Maailma tarvitsee paljon energiaa. Teknologinen kehitys vaatii nykyään paljon enemmän energiaa kuin on tähän mennessä tuotettu. Tiedot osoittavat, että mitä suurempi BKT on, sitä suurempi on energiantuotanto ja -kulutus per capita, ja mitä suurempi on energiantuotanto, sitä korkeampi on ihmisten elinikä. Tavallisin energiantuotanto perustuu fossiilisten polttoaineiden polttamiseen (puu, hiili, öljy, maakaasu), mutta nämä luonnonvarat ehtyvät pian tai niistä tulee sietämättömän kalliita. Nykyiset arviot vaihtelevat noin 50:stä 150 vuoteen. Ennemmin tai myöhemmin tarvitsemme muita energiamuotoja. Voisiko ydinenergia olla vastaus?

Kaikki luonnonvarat kuten geoterminen energia, tuulivoima, aurinkoenergia jne. sisältävät korkeita kustannuksia ja vaativat tuuli- tai aurinkoenergiaan liittyvän epäsäännöllisen luonteensa vuoksi voimakasta tukea luotettavien perusvoima-energiajärjestelmien muodossa. Vesivoima on tärkeä ja halpa energialähde ja voi toimia tasaisesti perusvoimajärjestelmänä, mutta sen resurssit ovat rajalliset ja monissa maissa nämä resurssit on jo hyödynnetty loppuun.

Meillä on jo käytettävissämme loistava, erittäin tehokas (enemmän kuin mikään muu!) energianlähde – nimittäin ydinvoima. Tällä hetkellä noin 16 % kaikkialla maailmassa tuotetusta sähköenergiasta on ydinsähköä. Tämä energia voi kattaa ihmiskunnan energiantarpeen tuhansiksi vuosiksi – ja vielä paremmin: on arvioitu, että lisääntymisreaktorit voivat tuottaa energiaa jopa muutamaksi miljardiksi vuodeksi! Ydinvoimalaitosten sähköenergian kokonaistuotantokustannusten, mukaan lukien turvajärjestelmien kustannukset, suoja fissiilisten materiaalien leviämistä vastaan, tuleva reaktorin käytöstäpoisto ja ydinjätteen käsittelyn ja suojauksen kustannukset, on osoitettu olevan yksi alhaisimmista eri energialähteistä.

Ydinenergiaa tuottaminen ei aiheuta ympäristön saastumista eikä edistä ilmastonmuutosta. Olisi siis kauhea resurssien tuhlaus, jos ihmiskunta ei hyödyntäisi ydinenergiaa laajasti. Tekninen ongelma on käyttää sitä mahdollisimman turvallisesti. Esimerkiksi jokainen 22 tonnia uraania, jota käytetään sähköntuotantoon, säästää noin miljoonan tonnin hiilidioksidipäästöjä, jotka syntyisivät vastaavan määrän hiilen käytöstä.

Riskejä liittyy mahdollisuuteen vakavasta reaktorivauriosta, vapautuvasta ionisoivasta säteilystä, ydinjätteen käsittelystä ja fissiilisten materiaalien leviämisestä. Näiden riskien arviointi on kuitenkin vaikea tehtävä, sillä ne eivät kuulu yleiseen "vapaaehtoisten" riskien luokkaan. Karkeaa käsitystä varten voimme kuitenkin tarkastella "kuolemia tuotettua sähköenergiaa kohti". Perinteinen hiilikaivostoiminta ja öljykaivo-onnettomuudet yhdessä fossiilisten polttoaineiden polttamisen aiheuttaman ilmansaastumisen kanssa johtavat riskikertoimeen, joka on noin 40 kertaa suurempi kuin koko ydinteollisuudessa uraniumin louhinnasta ydinvoimalaitosten mahdollisiin vikoihin yhteensä. Yksittäinen padon murtuminen tai yksinkertainen onnettomuus kemiantehtaassa voi tappaa jopa tuhansia ihmisiä, kun taas siinä, mikä oli todennäköisesti pahin (ja hyvin ainutlaatuinen) katastrofi koko ydinvoiman historiassa, Tšernobylissä, tapettiin vain 31 ihmistä, 28 heistä suuren absorboituneen säteilyannoksen takia. Koko Yhdysvaltain ydinohjelma kantaa riskin, joka on samanlainen kuin moottoritien nopeusrajoituksen nostaminen 80 km/h:sta 81 km/h:iin!

Vasemmalla oleva kaavio havainnollistaa eri energialähteiden suhteellisia riskejä (mitattuna kuolemia per TWh tuotettu): (Kuvan lähde: www.adamsmith.org)

Viimeisimmässä Fukushiman ydinvoimalan viassa ympäristöön vapautui massiivisia määriä radioaktiivista materiaalia, ja asiantuntijat ennustavat, että paikallisvähestön syöpätapaukset kasvavat merkittävästi seuraavien 50 vuoden aikana. Välitön säteilystä johtuva kuolleisuus oli kuitenkin nolla.

Tiedämme nyt, että fission aikana tuotetaan radioaktiivisia ytimiä. Neutronien lukumäärä uraanissa (143 tai 146) ylittää selvästi protonien lukumäärän (92), mikä tekee siitä suhteellisen stabiilin (²³⁸U:n elinikä on 4,5 miljardia vuotta ja ²³⁵U:n elinikä on 1,3 miljardia vuotta). Pienemmissä ytimissä stabiilille isotoopille tarvittava neutoni-protoni-suhde on pienempi. Näin ollen, kun ydin jakautuu pienempiin, neutronien lukumäärä jokaisessa fragmentissa on suurempi kuin mitä sen stabiliteetin saavuttamiseksi tarvitaan. Tämä tarkoittaa, että fissiotuotteet ovat epästabiileja eli radioaktiivisia – ja niistä aika monella on pitkä elinikä.

Fissiotuotteiden lisäksi transuranielementtejä tuotetaan myös neutronikaappauksella ydinsydänaineessa. Oletetaan, että nopea neutroni kaappaantuu ²³⁸U:hun. Tällöin kahden beetahajoamisen jälkeen muodostuu ²³⁹Pu – fissiili aine, joka lisääntymisreaktoreissa toimii polttoaineena (silloin puhumme uraani-plutoniumsyklistä). Sama isotooppi muuttuu kuitenkin PWR-tyyppisessä reaktorissa ydinjätteeksi. On myös muistettava, että reaktorin toiminnan aikana reaktorin rakennusmateriaalit aktivoituvat (tyypillinen tällaisen aktivaation tuote on ⁶⁰Co) ja ne on käsiteltävä asianmukaisesti.

Ydinjätteen luokittelu:

Tyyppi	Tilavuuden mukaan	Radioaktiivisen sisällön mukaan
Korkea-aktiivinen jäte	3%	95%
Keski-aktiivinen jäte	7%	4%
Matala-aktiivinen jäte	90%	1%

Korkea-aktiivinen jäte muodostaa vain 3 % ydintuotannosta syntyvän jätteen kokonaistilavuudesta, mutta sisältää 95 % radioaktiivisuudesta. Matala-aktiivinen jäte edustaa 90 % radioaktiivisen jätteen kokonaistilavuudesta, mutta sisältää vain noin 1 % radioaktiivisuudesta.

Ydinjäte aiheuttaa vakavia teknologisia ongelmia, jotka on ratkaistava, jotta ydinvoima olisi turvallinen yleisölle. Toisin kuin hiili, öljy tai kaasu, ydinpolttoaine ei koskaan pala kokonaan. Tämä johtuu siitä, että "polttamis"-prosessin aikana muodostuu useita ytimiä, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja. Ajan mittaan fission aikana tuotetut neutronit absorboituvat enimmäkseen aiempien reaktioiden tuotteisiin. Niiden lukumäärän kerrostuminen yhdessä fissioaktissa ei riitä ketjureaktion ylläpitämiseen. Tällöin polttoaineelementti ei voi enää toimia polttoaineena ja siitä tulee voimakkaasti radioaktiivista ydinjätettä.

Lisäksi fissioreaktion aikana tuotettujen elementtien puoliintumisajat ovat usein kymmeniä tai jopa satoja tuhansia vuosia, joten tällaisen jätteen varastoinnissa on noudatettava erityistä varovaisuutta ja se on varastoitava turvallisesti hyvin pitkäksi aikaa. Tämä luo vakavia sosiaalisia, poliittisia ja sääntelyyn liittyviä ongelmia näiden jätteiden loppusijoitukselle.

Tutkimusreaktoreissa, jotka eivät tuota niin paljon käytettyä polttoainetta, yksinkertaisin tapa on käyttää vesisäiliötä, joka yleensä sijaitsee reaktorialtaan vieressä. Käytettyä polttoainetta voidaan säilyttää niin kauan kuin polttoaineen suojakoteloiden korroosio sallii, yleensä noin 30-40 vuotta. Sillä välin käytettyjen polttoainesauvojen lämpötila laskee ja luonnolliset hajoamisprosessit tekevät niiden aktiivisuudesta pienemmän. Tarvitaan vielä 40 tai 50 vuotta varastointia ennen kuin käytetyn polttoaineen aktiivisuus on riittävän alhainen, jotta se voidaan lähettää ydinjätteen lopulliseen varastoon.

Ydinvoimalaitosten tapauksessa voidaan käyttää vastaavia menetelmiä. Kuitenkin sen jälkeen, kun käytettyä polttoainetta on säilytetty muutama vuosi vesisäiliössä, polttoaine siirretään uudelleenkäsittelylaitoksiin, joissa se voi käydä läpi kemiallisen prosessin, jossa fissiiliset aineet (uraani ja plutonium sekä muut transuranielementit) otetaan talteen ja käytetään lopulta tuoreen reaktoripolttoaineen valmistuksessa. Jäljelle jäävä materiaali, joka on pääosin nestemäisessä muodossa, lasitetaan, pakataan valtaviin metallisiin astioihin (kasetteihin) ja lähetetään varastoon. Tämä teknologia ei ole kovin yleinen, koska se vaatii huipputeknisen ympäristön. Jos käytettyä polttoainetta ei uudelleenkäsitellä, se on varastoitava suoraan sopiviin metalliastioihin erityisissä syvävarastoissa maan alla: esimerkiksi vanhoissa suolakaivoksissa, savissa tai graniitissa.

Ydinjätteen varastointi 500-1000 m:n syvyyteen maan alle tarjoaa suurempaa turvallisuutta kuin pintavarastointi. Esimerkiksi 1000 vuoden jakson jälkeen emittoitu säteily on maan kuoren ensimmäisten 1000 metrin luonnollisen säteilyn tasolla. Tietysti jos opimme transmutoimaan ja polttamaan ydinjätettä, ongelma helpottuu entisestään. Syvävarastointi ei muodosta todellista vaaraa lähellä varastointipaikkoja asuville ihmisille, ellei joku vahingossa yritä käyttää maastoa muuhun tarkoitukseen ja ala porata. Vaikka näin kävisi, vaara pysyisi paikallisena eikä saavuttaisi varmasti maailmanlaajuisia mittasuhteita.

Kun keskustellaan teolliseen ydinjätteeseen liittyvistä vaaroista, unohdetaan usein, että maan kuori itse sisältää monia radioaktiivisia aineita, jotka jatkuvasti diffusoituvat pintaa kohti ja muodostavat osan luonnollisesta radioaktiivisesta taustasäteilystä.

Kuten yllä oleva kuva havainnollistaa, ydinjäte vaikuttaa vain pienellä osuudella taustasäteilyyn. Esimerkiksi kaikki vuoteen 2000 mennessä kertynyt radioaktiivinen jäte, jonka annetaan jäähtyä 500 vuotta, osoittaa aktiivisuuden, joka vastaa 30x30x2 km:n maapalan luonnollista radioaktiivisuutta (2 kilometriä on tyypillinen syvyys maanalaisessa jätteen loppusijoitustilassa).

Aloitetaan uraanimalmin louhinnalla. Malmi murretaan ja jauhetaan sitten hienoksi jauheeksi. Lopuksi se käy läpi kemiallisen prosessin, joka mahdollistaa uraanin erottamisen malmista. Tuloksena saadaan uraanioksidi U₃O₈. Ydinvoimalan, joka tuottaa esimerkiksi 1000 MW sähkötehoa, käyttämiseen tarvitaan noin 200 tonnia U₃O₈ vuodessa.

Seuraava vaihe käsittää uraanin rikastamisen ²³⁵U:lla. Prosessi alkaa triuranioksidin muuttamisella kaasumaiseksi uraaniheksafluoridiksi (UF₆). Suurinopeuksisia sentrifugeja käytetään kaasun erottamiseen kahteen osaan: ²³⁸U:n poistaminen rikastaa yhden virran ²³⁵U:lla, kun taas toinen on köyhtynyt ²³⁵U:ssa. Ensimmäistä käytetään ydinpolttoaineen valmistukseen, kun taas jälkimmäistä, "köyhdytettyä uraania", voidaan käyttää esimerkiksi metallisessa muodossa erittäin tehokkaana suojana gammasäteilyä vastaan.

Polttoaineen polttamisen jälkeen ydinreaktorissa käytetty polttoaine varastoidaan ja sitten joko käsitellään uudelleen fissiilisten aineiden (²³⁵U ja ²³⁹Pu) talteenottamiseksi tai valmistetaan pitkäaikaiseen varastointiin ilman uudelleenkäsittelyä.

On vahva kannustin vähentää 100-kertaisesti tai enemmän korkea-aktiivisten jätteiden (HLW) tilavuutta ja radiotoksisuutta, jotka on tarkoitettu syvävarastointiin. On käynyt ilmi, että noin 97 % käytetystä polttoaineesta voidaan kierrättää, loput jää voimakkaasti radioaktiiviseksi ydinjätteeksi. Talteen otettu uraani sisältää vain noin 1 % ²³⁵U (ns. "köyhdytetty uraani"). Geologisen varastoinnin lisäksi on kiinnostusta erottelu- ja transmutaatioteknologioihin (P&T), jotka mahdollistaisivat aktinidien (erityisesti Pu), ns. pienten aktinidien (Np, Am ja Cm) ja joidenkin pitkäikäisten fissiotuotteiden erottamisen, niiden transmutoinnin lyhytikäisiksi tai jopa stabiileiksi tuotteiksi.

Käytetyn ydinpolttoaineen tiekuljetus Japanissa (Kuvan lähde: The Energy Library):

Yleisestä uskomuksesta poiketen käytetyn polttoaineen kuljetus ei ole vaarallista. Huomaamme, että pelkästään Yhdysvalloissa on viimeisten 40 vuoden aikana kirjattu noin 3000 käytetyn polttoaineen kuljetusta. Tämä polttoaine kuljetettiin rekoilla ja junilla yhteensä noin 2,5 miljoonan kilometrin matkalla ilman yhtäkään onnettomuutta. Myöskään Euroopassa ei ole tapahtunut onnettomuuksia minkään käytetyn polttoaineen kuljetuksen aikana. Turvallisuuden takaavat suurelta osin raskaat (~120 tonnia) teräsastiat, joita käytetään kuljetuksessa. Tyypilliset seinämät ovat noin 50 cm paksuja – noin 15 kertaa enemmän kuin bensiinin kuljetukseen käytetyissä astioissa. Jokaista tonnia käytettyä polttoainetta kohden käytetään tyypillisesti kolme kertaa enemmän materiaalia astioihin ja biologiseen suojaan. Tällaiset astiat on rakennettu kestämään 30 minuutin palo ja 9 metrin putoaminen betonille. Ne on rakennettu kestämään jopa suihkukoneen törmäys! Yhdessä astiassa ei ole koskaan enemmän kuin 9-12 käytettyä polttoaineelementtiä. Viime aikoina astioiden rakennetta on alettu muuttaa niin, että ne kestävät mahdollisia terrori-iskuja.

Ydinreaktorien ja sotilaallisen toiminnan tuottaman ydinjätteen lisäksi ydinjätettä tuotetaan kaikkialla, missä käytetään ydinissäteilylähteitä. Ne tulevat sairaaloista (joissa on ydinlääketieteen ja sädehoidon osastoja), yliopisto- ja teollisuustutkimuksesta, lähteiden teollisuuskäytöstä (esimerkiksi paperiteollisuudessa, uraani- ja hiilikaivoissa, palovaroittimissa jne.). Toisin kuin käytetty polttoaine, nämä jätteet ovat kokonaan matala- tai keski-aktiivisia ja niillä on pääosin kohtuullisen lyhyet elinikäiset. Tällaiset jätteet yleensä kompaktoidaan ennen kuin ne lopulta varastoidaan erityisiin astioihin, jotka estävät radioaktiivisen materiaalin vuotamisen ympäristöön.

Ydinjätteen pitkäaikaiselle varastoinnille on joitakin mahdollisia vaihtoehtoja. Transmutaatio on prosessi, jossa neutronikaappauksella muunnetaan pitkäikäinen radioaktiivinen isotooppi toiseksi, jolla on lyhyempi puoliintumisaika tai joka on mahdollisesti jopa stabiili. Sitä vastoin poltto on prosessi, jossa neutronikaappaus johtaa isotoopin muodostumiseen, joka hajoaa stabiiliksi alkuaineeksi fission kautta. Molempien reaktiotyyppien kaupallisen tehokkuuden saavuttamiseksi tehdään laajamittaista työtä. Kiihdyttimellä ohjatut järjestelmät ja ns. energiavahvistimen käsite antavat meille toivoa siitä, että tähän mennessä kertyneet ja tulevat ydinjätteet voitaisiin muuntaa lyhytikäisiksi jätteiksi, joita on helpompi varastoida.