Miksi ydinvoimala hukkaa niin paljon energiaa?

Ydinvoimalat tuottavat 59 prosenttia hukkaenergiasta, jota syntyy suomalaisissa polttoaineita käyttävissa laitoksissa. Hyötyenergiasta sen osuus on vain 16 prosenttia. Yle Uutiset selvitti, miksi ydinreaktorin energiasta valtaosa valuu mereen ja miten neljännen sukupolven reaktorit saattavat parantaa tilannetta.

talous
Loviisan ydinvoimalan reaktorihalli.
Loviisan ydinvoimalan reaktorihalli.Yle

Kesäkuussa julkaistu maakuntien energialähteiden vertailu kirvoitti Yle Uutisten sivuilla vilkkaan keskustelun. Kiihkeimmän reaktion sai aikaan ydinvoiman hukkalämpö. Muista energialähteistä poiketen ydinvoimasta eriteltiin polttoaineen käytössä syntynyt hyöty- ja hukkaenergia, koska hukkaenergian määrä on poikkeuksellisen suuri. Jotta asian merkitys olisi helpompi ymmärtää, Yle Uutiset laski nyt kaikkien polttoaineiden hyötysuhteet ja hukkaenergiaosuudet koko maan laitoksissa.

Ydinvoiman hyötysuhde on selvästi huonoin

Tehokkaimmin Suomessa käytetään maakaasua, jonka hyötysuhde on keskimäärin 86 prosenttia. Tämä tarkoittaa siis sitä, että jos maakaasua poltetaan sadan wattitunnin verran, siitä syntyy yhteensä 86 wattituntia sähköä ja lämpöä hyötykäyttöön, ja 14 wattituntia lämpöä karkaa harakoille.

Ydinvoima on selvästi tehottomin 33 prosentin hyötysuhteellaan. Jos uraanin halkeaminen lämmittää reaktorin vettä 100 wattitunnin verran, siitä saadaan 33 wattituntia sähköä ja loput 67 wattituntia päätyy hukkalämpönä mereen. Reaktori tuottaa siis kaksi kertaa enemmän hukkaenergiaa kuin hyötyenergiaa. Toiseksi huonoin hyötysuhde on öljyllä, mutta silläkin kaksi kertaa parempi.

Ydinvoima tuottaa yli puolet suomalaislaitosten hukkaenergiasta

Huonon hyötysuhteen ja verrattain suuren tuotannon takia ydinvoima on täysin omassa kastissaan hukkaenergian tuottajana. Sillä tuottetaan yli puolet koko maan hukkaenergiasta, vaikka hyötyenergiasta sen osuus on vain 16 prosenttia.

Hyötyenergiaa Suomi saa eniten tilastokeskuksen luokasta 'muu puupolttoaine', joka tarkoittaa suureksi osaksi metsäteollisuuden jäteliemiä, esimerkiksi sellun keitossa syntyvää mustalipeää. Sillä tuotetaan polttoaineita käyttävien laitosten hyötyenergiasta 22 prosenttia. Ydinvoimaan verrattuna sillä tuotetaan puolitoista kertaa enemmän hyötyenerigaa, mutta viisi kertaa vähemmän hukkaenergiaa.

Polttoaineita käyttävät laitokset tehokkuusvertailussa

Polttoaine

Hyötysuhde

Osuus kaikkien laitosten hukkaenergiasta

Osuus kaikkien laitosten hyötyenergiasta

Ydinvoima

33,0 %

58,7 %

16,3 %

Muu puupolttoaine

77,6 %

11,7 %

22,9 %

Hiili

69,2 %

9,9 %

12,5 %

Turve

76,8 %

5,2 %

9,7 %

Maakaasu

85,6 %

4,8 %

16,2 %

Teollisuuden puutähde

79,1 %

4,4 %

9,4 %

Metsäpolttoaine, puu

76,9 %

3,9 %

7,3 %

Öljy

67,9 %

2,7 %

3,2 %

Muut uusiutuvat

74,2 %

0,9 %

1,5 %

Muut fossiiliset

73,9 %

0,6 %

0,9 %

Eri polttoaineilla käyvien laitosten keskimääräinen hyötysuhde, polttoaineella tuotetun hyötyenergian osuus kaikkien laitosten hyötyenergiasta ja polttoaineella tuotetun hukkaenergian osuus kaikkien laitosten hukkaenergiasta. Vesi- tuuli-, ja aurinkovoimaa ei ole otettu huomioon. Tilastokeskuksen tiedot koskevat vuotta 2012.

Säteilyriski pitää hyötysuhteen huonona

Ydinvoimalan huono hyötysuhde johtuu säteilyn pakottamista alhaisista lämpötiloista. Mitä kuumemmaksi voimalan vesihöyry kuumennetaan, sitä paremmalla hyötysuhteella syntyy niin sähköä kuin kaukolämpöäkin. Kivihiilivoimaloissa höyry kuumenee liki 600 asteeseen, mutta ydinvoimaloissa on tyydyttävä 300 asteeseen, kertoo Aalto-yliopiston ydintekniikan professori Filip Tuomisto.

– Korkea lämpötila, korroosiota aiheuttava vesi ja säteily ovat paha yhdistelmä. Ei ole olemassa materiaaleja, joita voitaisiin luotettavasti käyttää 60–80 vuotta esimerkiksi reaktorin paineastiassa tai sisäosien komponenteissa. Materiaaleja on kehitteillä, mutta täyttä varmuutta työn onnistumisesta ei ole.

Tuomiston mukaan nykyisillä lämpötiloilla ydinvoimaloiden hyötysuhteen teoreettinen maksimi sähköntuotannossa on 50 prosenttia, mutta käytännön syiden takia luku jää 30–35 prosenttiin. Pelkkää sähköä tuottavien hiilivoimalaitosten maksimi on teoriassa 66 prosenttia ja käytännössä 50 prosenttia.

Matala lämpötila tekee kaukolämmöstä kallista

Matalista lämpötiloista johtuu myös se, että kaukolämmön tuotanto sähkön rinnalla ei ole ydinvoimaloissa yhtä kannattavaa kuin hiilivoimalaitoksilla. Yhteistuotannossa ydinvoimalan hyötysuhde nousisi vajaaseen 60 prosenttiin, arvioi Lappeenrannan teknillisen yliopiston professori Riitta Kyrki-Rajamäki Tiede-lehdessä (siirryt toiseen palveluun) vuonna 2008. Suuruusluokka kuulostaa Tuomiston mielestä oikealta.

Hiililaitokset pääsevät lämmön ja sähkön yhteistuotannossa jopa yli 90 prosentin hyötysuhteeseen.

Viimeistään ydinvoimaloiden sijoittaminen kauas taajamista on tehnyt ydinkaukolämmöstä niin kallista ettei sitä käytetä, vaikka Fortum aika-ajoin onkin väläytellyt lämpöputken rakentamista Loviisasta Helsinkiin.

Neljäs sukupolvi käy kuumempana ja tehokkaampana

Atomin halkeamiseen perustuvien fissioreaktoreiden seuraava askel käy kohti korkeampia lämpötiloja ja hyötysuhteita.

– Neljännen sukupolven laitoksissa puhutaan jopa 800 asteen lämpötiloista. Käytännössä silloin päästään [sähkön tuotannossa] lähemmäksi 50 prosenttia, jopa ylikin. Hiilivoimalaitoksilla voi olla vaikea mennä ylemmäksi nykyisistä 600 asteen lämpötiloista. Sopivasti suunnitellulla neljännen sukupolven ydinvoimalaitoksella voidaan päästä todella korkeisiin lämpötiloihin, jolloin lämpöä voitaisiin käyttää jopa vedyn tuotantoon, sanoo Aalto-yliopiston Tuomisto.

Suomeen suunnitteilla olevat ydinvoimalat eivät vielä neljättä sukupolvea edusta. Neljännen sukupolven ydinvoimaloita ei pidä sekoittaa myöskään fuusiovoimaloihin, jotka perustuvat atomien yhdistymiseen. Ne olisivat huomattavasti suurempi mullistus, mutta vanhan kansanviisauden mukaan niiden kehitystyö on aina 50 vuoden päässä valmiista laitoksesta.

Polttoaineen tarve vähenisi murto-osaan

Yksi neljännen sukupolven reaktoreiden kehittämisen suurimpia ongelmia on materiaalien kestävyys. Lämpötila nousee ja säteily pysyy, joten yhtälöstä pyritään vaihtamaan vesi. Tuomiston mukaan tämä tuo mukanaan myös mahdollisuuden käyttää polttoainetta nykyistä tehokkaammin.

Nykyiset laitokset hyödyntävät polttoainesauvasta vain yhtä uraanin isotooppia, jota on polttoainesauvassa 3–5 prosenttia. Uudet pystyisivät käyttämään myös monia muita aineita, jolloin niille kelpaisi myös käytetystä polttoaineesta jalostettu kierrätyspolttoaine.

Tuomisto arvioi, että polttoaine voidaan käyttää uudestaan ainakin useita kymmeniä kertoja. Kierrätyshaluja hillitsee käyttämättömän uraanin saatavuus ja jälleenkäsittelyn kalleus.

– Louhitusta uraanista tehty käyttämätön polttoainesauva on aika harmitonta tavaraa, sillä se ei erityisesti säteile, Tuomisto sanoo.

– Sen sijaan käytetty polttoaine on aika voimakkaasti säteilevää. Jos laitospaikan vieressä ei ole jälleenkäsittelylaitosta joka voi tuottaa siitä uutta polttoainetta, joudutaan kuljettelemaan korkea-aktiivisia aineita ympäri maailmaa. Tottakai se on hintakysymys, mutta myös turvallisuuskysymys.

Jätteen säteily ei juuri laskisi

Kun polttoainetta käytetään uudestaan, vähenee luonnollisesti myös jätteen määrä. Ydinjätehuoltoa se ei silti juuri helpota. Wattitunnin tuottaminen synnyttää yhtä paljon säteilyä kuin ennenkin – se vain saadaan talteen tiiviimpänä pakettina.

– Korkea-aktiivisen jätteen määrään vaikutus ei olisi suuri. Jälleenkäsittelyprosessissa korkea-aktiivisin osuus erotellaan jätteeksi ja lopusta jalostetaan uutta polttoainetta. Vaikka jätettä on määränä vähemmän, se ei juuri vaikuta sen jälkilämmön tuottoon eikä siihen, millä tavalla sitä pitäisi loppusijoittaa. Ero ei ole niin dramaattinen kuin polttoaineen tarpeen suhteen, arvioi Tuomisto.

Alla alkuperäinen energiavertailu.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

Näytä lisävalinnat