Ydinvoimalaitostyypit

Viimeisten vuosikymmenten aikana on eri puolilla maailmaa suunniteltu ja rakennettu useita erilaisia ydinvoimalaitostyyppejä, joista kuitenkin vain harvat ovat päässeet laajaan kaupalliseen käyttöön. Yleisimmät reaktorityypit maailmassa ovat painevesireaktori ja kiehutusvesireaktori.

Ensimmäiset energiantuotantoon tarkoitetut reaktorit kehitettiin 1950-luvun alussa Yhdysvalloissa. Ne olivat tyypiltään termisiä kevytvesireaktoreita, ja aluksi niitä käytettiin sukellusveneiden voimanlähteenä. Ensimmäinen varsinainen ydinvoimalaitosreaktori käynnistettiin Obninskissa Neuvostoliitossa vuonna 1954.

Myös muissa ydinvoimaa runsaasti käyttävissä maissa, esimerkiksi Englannissa ja Ranskassa, 1950- ja 1960-luvut olivat vilkkaan kehitystyön aikaa. Laajaan kaupalliseen käyttöön päässeet ydinvoimalaitostyypit valikoituivat 1960-luvulla. Sen jälkeen reaktoreiden rakenne on pysynyt peri-aatteessa samanlaisena, mutta turvajärjestelmiä on vahvistettu ja kehitetty huomattavasti.

Reaktorifysikaalisten ominaisuuksien mukaan reaktorit luokitellaan termisiin reaktoreihin ja nopeisiin reaktoreihin fission aikaansaavien neutronien energian (nopeuden) mukaan. Ydinvoimalaitosten reaktorit ovat useimmiten termisiä reaktoreita, joissa fissio tapahtuu esihidastetuilla eli termisillä neutroneilla. Termiset reaktorit voivat hyödyntää luonnonuraanin sisältämästä energiasta enintään pari prosenttia. Prototyyppiasteella on ns. hyötöreaktoreita, jotka tuottavat luonnonuraanista uutta polttoainetta enemmän kuin ne itse kuluttavat.

Termiset reaktorit luokitellaan niissä syntyviä neutroneita hidastavan aineen sekä reaktoria jäähdyttävän aineen perusteella. Yleisimpiä ovat kevytvesireaktorit, joita on kahta eri tyyppiä. Niissä vesi toimii samalla sekä neutronien hidastimena että reaktorin jäähdytteenä.

Kiehutusvesireaktori

Kiehutusvesireaktorissa (BWR, boiling water reactor) reaktorisydän koostuu metallikuorisista polt-toainesauvoista, joiden sisällä on uraanidioksidipolttoainetta keraamisina tabletteina. Sauvat on koottu 60–100 sauvaa käsittäviksi polttoainenipuiksi. Yhteensä sauvoja on muutamia kymmeniä tuhansia. Reaktorisydän on suljettu paineastiaan.

Polttoainesauvoista lämpö siirtyy sydämen läpi virtaavaan jäähdytysveteen, joka kuumenee ja höyrystyy osittain. Paineastian yläosassa höyry erotetaan vedestä ja johdetaan höyryturbiinille. Laajeneva höyry pyörittää turbiinia ja siihen kytkettyä sähkögeneraattoria. Turbiinissa jäähtynyt höyry tiivistyy lauhduttimessa vedeksi, joka pumpataan takaisin reaktoripaineastiaan.

Reaktorin tehon säätöön käytetään ns. säätösauvoja. Ne sisältävät neutroneja voimakkaasti absorboivaa ainetta, esimerkiksi booria. Kun säätösauvoja työnnetään reaktorin sisään, ne absorboivat itseensä osan neutroneista ja hillitsevät siten fissioketjureaktiota, ja reaktorin teho laskee. Säätösauvoilla tehdään myös reaktorin pikasulku eli nopea sammutus. Kiehutusreaktorin tehoa säädetään myös reaktorin jäähdytevirtausta muuttamalla.

TVO:n kaksi laitosyksikköä (OL1 ja OL2) Olkiluodossa ovat ruotsalaisvalmisteisia kiehutusvesireaktoreita.

Painevesireaktori

Tavallisin tehoreaktorityyppi maailmanlaajuisesti on painevesireaktori (pressurized water reactor, PWR). Painevesireaktori (PWR, pressurized water reactor) eroaa kiehutusvesireaktorista siten, että jäähdytysvesi ei höyrysty reaktorissa. Höyry tuotetaan ns. höyrystimissä, joiden läpi reaktorissa kuumentunut korkeapaineinen vesi kiertää ohuissa putkissa. Lämpö siirtyy näiden putkien ympärillä olevan erillisen kiertopiirin (sekundääripiiri) matalapaineiseen veteen, joka höyrystymisen jälkeen johdetaan turbiineille.

Painevesireaktorin tehoa säädetään säätösauvojen avulla ja jäähdytteen booripitoisuutta muuttamalla. Fortumin kaksi yksikköä Loviisassa ovat neuvostoliittolaisvalmisteisia painevesireaktoreita, joista käytetään myös lyhennettä VVER. TVO:n uusin OL3-laitosyksikkö Olkiluodossa on eurooppalainen painevesireaktori, josta käytetään lyhennettä EPR.