Ydinreaktori on laite, jossa tapahtuu ohjattu ydinketjureaktio ja vapautuu energiaa. Ydinreaktoreita käytetään ydinvoimalaitoksissa sähköntuotantoon sekä myös laivojen tai sukellusveneiden propulsioon.

On myös reaktoreita, jotka tuottavat isotooppeja lääketieteellisiin ja teollisiin käyttötarkoituksiin, reaktoreita asekäyttöisen plutoniumin tuotantoon, ja muita reaktoreita käytetään puhtaasti tutkimukseen.

Energia vapautuu ydinreaktoreissa lämmön muodossa. Tämä lämpö voidaan muuttaa yhteiskunnan käytettäväksi soveltuvaksi energiamuodoksi. Tyypillisessä ydinvoimalaitoksessa tämä voi olla yhtä yksinkertaista kuin veden keittäminen höyryn tuottamiseksi, joka pyörittää turbiineja sähkögeneraattoreiden käyttämiseksi.

Ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos avattiin vuonna 1956 Sellafieldsä, Englannissa, ja sen alkuteho oli 50 MW. Alla oleva kuva näyttää tyypillisen ydinvoimalaitoksen pääkomponentit: Selitys: (A) suojarakenne, (B) säätösauvat, (C) reaktorisäiliö, (D) höyrystin, (E) höyrylinja, (F) höyryturbiini, (G) generaattori, (H) sähkö kuluttajille, (I) lauhduttaja, (J) suihkutus, (K) vesihöyry, (L) jäähdytystorni.

Ketjureaktio ydinreaktorissa on täsmälleen kriittinen, joten keskimäärin vain yksi neutroni jokaisesta fissioituvasta ytimestä johtaa fissioon toisessa ytimessä. Jotta tämä olisi mahdollista, reaktorisydän sisältää useita komponentteja, joita käytetään kriittisyysolosuhteiden ylläpitämiseen.

Fission yhteydessä vapautuvilla neutroneilla on noin 1-2 MeV energiaa. Tällaisilla nopeilla neutroneilla on hyvin pieni todennäköisyys aiheuttaa ²³⁵U:n fissio, joten nämä neutronit ohittavat monia, monia ytimiä ennen kuin jokin niistä absorboi ne ja indusoi fission. Yksi ratkaisu on hidastaa ne siten, että niillä on energioita elektronivoltin murto-osan luokkaa.

Suuremmaksi todennäköisyydeksi voidaan ajatella se, että hitaat neutronit viettävät pidemmän ajan kosketuksessa uraaniytimen kanssa. Kutsumme tällaisia neutroneja termisiksi neutroneiksi, koska niiden kineettiset energiat ovat lähellä ympärillämme olevan ilman molekyylien kineettisiä energioita. Neutronien hidastamiseksi fissioreaktoria varten täytetään esimerkiksi fissiilisen materiaalin väliset tilat ns. moderaattorilla, esimerkiksi vedellä tai grafiitilla.

Reaktoria, joka toimii termisillä neutroneilla, kutsutaan termiseksi reaktoriksi. Oikealla oleva kaavio näyttää termisen reaktorin pääkomponentit (1-3) ja prosessit (A-D): (1) polttoainesauva, (2) moderaattori, (3) säätösauva, (A) fissio, (B) moderointi, (C) absorptio säätösauvaan, (D) kaappaus fissiilisessä materiaalissa.

Jos neutroni törmää ytimeen, neutroni voi siroontua mihin tahansa suuntaan, mukaan lukien pois aktiiviselta alueelta. Siksi fissiilisen materiaalin ympäröiminen ei-absorboivalla aineella, joka sirottaa neutronit takaisin, lisää mahdollisten törmäysten lukumäärää.

Tällaista materiaalia, joka ympäröi fissiilisen materiaalin ydinreaktoreissa, kutsutaan reflektoriksi. Neutronireflektori voi tehdä muuten alikriittisestä fissiilisen materiaalin massasta kriittisen.

Teräs, beryllium tai grafiitti ovat tavallisia reflektorimateriaaleja. Kevyestä materiaalista kuten grafiitista tai berylliumista tehty reflektori toimii myös neutronien moderaattorina, vähentäen neutronien kineettistä energiaa, kun taas raskas materiaali kuten lyijy vaikuttaa vähemmän neutronien energiaan.

Vasemmalla oleva animaatio havainnollistaa reflektorimateriaalin vaikutusta.

Haluamme energiantuotannon olevan mahdollisimman tehokasta. Jos tehokkuus on kuitenkin liian korkea, voidaan päätyä ydinräjähdykseen – tilanne, joka on vältettävä! Ydinreaktorit on rakennettu niin, että ydinräjähdys ei ole mahdollinen. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi on oltava mahdollisuus estää ketjureaktio, jos se kehittyy liian nopeasti. Tämä saavutetaan jakamalla fissiilinen materiaali massoihin, jotka ovat pienempiä kuin ns. kriittinen massa, jotta neutronit eivät löydä fissiilisiä ytimiä yhtä helposti. Kyseisiä uraniumpalasia kutsutaan sitten alikriittisiksi.

Neutronit voivat helposti paeta uraniumin pinnoilta ennen kuin mitään vaarallista energian kertymistä on mahdollista. Lisäksi fissiilisen materiaalin (polttoainesauvojen) lohkojen väliin voidaan sijoittaa ns. säätösauvoja, jotka absorboivat voimakkaasti neutroneja. Mitä syvemmälle säätösauvat työnnetään fissiilisen materiaalin (polttoainesauvojen) väliin, sitä vaikeampaa fission yhteydessä tuotettujen neutronien on törmätä toiseen uraaniytimeen, mikä johtaa rajoitetumpaan ketjureaktioon ja energiantuotannon vähenemiseen.

Oikealla oleva animaatio havainnollistaa kadmium-kontrollisauvojen vaikutusta fissioreaktorissa.

Useimmat termiset ydinreaktorit käyttävät ²³⁵U:ta polttoaineena. Sen alhainen luonnollinen esiintyminen (0,72 % luonnollisesta uraanista, pääosin ²³⁸U) tekee kuitenkin ketjureaktion mahdottomaksi, kun käytetään luonnollista uraania itsessään. Siksi reaktoripolttoaine on rikastettava ²³⁵U:lla. Rikastusaste ydinvoima- ja tutkimusreaktoreissa vaihtelee noin 2 prosentista noin 40 prosenttiin. Vanhempien tyyppien reaktoreissa, erityisesti sukellusveneissä käytetyissä, rikastus voi jopa ylittää 90 %.

Polttoaine voidaan valmistaa UO₂-pellettien muodossa, muutaman senttimetrin paksuisina. Nämä pelletit järjestetään polttoainesauvojen muodossa. Voidaan myös käyttää erilaisia uraanin seoksia muiden metallien, esimerkiksi alumiinin kanssa. Yksi viimeaikainen ehdotus on käyttää erikoisesti suunniteltuja pallomaisia ydinydinpolttoaine-elementtejä.

On myös reaktoreita, jotka käyttävät nopeita neutroneja. Tällaisissa reaktoreissa neutroniabsorptio ²³⁸U:ssa johtaa fissiilisen ²³⁹Pu:n muodostumiseen. Tämä plutoniumisotooppi voidaan poimia palaaneesta polttoaineesta ja käyttää ns. MOX-polttoaineen valmistukseen, joka sisältää molemmat fissiiliset materiaalit, ²³⁵U ja ²³⁹Pu.

Ylivoimaisesti suosituimmat reaktorit käyttävät vettä moderaattorina ja jäähdytysaineena. Paineistettu vesireaaktori (PWR tai sen venäläinen versio VVER) on tätä tyyppiä. Aivan kuten paineistuskattilan paine nostaa veden kiehumispistettä, niin tapahtuu myös PWR:ssä... paitsi että paine on valtava, noin 15 MPa, joten vesi ensisijaisessa jäähdytysjärjestelmässä saavuttaa jopa 600 K:n lämpötilan kiehumatta! Se, mikä höyrystyy höyrystimissä, on vesi toissijaisesta piiristä, johon lämpö ensisijaisesta piiristä siirretään. Toinen reaktoriversio, paineistettu raskasvesimoduloitu reaktori (PHWR), käyttää raskasta vettä (D₂O) moderaattorina. On myös ns. kiehutusvesireaktoreita (BWR), joissa vesi kiehuu suoraan reaktorissa.

On muitakin reaktorityyppejä, jotka käyttävät termisiä neutroneja:

Kaasuilla jäähdytetyt reaktorit, joissa hiilidioksidi (CO₂) tai helium käytetään jäähdytykseen. Kaasu pumpataan kanavien läpi grafiittimoderaattorissa.

Kanadalainen raskasvesi-uraanireaktori (CANDU), jossa raskas vesi toimii moderaattorin ja jäähdytysaineen roolissa. Vähäisten neutronihäviöiden vuoksi D₂O:ssa tällaiset reaktorit voivat käyttää luonnollista uraania polttoaineena.

CANDU-reaktorin kaavakuva: 1 – polttoainepaketti, 2 – reaktorisydän, 3 – säätösauvat, 4 – D₂O-painetankki, 5 – höyrystin, 6 – vesipumppu, 7 – D₂O-pumppu, 8 – polttoaineen latausservot, 9 – D₂O-moderaattori, 10 – paineputki, 11 – höyry turbiinille, 12 – kylmä vesi turbiinilta, 13 – suojarakennus (Kuvan lähde: Creative Commons)

Suuritehoinen paineputkireaktori (RBMK) grafiittimoderaattoreilla oli suosittu entisessä Neuvostoliitossa, koska niitä voitiin käyttää asekäyttöisen plutoniumin (²³⁹Pu) tuotantoon. Tämä reaktorityyppi oli osallisena Tšernobylin onnettomuudessa vuonna 1986.

Ydinreaktorit voivat käyttää nopeita neutroneja, joilla on 50-100 keV:n energioita. Tällaisilla reaktoreilla ei tyypillisesti ole moderaattoreita, ja ne voivat tehokkaasti tuottaa fissiiliä ²³⁹Pu:ta, jota voidaan sitten käyttää uudelleen polttoaineena. Ne voidaan jäähdyttää joko heliumilla tai nestemäisellä natriumilla, ja ne voidaan tehdä varsin kompakteiksi, esimerkiksi sukellusvenekäyttöön. Esimerkki nopealla neutronireaktrorilla toimivasta ydinvoimalaitoksesta oli SUPERPHENIX, joka toimi Ranskassa vuosina 1985–1997. Toinen samanlainen, joskin ei identtinen, lisääntymisreaktorityypin (eli reaktori, joka tuottaa omaa polttoainettaan) reaktori on ollut toiminnassa Sverdlovskissa Venäjällä vuodesta 1981.

Useimmat tänään toimivista reaktoreista ovat II sukupolven reaktoreita. Hyvin turvallisia III sukupolven reaktoreita on suunniteltu viime aikoina, ja IV sukupolven reaktoreita on jo suunniteltu. Viimeisessä kategoriassa voidaan odottaa sekä kaasuilla jäähdytettyjä että vedellä jäähdytettyjä reaktoreita sekä monenlaisia nopeilla neutroneilla toimivia reaktoreita.

Erityisen mielenkiintoinen projekti käsittää korkealämpötilakaasuilla jäähdytetyn reaktorin, jonka sydän koostuu 330 000 pallomaisesta polttoaineelementistä, 60 mm halkaisijaltaan, jotka kukin koostuvat noin 15 000 UO₂-jyvästä.

Jokainen jyvä, 0,5 mm halkaisijaltaan, on peitetty usealla korkeatiheyksisellä kerroksella, mukaan lukien pii-grafiittikeraaminen kerros fissiotuotteiden pysäyttämiseksi. Neutronivirta, lämpötehon jakauma ja lämpötila tällaisessa reaktorisydämessä määräytyvät noin 100 000 grafiittipallosta, jotka ovat sekoitettuina polttoaineelementtien joukkoon. Kun tämän päivän reaktorit toimivat tyypillisesti noin 600 K:ssa, tällaisessa reaktorissa käytetyt materiaalit sallisivat paljon korkeampia lämpötiloja. Tällöin reaktorin jäähdytysaine olisi helium. Saavutettuaan 1200 K:n lämpötilan, virtaava heliumkaasu liikuttaisi kaasuturbiinia ja sähkötehogeneraattoria noin 40 % hyötysuhteella. Koko reaktorisuunnitelma on paljon yksinkertaisempi kuin tällä hetkellä toimivien reaktoreiden. Lisäksi korkeat lämpötilat, joissa ne toimivat, mahdollistavat vedyn tuottamisen vedestä tai muista materiaaleista aiheuttamatta ilmansaastumista. Ehdotetut rakennusmateriaalit kestävät jopa 1900 K:n lämpötiloja, mikä on hyvin tärkeää reaktoriturvallisuuden näkökulmasta.

Lisäksi IV sukupolven vedellä jäähdytetyt reaktorit tarjoavat myös uusia turvallisuusominaisuuksia. Westinghouse Electric kehitti idean "kansainvälisestä reaktorista innovatiivinen ja turvallinen" (IRIS lyhyesti). Tällaisessa reaktorissa koko ensisijainen jäähdytyspiiri on sijoitettu reaktorin sisälle, joten vakava jäähdytysaineen menetys on käytännöllisesti katsoen mahdoton. Voidaan myös ajatella reaktorin käyttämistä vedelle kriittisen pisteen ylittävässä lämpötilassa ja paineessa, eli olosuhteissa, joissa kaasun ja nesteen välillä ei ole eroa. Veden erinomainen lämmönjohtavuus tässä tilassa mahdollistaisi 45 % hyötysuhteen ja korkeissa lämpötiloissa tehtävän työn avulla vetypoltttoaineen tuottamisen.

Harkinnassa ovat myös nestemäisillä metalleilla jäähdytetyt lisääntymisreaktorit, jotka tarjoavat korkean lämmönjohtavuuden. Jäähdytysaine tässä tapauksessa pidettäisiin ilmanpaineessa, joten väkivaltainen jäähdytysaineen vapautuminen ensisijaisen järjestelmän murtuman yhteydessä on suljettu pois. Nestemäisten metallien käsittelyn tekniset vaikeudet ovat kuitenkin hidastaneet näiden reaktorien kehitystä. Ne ovat kuitenkin vahva ehdokas tulevaan kestävään ydinpolttoainesykliin.

Reaktorin pitämiseksi turvallisena on noudatettava joitakin yksinkertaisia sääntöjä:
  1) On pystyttävä sammuttamaan se tarvittaessa
  2) Reaktorisydän on pidettävä veden peitossa
  3) Suojarakenne on pidettävä ehjänä
Näiden yleisten periaatteiden toteuttamiseksi käytämme fysiikan luonnonlakeja. Jos käytetään mekaanisia laitteita, on tarjottava vähintään kaksi laiteryyppiä, jotta sama vika ei voi esiintyä samanaikaisesti molemmissa.

Kuva havainnollistaa passiivisia turvallisuuslaitteita: 1 – luonnollinen konvektioilman ulosotto, 2 – painovoimalla toimiva vesisäiliö, 3 – vesifilmin haihdutus, 4 – teräksinen suojaastia, 5 – automaattinen paineenpurkautumisventtiili, 6 – painovoimalla syötetty jäähdytysvesisäiliö, 7 – jäähdytys ulkoilmalla (Kuvan lähde: Westinghouse 2011). Sähkökatkoksen aikana hätäjäähdytysvesi johdetaan painovoimalla reaktorisydämeen ja kierrätetään passiivikonvektion ja kondensaation avulla.

Ydinreaktoreissa on useita ja redundantteja turvallisuuskerroksia. Reaktorin ympärillä oleva biologinen suojaus suojaa ihmisiä reaktorisydämessä tuotetulta ionisoivalta säteilyltä. PWR- tai PHWR-reaktoreiden vesi on huolellisesti puhdistettu (tislattu), koska vedessä olevat epäpuhtaudet saattavat tulla radioaktiivisiksi reaktorin toiminnan aikana. Reaktori itsessään on tyypillisesti ympäröity raskaalla, paksulla betonilla ja sijoitettu tarkoitukseen rakennettuun saliin, jonka seinät kestävät höyryn paineaallon, joka muodostuisi vakavassa onnettomuudessa. Lisäksi reaktorisalin sisältävällä rakennuksella on jälleen raskaat, paksut seinät. Katot, usein puolipallomaiset, ovat riittävän vahvoja kestämään lentokoneen törmäyksen. Erityistä huomiota kiinnitetään jäähdytysjärjestelmän mekaniikkaan ja hallintaan.

Reaktorien turvallisuusjärjestelmät ovat usein kolminkertaiset, mikä vähentää kaikkien järjestelmien samanaikaisen vian todennäköisyyden käytännöllisesti katsoen nollaan. Tästä syystä ydinvoiman historiassa on ollut niin vähän onnettomuuksia. Three Mile Islandin onnettomuudet Yhdysvalloissa, Tšernobyl entisessä Neuvostoliitossa ja Fukushima Daiichi Japanissa ovat todellakin poikkeuksia, joissa useiden järjestelmävikojen ketjut yhdistettynä inhimilliseen virheeseen tai luonnonkatastrofeihin ovat ylittäneet käytössä olevat turvallisuusjärjestelmät.

Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, erityistä huomiota kiinnitetään reaktorin lähellä varastoituihin ydinjätteisiin ja fissiiliseen materiaaliin, jotta ne on suojattu varkaukselta ja materiaalin väärinkäytöltä (esim. ydinaseiden valmistukseen).

Ydinpommin räjähdyksen ja ydinreaktorin räjähdyksen välillä on olennainen ero! Itse asiassa ydinräjähdykset ovat käytännöllisesti katsoen mahdottomia ydinreaktorissa, vaikka tavanomaiset lämpötekniset (höyrystä) ja kemialliset (vedystä, joka reagoi hapen kanssa) mekanismit ovat johtaneet ydinvaaratilanteisiin Tšernobylissä ja Fukushimassa. Reaktoriräjähdyksen pääseuraus on radioaktiivisen materiaalin vapautuminen ilmakehään, joka muodostaa sitten radioaktiivista laskeumaa. Laskeuman jakautuminen riippuu sääolosuhteista (erityisesti tuulesta ja sateesta).

Tšernobylin ja Fukushiman tapaukset osoittivat, että ydinkatastrofin tapauksessa maaperän saastuminen voi levitä laajoille alueille, joissa säteilyaltistus sitten laskee luonnollisen tason murto-osaan, eikä se voi johtaa vakaviin seurauksiin. Tämä on erilaista kuin ydinräjähdyksen tapauksessa, jossa laajat alueet voivat saastua yli tappavien altistumistasojen.

Entä terroristisen lentokonehyökkäyksen seuraukset ydinvoimalaitokseen? Suojarakenne ei kärsisi paljon vahinkoa tällaisessa tapauksessa, ja varmasti reaktorisydän ei saisi vaikutuksia. Jäähdytys- ja sähkönsyöttöjärjestelmät saattavat kuitenkin kärsiä osuessa. Nykyisistä turvallisuuslaitteista huolimatta tällainen vahinko voisi pahimmassa tapauksessa johtaa reaktorisydämen ylikuumenemiseen ja sulamiseen. Jopa tällaisessa tapauksessa radioaktiivinen materiaali pysyisi kuitenkin reaktorin painesäiliössä. Vaarallisempaa voi olla onnistunut hyökkäys ydinvoimalaitoksessa sijaitsevaan korkea-aktiivisten jätteiden varastoon. Vaikka tällainen hyökkäys olisi vaikea näiden varastojen suhteellisen pienten mittojen vuoksi, se ei ole mahdoton. Voidaan ennakoida, että radioaktiiviset materiaalit leviäisivät sen jälkeen, vaikka ongelma pysyisi paikallisessa mittakaavassa.