaihe ja sen edellyttämä lupaprosessi sekä hyvin kauas tulevaisuuteen loppusijoituslaitoksen sulkeminen ja siten ydinjätehuollon vastuusta vapautuminen. Nämä ovat VTT:n toiminnasta riippumattomia ajankohtia.

Myöhemmät vaiheet purkujätteen loppusijoituksen osalta ovat yhteydessä ydinvoimayhtiöiden päätöksiin nykyisten keskiaktiivisten jätteiden loppusijoituksen laajennuksesta sekä ydinvoimalaitosten käytöstä poistosta ja purkujätteen loppusijoittamisesta.

Käytettyä polttoainetta on Otaniemen Trigan käytön aikana kertynyt hieman yli 100 polttoainesauvaa (noin 15 kg U, josta 3 kg 235U). Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) ohjelman mukaan käytetty ydinpolttoaine voidaan palauttaa Yhdysvaltoihin niin, että reaktorin ydinpolttoaine on vastaanotettu Idahossa sijaitsevaan kansalliseen ydintutkimuskeskukseen (INL) 12.5.2019 mennessä. 

Kun ydinmateriaalit luovutetaan Suomesta, tarvitaan kansallinen vientilupa ja hyväksyntä hankitaan myös IAEA:lta että Euratomilta. Esimerkiksi ruotsalainen ydinvoimalaitosten käytetyn ydinpolttoaineen kuljetusalus on hoitanut myös vastaavia pienempiä ydinjätekuljetuksia Atlannin yli. INL:n edustajien kanssa on tarkasteltu ydinpolttoainetarkastuksen käytännön toteutusta ja tarvittavaa ydinpolttoainedokumentaatiota. 

Jos palautus vastoin sopimusvalmistelua ei toteudu, on käynnistettävä käytetyn polttoaineen kotimaiseen loppusijoitukseen tähtäävä suunnittelutyö Posiva Oy:n kanssa. VTT:n ja Posivan välinen periaatesopimus mahdollistaa loppusijoituksen suunnittelun Olkiluotoon, kunhan tarve ilmoitetaan viiden vuoden kuluessa reaktorin sammutuksesta. Sopimus ei kata välivarastointia, joka on tarpeen.

FiR 1:n purkujätteet luokitellaan matala- ja keskiaktiivisiksi ydinjätteiksi, joiden aktiivisuudet ja määrät ovat verraten pieniä. Loppusijoitus sopeutetaan voimayhtiöiden aikatauluihin, joten purkujätteelle tarvitaan lähes 20 vuoden välivarastointi alle 100 kuutiometrin tilaan. Tutkimusreaktorin käytön aikana syntyneen huoltojätteen sekä käytöstä poistossa syntyvän purkujätteen välivarastointi- ja loppusijoitustoimenpiteet Suomessa voidaan toteuttaa ensisijaisesti yhteistyössä ydinvoimayhtiöiden kanssa. Reaktorin rakennemateriaalien aktivoitumista on arvioitu laskennallisesti (ks. kuva 4) käyttäen laskettuja neutronivuojakautumia ja käyttöhistoriaa. Otaniemen Trigan erityispiirteenä on se, että grafiittinen hidastin korvattiin vuonna 1995 sädehoitoasemalla, jossa on ollut alumiinia ja alumiini- ja litiumfluoridia sisältävä hidastinmateriaali Fluental™. Hidastin tuotti käytettäessä runsaasti tritiumia, joka on tämän hetken arvion mukaan olennaisesti pysynyt materiaalissa ja muodostaa siten pääosan purkujätteen aktiivisuudesta.

Kotimaisten ydinvoimalaitosten purkujätteessä ei ole reaktorigrafiittia eikä merkittäviä määriä alumiinia. Erillisessä kirjallisuustutkimuksessa on selvitetty säteilytetyn grafiitin ja alumiinin kemiallisia reaktioita ja niiden vaikutusta purkujätteen loppusijoituksen pitkäaikaisturvallisuuteen. Lisäksi on selvitetty kansainvälisiä käytäntöjä grafiitin loppukäsittelyn suhteen. 

Ydinreaktori toimii ylläpitämällä ja valvomalla reaktorin sydämessä tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen uraaniatomien fissioituvat eli halkeavat. Käynnissä pysyminen edellyttää väkevöityä ydinpolttoainetta, joka generoi neutroneja, jotka aiheuttavat fissiot sekä hidastinainetta, joka jarruttaa neutroneja fissiotodennäköisyyden lisäämiseksi.

FiR 1 Triga -tutkimusreaktorin luonteeseen kuuluu, että se on fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta erittäin vakaa. Sen uraani 235-isotoopin väkevöintiaste on hiukan alle 20 prosenttia, mikä on noin viisinkertainen sähköä tuottavien tehoreaktoreiden polttoaineeseen verrattuna. Ydinpolttoainetta vaihdetaan hyvin harvoin päinvastoin kuin tehoreaktoreissa, joiden reaktorisydän ladataan uudelleen vuosittain. 

Ydinvoiman turvallisen käytön tutkimus VTT:ssä uudistuu nyt tulevaisuuden tarpeita silmällä pitäen. FiR 1 -testireaktorin sammuttaminen merkitsee tärkeän ajanjakson loppua ydinreaktioiden innovatiivisen hyödyntämisen kannalta. Toisaalta on alkamassa uusi ajanjakso uuden kansallisen tutkimuslaitoksen eli VTT:n ydinturvallisuustalon rakentamisen myötä. 

Uusi ydinturvallisuustalo sisältää modernit säteilylähteiden käsittelytilat, joiden huipputeknologioilla tutkitaan radioaktiivisia materiaaleja ydinvoimaloiden turvallisuuden parantamiseksi ja käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusta silmällä pitäen.

Talo on jo rakenteilla, ja VTT:n ydinturvallisuus-asiantuntijat pääsevät muuttamaan uusiin tiloihin vuoden 2016 alkupuolella. Laboratoriosiipi on käyttövalmis ensi vuoden puolivälissä.

VTT on ollut alusta alkaen tärkeä ydinalan tutkimustoimija Suomessa. Se on isännöinyt kansallista kuumakammiolaboratoriota siitä lähtien, kun Suomen ensimmäiset ydinvoimalat rakennettiin 1970-luvulla. VTT:n asiantuntemus on syventynyt ajan myötä, ja VTT on edistänyt ydinturvallisuutta tutkimuksen ja kehityksen keinoin. Toiminta on laajentunut ja kehittynyt siinä määrin, että nykyiset tilat eivät enää ole riittäviä eivätkä tarkoituksenmukaisia.

Työ- ja elinkeinoministeriö julkaisi vuoden 2012 toukokuussa kansallisen ydinenergia-alan osaamistyöryhmän raportin, jossa käsiteltiin henkilöstöresurssitarpeiden lisäksi myös tutkimusinfrastruktuuritarpeita. Raportissa puollettiin uuden laitoksen rakentamista. Lisäksi esitettiin, että eri puolilla Otaniemeä toimivat VTT:n ydinturvallisuusasiantuntijat tulisivat työskentelemään valtaosin samassa kiinteistössä eli VTT:n ydinturvallisuustalossa. Työ- ja elinkeinoministeriö asetti vuoden 2013 tammikuussa työryhmän valmistelemaan ydinenergia-alan tutkimusstrategiaa vuoteen 2030 asti. Epävirallisesti nimellä YES (lyhenne sanasta ydinenergiastrategia) tunnetussa strategiahankkeessa määriteltiin useita strategisia suosituksia. VTT:n ydinturvallisuustalolla on tärkeä rooli näiden tavoitteiden saavuttamisessa.

VTT:n uusi ydinturvallisuustalo nousee Espoon Otaniemeen. 

Se sisältää erilliset laboratoriot radiokemialle, mikroskopialle ja analyysitoiminnoille sekä reaktorimateriaalien mekaaniselle testaukselle. Uusissa laboratorioissa on ajanmukaiset laitteistot ja myös säteilyturvallisuus on nykyisiä tiloja parempi. Teknologiaparannukset tukevat tieteellisesti entistä korkealaatuisempia tutkimustuloksia. 

Talon omistaja on valtion liikelaitos Senaatti-kiinteistöt, joka rakennuttaa kiinteistön VTT:n käyttöön. Rakennustyötä valvovat muun muassa paikallinen kunnallishallinto, rakennusvirasto ja pelastuslaitos sekä Säteilyturvakeskus STUK.

Tiloissa työskentelevät VTT:n tutkijat palvelevat ydinalaa monin tavoin: he tutkivat esimerkiksi virtaustekniikkaa, suorittavat fuusioreaktoria ja reaktorifysiikkaa koskevia laskelmia, mallintavat prosesseja (APROS) ja vakavia onnettomuuksia, tutkivat ydinjätteen käsittelyä ja suorittavat turvallisuusarvioita. Laboratorioiden henkilökunta puolestaan tukee ydinreaktoreiden turvallisuutta tutkimalla reaktorimateriaaleja esimerkiksi radiokemian ja dosimetrian keinoin sekä analysoimalla vikaantumismekanismeja ja karakterisoimalla ydinreaktoreiden rakennemateriaalien mekaanisia ominaisuuksia ja mikrorakenteita. 

Kellarin erityispaksut betonista valmistetut ulko- ja sisäseinät ja välikatto tarjoavat passiivisen suojan gamma-säteilyä vastaan odottamattoman säteilyaltistuksen varalta. Niitä käytetään hyväksi myös joissakin käsittelytiloissa. Laboratoriosiiven ilmanvaihto on suunniteltu tehokkaaksi. A-laboratorio sekä B- ja C-laboratorion tuulettimet ovat erillisiä ja varmistettuja. Ne ovat myös yhdistetty dieselkäyttöiseen varavoimaan. Näin varmistetaan, että laboratorio pysyy alipaineistettuna myös tuulettimien huollon tai vikaantumisen tai sähkökatkon aikana.

Laboratoriotilojen virransyöttövaihtoehdot ovat normaali sähkö, varasähkö ja joissakin tapauksissa myös katkeamaton sähkönsyöttö (UPS). Myös yksittäiset laitteet voidaan tarvittaessa kytkeä jäähdytysjärjestelmään.

Laboratoriosiiven yksi kerros on omistettu C-luokan radiokemialaboratorioille. C-luokan laboratorio on tarkoitettu niin alhaisen tason radioaktiivisille isotoopeille, että erillistä säteilyn valvontapistettä ei tarvita. Useimmat C-laboratoriotilojen huoneista on omistettu radiokemialle sekä ydinjätteen loppusijoituksen tutkimukselle.

C-laboratoriossa on omat tilat korkean resoluution induktiivisesti kytketylle plasmamassaspektrometrille (HR-ICP-MS), jolla liuoksista voidaan havaita metalleja ja useita muita materiaaleja vain yhden biljoonasosan (ppt) pitoisuuksina sekä erotella alkuaineiden isotooppeja. ICP-MS on atomiabsorptiomenetelmiä nopeampi, tarkempi ja herkempi menetelmä. Spektrometrille rakennetaan varta vasten ISO-luokan 6 puhdastila laboratoriovälineiden ja reagenttien vierasainejäämien minimoimiseksi.

B-luokan radiologisissa laboratorioissa voidaan käsitellä radioaktiivisempia isotooppeja. B-luokan laboratorion sisäänkäynnissä on tämän vuoksi säteilyn valvontapiste, jossa työntekijät pukeutuvat laboratoriovaatteisiin, kuten tarkoitukseen soveltuviin kenkiin sekä vähintään pitkään laboratoriotakkiin. B-luokan laboratorioissa on omat tilat eri toiminnoille. Sieltä löytyy esimerkiksi jodi-laboratorio, radiokemian laboratorio sekä gammasäteilyn spektrometriahuone.

Jodilaboratoriotilat on suunniteltu tukemaan VTT Expert Services Oy:n ydinvoimaloiden jodisuodatin-laboratoriota. Pääasiallisesti niissä testataan ydin-voimaloiden poistoilmasuodattimia sekä niissä käytettävää aktiivihiiltä. Jodilaboratorion poistoilma suodatetaan ensin aktiivihiilisuodattimien läpi.

Tiloihin asennetaan mikroskooppeja radioaktiivisten materiaalien tutkimista varten. Tiloissa on vakioilmastointi, jolla lämpötila ja kosteus pidetään halutuissa rajoissa. Lisäksi tiloissa esiintyvä mekaaninen tärinä sekä sähkömagneettiset ja -staattiset häiriöt on minimoitu. Tiloissa on huippuluokan pyyhkäisy- ja transmissioelektroniteknologiaa, joilla säteilytettyjä materiaaleja voidaan kuvantaa korkealla resoluutiolla, ja niistä voidaan havaita alkuaineita sekä kartoittaa kidetietoja.

Radioaktiivisten materiaalien käsittely on perinteisesti sisältänyt pääsiassa reaktorin paineastian teräs-​materiaalien tutkimusta, joiden radioaktiivisuustaso on suhteellisen alhainen. Uudet tilat muuttavat tilannetta huomattavasti, sillä säteilytettyjä materiaaleja voidaan tutkia uusin tavoin kuumakammioiden kauko-ohjattujen toimintojen ansiosta.

Neutronisäteilytettyjen rakennemateriaalien mekaaninen testaus on tärkeä tutkimusalue, mutta suojatuissa tiloissa tehdään myös siihen liittyviä toimenpiteitä, kuten kipinätyöstökoneilla leikkausta, elektronisuihkulla hitsausta ja näytteiden valmistelua. Suojattu hansikaskaappi soveltuu metallografiaan ja pienten näytteiden käsittelyyn, mikroskopiaan, näytteiden tuotantoon ja muuhun sorminäppäryyttä edellyttävään pienten näytteiden käsittelyyn.

Uudet työmenetelmät vaativat alkuun harjoittelua, ja samalla henkilöstömäärä kasvaa niiden myötä. Myös tutkimusvolyymiä on mahdollista kasvattaa, sillä palveluita voidaan nyt tarjota ulkomaisille asiakkaille sellaisillekin materiaaleille, joita ei vanhoissa tiloissa voitu tutkia. ​