[muokkaa] Historia
Rikkihappoa kutsutaan joskus myös vihtrilliöljyksi. Nimi periytyy aineista, joita käytettiin ennen nykyaikaisia menetelmiä rikkihapon valmistuksessa. Ennen rikkihappoa valmistettiin polttamalla joko rauta(II)sulfaattiheptahydraattia (FeSO4·7H2O) eli vihreää vihtrilliä tai kupari(II)sulfaattipentahydraattia (CuSO4·5H2O) eli sinistä vihtrilliä. Poltossa syntyi vettä ja rikkitrioksidia, jotka reagoidessaan muodostivat öljymäistä ainetta eli rikkihappoa.
Rikkihapon löytäjästä ei ole yksimielisyyttä. Rikkihapon varhaisin löytäjä saattaa olla persialainen lääkäri Mohammad al-Razi, joka tunnetaan myös etanolin löytäjänä ja joka osasi hyödyntää sitä puhdistusaineena. Rikkihapon hän löysi kuivatislatessaan rikkiä sisältänyttä mineraalia. Yleisnerona tunnettu persialainen Geber nimetään myös monesti rikkihapon löytäjäksi. Hänen kerrotaan löytäneen suolahapon sekoittamalla rikkihappoa ja ruokasuolaa. Eurooppalaiset keksivät aineen vasta 1500-luvulla Jan Baptist van Helmontin suorittamien kokeiden myötä. On tosin väitetty Vincent Beauvais'laisen ja Albert Suuren tunteneen yhdisteen.
Rikkihappo liittyy keskeisesti vedyn löytöhistoriaan. Robert Boyle pani 1600-luvun puolivälin paikkeilla rautanauloja rikkihappoon ja havaitsi, että reaktiossa vapautuu runsaasti kaasumaista vetyä. Alkuaineeksi vedyn totesi Henry Cavendish tiputeltuaan rauta-, tina- ja sinkkipalasia suolahappoon ja rikkihappoon.
Rikkihapon tärkeys ymmärrettiin nopeasti, ja se oli yksi ensimmäisistä kemikaaleista, joita tuotettiin suuremmassa mittakaavassa. Tässä kunnostautui erityisesti lontoolaisapteekkari Joshua Ward, joka käytti saksalais-hollantilaisen Johann Glauberin tekniikkaa. Glauber valmisti rikkihappoa polttamalla rikkiä ja kaliumnitraattia vesihöyryä sisältävässä astiassa. Glauber keksi myös keinon, jolla rikkihapon avulla voidaan valmistaa typpihappoa. Tekniikkaa paranteli vuonna 1746 lääkäri John Roebuck suorittamalla reaktiot lyijykammiossa, jotka olivat kestävämpiä, suurempia ja edullisempia kuin aiemmat lasiastiat. Alan pioneereihin kuului myös Johann Christian Bernhardt. Yhdysvalloissa rikkihappo oli ensimmäisiä kemikaaleja, joita alettiin tuottaa kaupallisesti.
Lyijykammiomenetelmällä oli kuitenkin omat heikkoutensa. Louis-Joseph Gay-Lussac ja John Glover toivat prosessiin parannuksia, joiden ansiosta rikkihaposta saatiin 78-prosenttista, mutta se ei edelleenkään ollut tarpeeksi väkevää kaikkiin tarkoituksiin. Vasta 1800-luvun alussa Peregrine Phillips keksi kontaktimenetelmän, jolla saatiin aikaan väkevämpää happoa. Vaikka kontaktimenetelmä yleistyi hitaasti, se on erilaisine muunnelmineen nykyisen rikkihappotuotannon perusta.
Rikkihaposta on tullut niin olennainen osa teollistunutta yhteiskuntaa, että sen kulutusta pidetään teollistuneisuuden mittana. Voimakkaasti teollistuneessa valtiossa rikkihapon kulutus on suurempaa kuin vähemmän teollistuneessa.
[muokkaa] Ominaisuuksia
[muokkaa] Turvaohjeet
Rikkihappo on huoneenlämmössä voimakkaasti syövyttävää, kirkasta, hajutonta ja öljymäistä nestettä. Se reagoi voimakkaasti useimpien metallien kanssa synnyttäen helposti syttyvää vetykaasua. Huoneenlämmössä se haihtuu hitaasti, eikä siitä vapaudu ärsyttäviä höyryjä. Vaikka rikkihappo ei ole syttyvää, se voi saada aikaan tulipalon sytyttämällä ympärillä olevaa ainetta.
Kuuma rikkihappo on vaaraksi läsnäolijoiden silmille ja hengitysteille. Kuumasta rikkihaposta vapautuu rikkidioksidia ja syövyttäviä rikkihappohöyryjä. Lisäksi esimerkiksi lyijyakun lataaminen muodostaa hengitysteitä polttavaa rikkihapposumua. Rikkihapporoiskeet on huuhdeltava välittömästi silmistä ja iholta runsaalla vedellä. Väkevä happoliuos voi aiheuttaa vakavan silmävaurion ja syövyttää ihoa aiheuttaen tuskallisia haavoja. Kun ensiapu on annettu, rikkihapolle altistuneen tulee hakeutua lääkärin hoitoon.
Kun rikkihappoa liukenee veteen, vapautuu runsaasti lämpöenergiaa. Tämän vuoksi rikkihappo, kuten kaikki muutkin hapot, laimennetaan aina siten, että happoa kaadetaan veteen. Koskaan ei saa kaataa vettä rikkihappoon, sillä silloin vesi voisi alkaa kiehua hapon pinnalla ja aiheuttaa roiskumista. Tästä juontuukin sanonta: "Ensin vesi, sitten happo, muuten tulee käteen rakko." Rikkihapon aiheuttamaa tai happoliuoksen lähellä olevaa tulipaloa sammutettaessa on siis varottava veden joutumista happoon.
Jätteeksi jäänyt rikkihappo laimennetaan varovasti vedellä ja neutraloidaan kalkilla.
[muokkaa] Fysikaaliset ominaisuudet
Rikkihapon väri vaihtelee kellertävästä ja ruskeasta täysin kirkkaaseen riippuen sen puhtausasteesta. Normaalissa ilmanpaineessa ja huoneenlämmössä rikkihappo on nestemäistä ainetta, jonka suuri viskositeetti aiheuttaa sen öljymäisen luonteen. Rikkihapon viskositeetti on 27�500·10−6�Ns/m², kun vedellä se on 1040·10−6�Ns/m². Normaalissa ilmanpaineessa puhtaan rikkihapon sulamispiste on 10,36�°C ja tiheys 1,832�g/cm³. Puhdasta rikkihappoa ei kuitenkaan ole kaupallisesti saatavilla, vaan sitä myydään eri konsentraatioissa, joiden termodynaamiset ominaisuudet ovat selvästi erilaisia puhtaaseen aineeseen verrattuna. Väkevimmän eli 98-prosenttisen rikkihapon sulamispiste on vain 3�°C, kiehumispiste 338�°C ja tiheys hieman suurempi, 1,84�g/cm³. Puhdas rikkihappo hajoaa lämmitettäessä rikkitrioksidiksi ja vedeksi, kunnes se saavuttaa 98,3 prosentin väkevyyden. Tämän liuoksen kiehumispiste on noin 337–338�°C. Lämmitettäessä edelleen rikkihappo hajoaa kokonaan edellä mainituiksi lopputuotteiksi.
[muokkaa] Kemialliset ominaisuudet
Rikkihappo on kaksiarvoinen happo, koska sen molekyylissä on kaksi vetyatomia, jotka voivat irrota protolyysireaktiossa. Protolyysireaktio tapahtuu kahdessa osassa. Rikkihapolla on siksi kahdentyyppisiä suoloja. Rikkihapon suolat ovat nimeltään sulfaatteja tai vetysulfaatteja (SO42- on sulfaatti-ioni, HSO4-, vetysulfaatti-ioni). Konsentraatioltaan yksimolaarisessa vesiliuoksessa rikkihappo luovuttaa toisen protoneistaan eli protolysoituu käytännöllisesti katsottuna täydellisesti vetysulfaatti-ioneiksi seuraavan reaktioyhtälön mukaisesti:
Vetysulfaatti-ioni on huomattavasti heikompi happo kuin rikkihappo, eivätkä kaikki vetysulfaatti-ionit siis luovuta protonia:
Vain noin 1,3�% vetysulfaatti-ioneista on protolysoitunut sulfaatti-ioneiksi yksimolaarisessa rikkihappoliuoksessa.
Vetyionit (eli positiiviset yhden protonin vety-ytimet) eivät viihdy yksin vedessä vaan liittyvät heti vesimolekyyleihin. Tällöin muodostuu positiivisia oksoniumioneja, H3O+. Oksoniumionien suuri konsentraatio liuoksessa aiheuttaa happamuuden.
Epäjalot metallit, jotka sijaitsevat metallien sähkökemiallisessa jännitesarjassa ennen vetyä, reagoivat jo laimean rikkihapon kanssa. Tällöin hapon vetyatomit pelkistyvät, ja reaktiossa syntyvän metallisulfaatin lisäksi muodostuu myös vetykaasua. Epäjalot metallit, jotka muodostavat ionin hapetusluvulla +II, reagoivat rikkihapon kanssa seuraavasti (M merkitsee tässä mielivaltaista metallia):
Jalot metallit sijaitsevat jännitesarjassa ennen vetyä, joten vetyionit eivät kykene hapettamaan niitä, eivätkä ne liukene laimeaan rikkihappoliuokseen vetyä vapauttaen. Sen sijaan jaloista metalleista kupari, elohopea ja hopea liukenevat väkevään rikkihappoon, joka on erittäin vahva hapetin. Tällöin pelkistyy vetyatomien sijasta osa rikkihapon rikkiatomeista rikkidioksidiksi.
Erittäin jalot metallit kuten platina ja kulta eivät reagoi hapettuen edes väkevän rikkihapon kanssa. Vaikka lyijy on epäjalo metalli, laimea rikkihappo ei kykene juurikaan liuottamaan sitä. Tämä johtuu siitä, että lyijyn ja rikkihapon reaktiossa syntyvä lyijysulfaatti on erittäin niukkaliukoista ja muodostaa lyijymetallin päälle suojaavan kerroksen. Erittäin väkevä ja noin 260-asteinen kuuma rikkihappo sen sijaan liuottaa myös lyijymetallin täydellisesti.
Väkevä rikkihappo sitoo hyvin vettä. Tästä syystä rikkihappoa voidaan käyttää myös kuivausaineena esimerkiksi kaasujen valmistuksessa. Muun muassa valmistettaessa kloorikaasua alkalimenetelmällä on tuotteessa mukana usein vesihöyryä. Höyry poistetaan johtamalla kaasuseos väkevään rikkihappoon. Vastaavalla tavalla, johtamalla väkevään typpihappoon, voidaan kuivata useita muitakin kaasuja, kuten happea, typpeä ja hiilidioksidia.
Rikkihappo voi imeä itseensä veden myös kiinteistä orgaanisista yhdisteistä. Esimerkiksi hiilihydraatit koostuvat hiilestä, hapesta ja vedystä. Paperi koostuu pääasiassa selluloosasta, joka on hiilihydraatti. Kun paperin päälle kaadetaan väkevää rikkihappoa, paperi mustuu. Rikkihappo hajottaa paperin selluloosaa ja ryöstää siltä veden alkuaineet, vedyn ja hapen. Jäljelle jää hiili, joka antaa paperille mustan värin.
Piidioksidin ja silikaattien kanssa rikkihappo ei reagoi, minkä vuoksi sitä voidaankin säilyttää lasiastioissa.
[muokkaa] Valmistus
[muokkaa] Tuotanto ja hinta
Rikkihapon maailmanlaajuinen tuotanto kasvaa koko ajan. 2000-luvun alussa se oli 170 miljoonaa tonnia vuodessa. Suurimman tuottajamaan Yhdysvaltojen vuosittainen rikkihappotuotanto on pysynyt jo pidempään 40 miljoonassa tonnissa. Vaikka tuotantokapasiteetti kasvaa koko ajan, rikkihapon hinta kohosi vuonna 2007 ennätyslukemiin, melkein 90:een Yhdysvaltain dollariin per nettotonni. Seuraavana vuonna hinta melkein nelinkertaistui, mutta laski vuoden loppuun mennessä noin 200 dollariin per tonni. Uusien tuotantolaitosten kapasiteetti on mittava. Saudi-Arabiaan on suunniteltu rakennettavan maailman suurin tuotantolaitos, joka pystyy tuottamaan jopa 13�500 tonnia rikkihappoa päivässä eli täydellä kapasiteetillaan toimiessaan noin 49 miljoonaa tonnia vuodessa. Suomalaisen Outotecin toimittaman laitoksen arvellaan valmistuvan vuonna 2010.
Rikkihapon kulutus kasvoi 25�% vuosien 1990 ja 2008 välillä. Vuonna 2008 suurimpia rikkihapon kuluttajia olivat Aasian maat, jotka kuluttivat noin 28�% vuonna 2008 tuotetusta rikkihaposta. Yhdysvallat on toiseksi suurin rikkihapon käyttäjä 19�% osuudella ja Afrikan maat kuluttavat noin 10�% kaikesta tuotetusta haposta. Länsi-Euroopan ja Keski- sekä Etelä-Amerikan valtiot kuluttavat rikkihappoa suunnilleen saman verran, molemmat 6–8�% kaikesta rikkihappotuotannosta.
Rikkihapon kulutuksen kasvua on hyvin vaikea arvioida, ja se riippuu suuresti lannoitemarkkinoista. On arvioitu, että rikkihapon tuotanto tulee kasvamaan 1,4�% vuosittain vuosien 2008 ja 2015 välillä.
[muokkaa] Valmistusmenetelmät
Teollisuudessa rikkihappoa valmistetaan nykyisin hapettamalla rikkidioksidia rikkitrioksidiksi ja antamalla sen reagoida veden kanssa. Rikkidioksidia saadaan polttamalla rikkiä, pasuttamalla eli kuumentamalla ilmavirrassa sulfidimineraaleja kuten rikkikiisua eli rautasulfidia tai hapettamalla divetysulfidia.
Rikkidioksidi hapetetaan rikkitrioksidiksi. Apuna käytetään katalyyttiä, koska muuten hapettuminen olisi hyvin hidasta. Peregrine Phillips keksi ensimmäisenä katalyytin (platina) hyödyn vuonna 1830, mutta hänen kehittämänsä kontaktimenetelmä levisi hitaasti laajempaan käyttöön, ja heikkosaantoisempi John Roebuckin reaktiomekanismiltaan eroava lyijykammioprosessi säilyi käytetyimpänä prosessina pitkään. Nykyiset teollisuusprosessit ovat Phillipsin kontaktiprosessin erilaisia muunnelmia. Aikaisemmin rikkihapon valmistuksessa katalyyttinä käytettiin lyijykammiomeetelmässä typpidioksidia, mutta nykyisin kontaktimenetelmässässa käytetyin katalyytti on divanadiinipentoksidi. Kontaktiprosessissa rikkitrioksidikaasu johdetaan erittäin väkevään 98-prosenttiseen rikkihappoliuokseen.
[muokkaa] Lyijykammiomenetelmä
1800-luvun alkupuolelle asti rikkihappoa tuotettiin lasipulloihin. John Roebuckin kehittämän lyijykammiomenetelmän myötä rikkihapon teollinen tuotanto käynnistyi laajemmassa mittakaavassa. Prosessissa rikkidioksidi kerättiin suuriin kammioihin, joiden seinät oli vuorattu lyijylevyillä. Lyijy on yksi harvoista rikkihappoa kestävistä metalleista. Alkuperäisessä lyijykammioprosessissa kuumennettiin kaliumnitraattia rikin kanssa, jolloin vapautui rikin oksideja ja typpimonoksidia. Tämän jälkeen kammioon päästettiin vettä, joka reagoi rikkitrioksidin kanssa muodostaen rikkihappoa. Menetelmää parantelivat muun muassa Charles Bernard Desormes ja Nicolas Clément sekä Charles Tennant, joka keksi erillisen rikinpolttokammion. John Gloverin ja Joseph-Louis Gay-Lussacin tekniset paranukset mahdollistivat aiempaa selvästi väkevämmän hapon tuotannon. Vuonna 1818 Hill of Deptford käytti rikin lähteenä pyriittimalmeja. Tavasta tuli yleinen kaksikymmentä vuotta myöhemmin.
Rikkihapon valmistus lyijykammiomenetelmässä perustuu rikkidioksidin hapettumiseen katalyyttinä toimivan typpimonoksidin avulla. Kemialliset reaktiot lyijykammiomenetelmässä ovat kuitenkin monimutkaisia, eikä kaikista reaktiomekanismeista ole yksimielisyyttä. Yleisesti välituotteena katsotaan syntyvän nitrosyylirikkihappoa.
Lyijykammiomenetelmällä tuotettava rikkihappo on väkevyydeltään 62–77-prosenttista. Siinä on usein epäpuhtauksina typpihappoa, typpihapoketta, lyijysulfaattia, seleenihapoketta, arseenitrioksidia sekä pieniä määriä metalleja.
[muokkaa] Kontaktimenetelmä
Viinietikkakauppias Peregrine Phillipsin vuonna 1831 patentoimassa kontaktimenetelmässä rikkidioksidi hapetetaan rikkitrioksidiksi katalyytin avulla. Prosessin nimi tulee siitä, että rikkidioksidi ja happi saadaan ”kontaktiin” katalyytin avulla. Nykyisin useimmiten käytettävä katalyytti on divanadiinipentoksidi. Rikkidioksidi johdetaan reaktiokammioon, jonka lämpötila on 400–450�°C ja paine on yhdestä kahteen ilmakehän painetta. Näissä oloissa rikkidioksidin katalyyttinen hapettuminen on hyvin tehokasta, noin 99,5 prosenttia rikkidioksidista hapettuu.
Katalyytti on divanadiinipentoksidin ja kaliumsulfaatin tai -pyrosulfaatin seos piidioksidialustalla. Vanadiinikatalyytti pelkistyy divanadiinitetroksidiksi hapettaen rikkidioksidin rikkitrioksidiksi. Divanadiinitetroksidi reagoi reaktorissa olevan hapen kanssa palautuen divanadiinipentoksidiksi ja uudelleen käytettäväksi.
Muodostunut rikkitrioksidi johdetaan väkevään rikkihappoliuokseen, jolloin muodostuu niin sanottua savuavaa rikkihappoa eli pyrorikkihappoa, joka hydrolysoituu rikkihapoksi.
[muokkaa] WSA-menetelmä
WSA-menetelmä eli märkä rikkihappoprosessi (engl. wet sulfuric acid process) on kontaktimenetelmän johdos, joka kehiteltiin 1960-luvulla. WSA-prosessilla rikkihappoa voidaan valmistaa lähes mistä tahansa kaasumaisesta rikin yhdisteestä. Erityisen hyvin prosessiin soveltuu monissa teollisuusprosesseissa jätteenä syntyvä rikkivety. Rikkipitoinen kaasu poltetaan rikin oksideiksi. Kaasu johdetaan kammioon, jossa rikkidioksidi hapetetaan rikkitrioksidiksi divanadiinipentoksidikatalyytin avulla. Toisin kuin kontaktimenetelmässä WSA-menetelmässä on mukana vesihöyryä, joka reagoi rikkitrioksidin kanssa muodostaen kaasumaista rikkihappoa. Kaasut jäähdytetään ja siirretään kondensaatiotilaan, jossa rikkihappohöyryyn suihkutetaan vettä. Syntynyt rikkihappoliuos jäähdytetään ja kerätään.
[muokkaa] Käyttö
[muokkaa] Yleistä
Rikkihappo on eniten käytetty teollisuuskemikaali. Sitä käytetään sellu- ja paperiteollisuudessa, kaivos- ja metalliteollisuudessa sekä kemianteollisuudessa muun muassa fosfaattien, lannoitteiden, titaanidioksidin ja viskoosin valmistukseen. Öljyteollisuudessa rikkihappoa käytetään epäpuhtauksien poistamiseen. Sitä käytetään myös metallipintojen puhdistukseen, malmien käsittelyyn, kemiallisten reaktioiden katalyyttinä ja muiden epäorgaanisten happojen lähtöaineena. Rikkihappoa käytetään myös veden poistamiseen orgaanisista yhdisteistä. Lisäksi sitä voidaan käyttää elintarvikkeissa happamuuden säätöaineena. Sen E-koodi on E513. Suurin osa valmistetusta rikkihaposta käytetään fosfaattilannotteiden valmistamiseen. Elektroniikkateollisuudelle tärkeiden piikiekkojen puhdistukseen orgaanisista epäpuhtauksista käytetään niin kutsuttua SPM- eli piranha-liuosta, joka sisältää rikkihappoa.
Rikkihapon 25-prosenttista liuosta käytetään lyijyakkujen akkuhappona.
[muokkaa] Käyttö lannoitteiden valmistuksessa
Suurin osa lannoitteiden valmistuksessa käytettävästä rikkihaposta kuluu fosfaattien muuttamiseen sen avulla veteen paremmin liukenevaan muotoon. Perinteisessä kalsiumdivetyfosfaatin (Ca(H2PO4)2) eli superfosfaatin valmistuksessa käytetyssä märkäprosessissa kalsiumfosfaattipitoista kiveä käsitellään 93-prosenttisella rikkihappoliuoksella kahdeksan tunnin ajan. Tällöin reaktiotuotteina syntyy kalsiumdivetyfosfaattia ja sivutuotteena kalsiumsulfaattia (CaSO4).
Rikkihappoa käytetään myös toisen tärkeän lannoitteen, ammoniumsulfaatin (NH4)2SO4, valmistukseen. Ammoniumsulfaatin valmistuksessa ammoniakkikaasua (NH3) johdetaan reaktoriin, jossa on kylläistä ammoniakkisulfaattiliuosta ja hieman rikkihappoa. Reaktorin lämpötila on 60�°C. Reaktoriin johdetaan samanaikaisesti väkevää rikkihappoa ylläpitämään vapaan rikkihapon pitoisuus oikeana. Ammoniumsulfaatti kiteytyy kylläisestä liuoksesta reaktorin pohjalle ja voidaan erottaa. Kuivaa ammoniumsulfaattijauhetta voidaan myös valmistaa suihkuttamalla rikkihappoa ammoniakkia sisältävään kammioon.
Saksalainen kemisti Justus von Liebig loi tutkimuksillaan pohjan lannoitteiden teolliselle valmistukselle. Rikkihapon käyttöä lannoitteiden valmistuksessa tutki ensimmäisenä James Murray, joka liuotti luita rikkihappoon 1800-luvun alussa. Hänen poikansa John Fischer Murray haki vuonna 1842 patentin menetelmälleen valmistaa lannoitteita kalsiumfosfaatista ja rikkihaposta. John Bennet Lawes patentoi samana vuonna samankaltaisen menetelmän superfosfaattilannoitteiden eli kalsiumdivetyfosfaattilannoitteiden valmistukseen. Lawes oli Murrayta parempi keksintönsä markkinoinnissa ja hän osti vuonna 1846 oikeudet myös Murrayn patenttiin. Ensimmäisen tehtaansa Lawes perusti vuonna 1844.
[muokkaa] Käyttö akkuhappona
Rikkihappoa käytetään elektrolyyttiliuoksena muun muassa autoissa käytettävissä lyijyakuissa. Akun purkautuessa lyijyanodilla tapahtuu hapettuminen seuraavan puolireaktion mukaisesti:
Lyijydioksidista koostuvalla katodilla akun purkautuessa tapahtuu pelkistysreaktio, jonka puolireaktio on:
Akun purkautuessa tapahtuva kokonaisreaktio voidaan kirjoittaa muodossa:
Akun purkautuessa elektrolyyttinä oleva rikkihappo laimenee veden määrän lisääntyessä. Tämä huomataan elektrolyyttinesteen tiheyden pienentymisenä, ja tiheyttä voidaan käyttää määritettäessä akun purkautumistilaa. Reaktio on sähkövirran avulla palautettavissa alkuperäiseen tilaansa. Tällöin katodilla syntyy lyijydioksidia ja anodilla lyijymetallia.
[muokkaa] Käyttö orgaanisen kemian synteeseissä
Vahva rikkihappo tai vaihtoehtoisesti fosforihappo kykenee eliminoimaan alkoholeista hydroksyyliryhmän eli poistamaan alkoholien tunnusryhmän ja muodostamaan alkeenejä ja vettä. Rikkihappo luovuttaa alkoholimolekyylille protonin, jolloin alkoholi muuttuu karbokationiksi ja hydroksyyliryhmä irtoaa muodostaen vettä. Veden poistuessa hiiliatomien välille muodostuu kaksoissidos. Helpoiten dehydraatio tapahtuu tertiäärisille alkoholeille (noin 100�°C lämpötilassa) ja vaikeammin sekundäärisille ja primäärisille alkoholeille (primääriset alkoholit vaativat noin 200�°C dehydratoituakseen). Esimerkissä etanolin dehydraatio, jonka lopputuote on eteeni:
Esterisynteesissä rikkihapolla on kaksi tehtävää. Se toimii happamana katalyyttinä ja veden poistajana. Rikkihappo luovuttaa protonin karboksyylihapolle, jolloin muodostuu positiivinen ioni, joka reagoi helposti nukleofiilisen alkoholimolekyylin kanssa. Syntyvä välituote luovuttaa protonin, ja rakenteesta lohkeaa vesimolekyyli, jolloin syntyy esteri. Esterisynteesi on tasapainoreaktio. Väkevä rikkihappo kykenee sitomaan itseensä vettä, jolloin esterisynteesin tasapaino siirtyy oikealle eli reaktiotuotteiden puolelle ja esterin saanto paranee. Esimerkkinä etanolin ja etaanihapon reaktio, jossa syntyy etyyliasetaattia:
Rikkihappo toimii katalyyttinä niin ikään eetterisynteesissä, jossa se luovuttaa protonin alkoholimolekyylille, josta muodostuu karboniumioni. Karboniumioni reagoi toisen alkoholimolekyylin kanssa muodostaen eetterin. Eetterisynteesissä sivutuotteena voi syntyä rikkihapon hiilivetyjohdannaisia.
[muokkaa] Rikkihappo ympäristössä
[muokkaa] Maapallolla
Rikkihappoa syntyy ilmakehässä palokaasujen reaktioissa ja vulkaanisissa purkauksissa. Maapallon suurin rikkihappojärvi on 212 metriä syvä ja sijaitsee tulivuori Kawah Ijenin kraaterissa Indonesiassa. Pienempiä vulkaanisia rikkihappojärviä on muun muassa tulivuorilla Kusatsu-Shirane Japanissa ja Poás Costa Ricassa.
Rikkihappo on typpihapon ohella yksi tärkeimmistä happosateiden ja happamoitumisen aiheuttajista. Polttoaineiden epäpuhtauksista joutuu ilmakehään rikkiä, joka hapettuu rikkidioksidiksi. Kuivassa ilmassa suurin osa rikkidioksidista varisee kuivalaskeumana maahan, pieni osa hapettuu rikkihapoksi. Jos ilmassa on vesipisaroita: pilviä, sumua tai sadepisaroita, rikkidioksidi voi hapettua nestefaasissa. Reaktiot ilmakehässä kestävät yleensä muutamia päiviä, jonka aikana ilmakehän rikki on ehtinyt kulkeutua jopa sadankin kilometrin päähän. Sen vuoksi rikkipäästöjen vaikutukset, kuten joidenkin eliöryhmien lähes täydellinen puuttuminen, eivät välttämättä näy rikkiä vapauttavan kohteen ympäristössä. Happosateet nopeuttavat myös rakennusten ynnä muiden rakennelmien rapautumista, koska esimerkiksi muurilaasti ja rappaus sisältävät happojen kanssa herkästi reagoivaa kalsiumkarbonaattia.
Happosateet olivat 1980-luvulle asti suuri ongelma Euroopan teollistuneilla alueilla kuten Englannissa ja Ruhrin alueella Saksassa, missä poltettiin paljon rikkipitoista hiiltä. Näillä alueilla rikkipäästöt saatiin kuriin, ja Euroopan rikkidioksidipäästöt pienenivät puoleen vuosina 1980–1995. Samoin Yhdysvalloissa päästöt ovat vähentyneet rajusti, muun muassa rikkipäästöjä säätelevän Clean Air Act -lain ansiosta. Ongelma on edelleen ajankohtainen Kiinassa, Koreassa, Venäjällä ja Itä-Euroopassa. Liikenteen rikkipäästöt ovat vähentyneet, kun on siirrytty käyttämään vähärikkisempiä polttoaineita. Suomen rikkilaskeuma on pienentynyt, mutta happamoituminen näkyy edelleen herkimmillä alueilla.
Ilmakehän rikkihappomolekyyleillä on huomattava vaikutus pienhiukkasten syntymiseen. Ilmakehän rikkihappomolekyylikonsentraatio vaikuttaa merkittävästi hiukkasten nukleaatioon. Prosessin mekanismi ei ole vielä tarkoin selvillä, mutta rikkihapon vaikutus on tutkimuksien mukaan suurempi kuin esimerkiksi ammoniakin tai eräiden orgaanisten yhdisteiden. Rikkihappopitoisuuden ja hiukkasten muodostumisnopeuden välinen riippuvuus on pitkään ollut epäselvä. Helsingin yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkijoiden johtama ryhmä julkaisi vuonna 2010 tutkimuksen, jossa ensimmäisen kerran pystyttiin selvittämään rikkihapon määrän ja pienhiukkasten muodostumisnopeuksien välisiä riippuvuuksia.
[muokkaa] Venuksessa
Maan ulkopuolella rikkihappoa on havaittu Venuksessa ja mahdollisesti Jupiterin Europa-kuussa. Venuksen rikkihappo syntyy hiilidioksidin, veden ja rikkidioksidin valokemiallisessa reaktiossa. Venuksen kaasukehästä suurin osa on hiilidioksidia. Ensimmäisessä vaiheessa Venuksen kaasukehään tunkeutuva aallonpituudeltaan alle 169�nanometrin ultraviolettisäteily hajottaa hiilidioksidin hiilimonoksidiksi ja voimakkaasti reagoivaksi atomaariseksi hapeksi. Happi reagoi rikkidioksidin kanssa, jota löytyy runsaasti Venuksen kaasukehän pilvistä, muodostaen rikkitrioksidia, joka veden kanssa muodostaa lopulta rikkihappoa. Kokonaisreaktio voidaan siis ilmoittaa seuraavasti:
Rikkihappo muodostaa paksuja pilviä noin 45–70 kilometrin korkeuteen Venuksen pinnasta. Pilvet ovat niin paksuja, ettei valo pysty läpäisemään niitä, ja siksi Venuksen pintaa ei voida havainnoida tavallisilla optisilla kaukoputkilla. Rikkihappo varautuu helposti, minkä vuoksi Venuksen kaasukehässä salamoi usein. Rikkihapon sataessa pisarat eivät saavuta Venuksen pintaa. Aluksi pisaroiden vesi haihtuu, ja pisaran saavutettua kaasukehän alemman osan on lämpötila niin korkea, että rikkihappo hajoaa rikkitrioksidiksi ja vedeksi, joista rikkitrioksidi hajoaa nopeasti hapeksi ja rikkidioksidiksi. Happi reagoi kaasukehän hiilimonoksidin kanssa muodostaen hiilidioksidia.

Summary:
Rikkihappo (H2SO4, vihtrilliöljy) on vahva, veteen täysin liukeneva epäorgaaninen happo. Se on puhtaana kirkas, huoneenlämmössä hieman jähmeäjuoksuinen neste, jonka tiheys on 1,83-kertainen veden tiheyteen verrattuna. Rikkihappo on voimakkaasti syövyttävää.
Rikkihappo on yksi ensimmäisistä teollisesti valmistetuista kemikaaleista. Sitä on valmistettu teollisesti jo 1700-luvulta lähtien. Nykyään rikkihappo on yksi maailman tärkeimmistä ja eniten käytetyistä kemiallisista yhdisteistä. Vuonna 2005 rikkihappoa kulutettiin maailmanlaajuisesti 190 miljoonaa tonnia. Noin puolet rikkihaposta käytetään lannoitteiden valmistamiseen ja loppu hyödynnetään väriaineiden, lääkkeiden ja räjähteiden valmistuksessa sekä öljynjalostuksessa ja metallurgisissa prosesseissa. Rikkihappoa käytetään myös lyijyakkujen elektrolyyttinä. Koska rikkihapolla on suuri rooli teollisuudessa, sen maakohtaista kulutusta on pidetty yhtenä talouden mittarina. Rikkihapon kulutus on vaihdellut runsaasti, mutta globaalisti sen kulutus lisääntyy koko ajan.


[muokkaa] Ydinvoiman muodot
Ydinvoimaa hyödynnetään pääasiassa ydinvoimalaitoksissa sähköntuotantoon ja ydinkäyttöisillä aluksilla voimanlähteenä. Ydinvoimaa käytetään jossain määrin myös muun muassa avaruudessa, majakoissa, vedenpuhdistuksessa ja tutkimuksessa. Suurin osa ydinvoimasta on sähkön tuotantoa ydinreaktorilla. Reaktorissa hallittu fissioketjureaktio tuottaa lämpöä, joka jäähdytyskierrolla johdetaan turbiineihin ja muunnetaan siten mekaaniseksi energiaksi ja jälleen generaattorilla sähköenergiaksi. Tämä on ydinvoimalaitosten ja ydinkäyttöisten laivojen ydinreaktorien toimintatapa. Harvinaisempaa radioaktiivisen hajoamisen tuottaman energian hyödyntämistä käytetään muun muassa avaruusluotaimissa. Hallitulla fuusioreaktiolla ei toistaiseksi ole tuotettu energiaa, mutta ydinfuusio saattaa tulevaisuudessa muodostua tärkeäksi energianlähteeksi.
[muokkaa] Fissio
Ylivoimaisesti merkittävin ydinvoiman muoto on hallitun fissioreaktion hyödyntäminen. Fissiossa atomiydin halkeaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiytimeksi, ja atomi hajoaa yhtä moneksi kevyemmän alkuaineen atomiksi. Lisäksi reaktiossa ytimestä sinkoutuu neutroneita, ja osa sen massasta muuttuu energiaksi.
Eräissä alkuaineissa voi suotuisissa olosuhteissa syntyä ketjureaktio, jossa fissiossa vapautuvat neutronit törmäävät muihin atomeihin ja aiheuttavat uusia fissioita. Jos kussakin fissiossa vapautuneet neutronit aiheuttavat keskimäärin ainakin yhden uuden fission, ketjureaktio pysyy käynnissä, muutoin se väistämättä pysähtyy. Ydinreaktorin säätö perustuu yleensä vapaiden neutronien absorbointiin säätösauvoilla tai muilla keinoilla.
Energiatuotannon ydinpolttoaineiksi kelpaavilta aineilta vaaditaan muutamia tekijöitä. Ensinnäkin vain harvat aineet pystyvät ylläpitämään ketjureaktiota eli ovat fissiilejä. Toisaalta taas energiaa saadaan vapautettua ainoastaan raskaista ytimistä, jotka hajoavat keskiraskaiksi ytimiksi. Tämä johtuu siitä, että keskiraskaiden alkuaineiden ytimien sidososuus (ytimen sidosenergia ytimen hiukkasten lukumäärää kohti) on suurempi kuin raskaiden tai keveiden aineiden sidososuus. Sidososuuden kasvaessa vapautuu ytimien rakenneosasten väliltä potentiaalienergiaa. Keveiden aineiden kohdalla potentiaalienergiaa saadaan vapautettua fuusiolla.
Ydinpolttoaineessa käytetään yleensä uraanin fissiiliä isotooppia U-235 tai plutoniumin fissiiliä isotooppia Pu-239 tai molempia. Plutonium tuotetaan keinotekoisesti ydinreaktorilla, mutta uraania esiintyy luonnossa. Luonnon uraaniesiintymissä tiedetään jopa syntyneen luonnonydinreaktoreita, joissa ketjureaktio on käynnistynyt itsestään ja pysynyt käynnissä kunnes polttoaine on loppunut.
[muokkaa] Fuusio
Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa kaksi kevyen alkuaineen atomiydintä yhdistyy muodostaen uuden raskaamman alkuaineen. Samalla vapautuu hyvin suuria määriä energiaa. Yleensä fuusiossa yhdistyy kaksi vetyatomia, jolloin muodostuu heliumatomi. Fuusioreaktion vaatima suunnattoman korkea lämpötila ja siihen liittyvät ongelmat ovat tähän asti osoittautuneet suureksi tekniseksi esteeksi hallitun fuusioreaktion energiakäytössä. Toistaiseksi fuusion voimalaitoskäyttö vaikuttaisi olevan vähintään vuosikymmenien päässä. Luonnossa Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin fuusioydinreaktiosta. Auringon energia on maapallon pääasiallinen energianlähde, sillä kaikki ihmisen käytössä oleva energia ydinvoimaa ja geotermistä energiaa lukuun ottamatta ovat tavalla tai toisella lähtöisin Auringosta.
[muokkaa] Radioaktiivisuus energianlähteenä
Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuu energiaa, jota voidaan hyödyntää suhteellisen vähän energiaa kuluttavissa käyttötarkoituksissa. Radioaktiivisuudelle perustuva isotooppiparisto (RTG) on ennustettavissa oleva, vakaa ja pitkäikäinen voimanlähde syrjäisiin tai muuten eristettyihin järjestelmiin. Tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat majakat, avaruusluotaimet ja satelliitit, aiemmin myös sydämentahdistimet. Hyvin pienet määrät radioaktiivista ainetta riittävät myös antamaan energiaa itsevalaiseviin pintoihin joissain pimeässä näkyvissä kylteissä sekä mittaristojen, kompassien tai kellojen viisareissa yms.. Luonnossa radioaktiivinen hajoaminen on maan sisäisen lämmön lähde ja siten muun muassa tulivuorten ja kuumien lähteiden voimanlähde. Tätä kautta radioaktiivista hajoamista käytetään energiantuotannossa maalämpövoiman avulla esimerkiksi Islannissa ja Japanissa.
[muokkaa] Ydinvoiman historia
Ensimmäiset vihjeet atomin sisällä tapahtuvista reaktioista saatiin vuonna 1896, kun Antoine Henri Becquerel havaitsi radioaktiivisuuden. Ytimen olemassaolosta saatiin viitteitä vuonna 1919, kun Ernest Rutherford altisti typpikaasun alfahiukkassäteilylle: osa hiukkasista törmäsi ja jäi typpiatomiin transmutatoiden eli muuttaen ne hapeksi. Reaktiossa atomi emittoi protonin, jonka myöhemmät tutkimukset osoittivat ydinhiukkaseksi. Toisen ydinhiukkasen, neutronin, löysi Sir James Chadwick vuonna 1932. Pian italialainen Enrico Fermi kollegoineen havaitsi, että uraaniin törmätessään hitaat neutronit synnyttävät kohteessa ainakin neljää erilaista ainetta. Vähän myöhemmin saksalaiset Otto Hahn ja Fritz Strassmann osoittivat yhteistyössä Lise Meitnerin kanssa, että reaktiossa uraaniatomit halkeavat. Keinotekoinen fissio oli keksitty.
Vuonna 1939 Fermi pakeni Italian fasisteja Yhdysvaltoihin; Niels Bohr puolestaan pakeni natsimiehitystä Tanskasta. He aloittivat yhteistyön Columbian yliopistossa ja kehittivät energianlähteeksi käyvän ketjureaktion käsitteen. Energiakäytöstä tutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeasti ydinaseen kehittämiseen. Vuonna 1940 alkoi Yhdysvaltain hallituksen Manhattan-projekti, jonka tavoitteena oli ydinaseen kehittäminen.
Vuonna 1942 Enrico Fermin johdolla rakennettiin ensimmäinen kokeellinen ydinreaktori Chicagon yliopistoon. Tämä oli ensimmäinen kerta maailmanhistoriassa, kun ihminen toteutti hallitun fissioiden ketjureaktion. Vuotta myöhemmin Oak Ridgessä kokeiltiin plutoniumin tuotantoon tarkoitettua reaktoria, ja jo vuoteen 1945 mennessä Hanfordissa oli käynnissä kolme täysimittaista reaktoria.
Toisen maailmansodan päätyttyä atomiytimen energian hyödyntäminen oli kaksijakoista: toisaalta ydinaseiden tuhovoima ja määrä kasvoivat nopeasti, mutta toisaalta myös ydinvoiman, säteilyn ja radioaktiivisuuden rauhanomainen hyödyntäminen lisääntyi monissa käyttökohteissa kuten lääketieteessä, tutkimuksessa, energiantuotannossa, merenkulussa, maanviljelyssä ja avaruustutkimuksessa. Ensimmäinen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori saavutti kriittisyyden 27. kesäkuuta 1954 kello 17:30 Neuvostoliitossa, Obninskissa lähellä Moskovaa. Vuonna 1956 Calder Hallissa, Englannissa aloitti toimintansa ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos. Vuonna 1957 aloitti toimintansa ensimmäinen ydinvoimalaitos Yhdysvalloissa Shippingportissa. 1950-luvun jälkeen ydinvoimaloiden määrä on kasvanut huomattavasti. Vuoteen 1964 mennessä maailmassa oli 14 reaktoria kytkettynä sähköverkkoon, vuonna 1970 81 reaktoria, vuonna 1975 jo 167, vuonna 1985 365 ja vuonna 1999 428. Ydinvoiman osuus maailman energiantuotannossa jatkaa nopeaa kasvuaan, pelkästään Kiinaan suunnitellaan sataa uutta ydinreaktoria, Yhdysvaltoihin noin kolmeakymmentä.
[muokkaa] Ydinvoiman käyttö
Ydinvoimaa käytetään hyvin vaihtelevissa käyttötarkoituksissa voimalaitoksista sukellusveneisiin ja satelliiteista majakoihin. Ydinpolttoaineen suuri energiasisältö mahdollistaa toisaalta suurten energiamäärien tuottamisen pienillä materiaalivirroilla ja toisaalta sallii pitkäkestoisen energiantuotannon ilman tarvetta lisätä polttoainetta. Maailman primäärienergiasta noin 91�% tuotetaan polttamalla erilaisia polttoaineita; ydinvoima on 6,3�% osuudellaan maailman merkittävin päästötön primäärienergianlähde. Energiasisällöltään ydinvoiman käyttö vastaa yli seitsemän miljardin öljytonnin polttamista vuosittain. Nykyisen merkityksensä ydinvoima on saavuttanut suhteellisen nopeasti, sillä vielä 70-luvun alussa sen osuus oli alle prosentin. Kolmanneksi merkittävin energianlähde on vesivoima 2,2�% osuudella primäärienergiasta. Muut uusiutuvat energianlähteet tuottavat noin 0,5�% primäärienergiasta.
[muokkaa] Ydinvoima maailmalla
Kolme maata, Yhdysvallat, Ranska ja Japani, tuottivat yli puolet (56,7�%) maailman ydinsähköstä vuonna 2007.
Ydinvoimaa pidetään useissa maissa jatkuvaan, mittakaavaltaan suureen sähkönkulutukseen sopivana energiamuotona. Esimerkiksi maailman ydinvoimajohtajamaa Ranska tuottaa 78�prosenttia kaikesta sähköstään ydinvoimalla. Sähkömarkkinoilla voimalaitosten ajojärjestyksestä tavallisesti muotoutuu sellainen, että kulutuksen laskiessa ensimmäisinä tuotantoa vähennetään kalliiden muuttuvien kustannusten voimalaitoksissa, kuten maakaasuvoimaloissa. Suhteellisen edullista sähköä tuottavia ydinvoimaloita käytetään yleensä miltei tauotta perusvoimantarpeen kattamiseen. Ydinvoimalaitoksen tuotantoa voidaan toki tarvittaessa myös säätää ja niin yleisesti tehdään paljon ydinsähköä tuottavissa maissa.
31. joulukuuta 2005 maailmassa oli yhteensä 443 sähkövoiman tuotantoon käytettävää ydinreaktoria kaikkiaan 31 eri maassa. Näillä tuotettiin sähköä yhteensä 368�125�MW teholla. Kaikesta maailman sähköstä noin 16�prosenttia tuotetaan ydinvoimalla. EU-maissa noin 31�prosenttia sähköstä tuotetaan ydinvoimalla. Vuonna 2009 IAEA:n ydinvoimatietokannan mukaan maailmassa oli rakenteilla 53 uutta ydinvoimalaitosta 15 eri maahan: Argentiinaan, Bulgariaan, Etelä-Koreaan, Intiaan, Iraniin, Japaniin, Kiinaan, Pakistaniin, Ranskaan, Slovakiaan, Suomeen, Taiwaniin, Ukrainaan, Venäjälle ja Yhdysvaltoihin. Näistä maista kolmessatoista on demokraattisesti valittu poliittinen johto. Kiinassa on yksipuoluejärjestelmä ja Iranissa vaalituloksesta kiistellään.
Suurimmat ydinvoiman tuottajamaat ovat Yhdysvallat, Ranska ja Japani. Näissä kolmessa maassa sijaitsee noin puolet ydinreaktoreista ja yhdessä ne tuottavat selvästi yli puolet maailman ydinenergiasta. Ennen hajoamistaan myös Neuvostoliitto kuului suurten ydinenergiamaiden joukkoon. Kymmenessä suurimmassa tuottajamaassa on neljä viidesosaa maailman ydinreaktoreista ja ne tuottavat yli 85�prosenttia maailman ydinenergiasta. Muita merkittäviä ydinenergiamaita ovat Espanja, Kiina, Belgia ja Taiwan. Suomi on 19. suurin tuottaja 2�676�MW teholla neljässä reaktorissa.
Pohjoismaissa ydinvoimaa on vain Suomessa ja Ruotsissa, yhteensä 11 636 MW vuonna 2006. Vuosina 2001-2006 pohjoismainen ydinvoima väheni 440 MW perustuen Barsebäckin 600 MW:n II reaktorin sulkemiseen Ruotsissa vuonna 2005. Kokonaisuutena Ruotsin ydinenergiantuotanto on kuitenkin kasvanut muissa voimalaitoksissa tehtyjen tehonkorotusten vuoksi . Ruotsin hallitus päätti 1980 luopua ydinvoimasta sen jälkeen kun maassa oli järjestetty kansanäänestys, jossa kaikki vaihtoehdot sisälsivät ydinvoimasta luopumisen. Vuonna 2009 Ruotsin hallitus päätti kumota päätöksen ydinvoimasta luopumisesta ja sallia uusien ydinreaktoreiden rakentamisen.
Reaktorityypeistä kevytvesireaktori on selvästi yleisin voimalaitoskäytössä. Niitä on yhteensä 355, joista 263 painevesireaktoreita ja 92 kiehutusvesireaktoreita. Seuraavaksi yleisin on CANDU-reaktori, joita on 38. Loput 46 ovat harvinaisempia reaktorityyppejä.
[muokkaa] Ydinvoima Suomessa
Ydinvoimaa piti rakentaa aikoinaan Suomeen nykyistä enemmän, muun muassa Helsinki osti Vuosaaren vierestä Sipooseen kuuluvan Granön saaren uutta ydinvoimalaitosta varten. Voimaloita ei lopulta rakennettu läheskään suunniteltua määrää.
Suomessa on neljä kaupallista ydinreaktoria. Vuonna 2005 ne tuottivat 26,3�prosenttia Suomessa käytetystä sähköstä (Energiateollisuus, Energiavuosi 2005). Suomessa ydinvoiman käyttöaste on tyypillisesti ollut yli 90�prosenttia. Lisäksi Espoon Otaniemessä on pieni Triga-tutkimusreaktori, jonka tuottamaa säteilyä käytetään tutkimuksen lisäksi aivokasvainten hoidossa käytettävään boorineutronikaappaushoitoon.
Sähköntuotannossa olevista ydinreaktoreista kaksi sijaitsee Satakunnassa Eurajoen Olkiluodon saarella, lähellä Raumaa. Niiden omistaja on Teollisuuden Voima TVO. Toiset kaksi reaktoria ovat Fortumin omistuksessa ja ne sijaitsevat Itä-Uudellamaalla Loviisassa Hästholmenin saarella.
Eurajoen kiehutusvesireaktorit (BWR) valmisti ruotsalainen Asea-Atom, nykyinen monikansallinen ABB. Loviisan painevesireaktorit (PWR) ovat neuvostoliittolaisen Atomenergoexportin tuotosta. Loviisan 1. yksikkö aloitti sähköntuotannon helmikuussa 1977 ja 2. yksikkö marraskuussa 1980. Olkiluodon reaktorit otettiin tuotantokäyttöön vuosina 1979 ja 1982.
Eduskunta antoi vuonna 2002 TVO:lle luvan rakentaa viidennen ydinvoimalaitosyksikön Olkiluotoon. Yksikkö on tarkoitus ottaa tuotantokäyttöön vuonna 2012. Uusi laitos on tekniikaltaan ns. kolmannen sukupolven kevytvesireaktori ja malliltaan eurooppalainen painevesireaktori eli EPR. Voimala tulee olemaan sähköteholtaan (1600 MW) maailman suurin yksikkö. Laitoksen höyryturbiini on maailman suurin höyryturbiini. Uuden voimalan toimittaa saksalais-ranskalainen Framatome-Siemens-konsortio. Rakennusprojektin aikana on raportoitu huomattava määrä laatu- ja toimintopoikkeamia, joiden johdosta hankkeen toteutusaikataulu tulee viivästymään. Merkittävimmät ongelmat on kirjattu Säteilyturvakeskuksen vuosiraportteihin.
Valtioneuvoston on määrä päättää vuoden 2009 loppuun mennessä seuraavan ydinvoimaluvan saaja. Eduskunnalta päätöstä odotetaan kevätkaudella 2010.
Periaatepäätöksen uuden ydinvoimalan rakentamisesta on jättänyt kolme yritystä, vanhat Fortum ja TVO, sekä uusi tulokas Fennovoima. Fennovoima perustettiin vuonna 2007, jotta sen 64 osakasta saisivat omaa ydinvoimantuotantoa ja tätä myötä edullisempaa sähköä.
[muokkaa] Ydinvoimalaitos
Ydinvoimalaitoksen pääosat ovat:
Ydinvoimalaitoksessa ydinreaktori tuottaa lämpöä, joka kuumentaa pääkiertopiirin vettä. Laitostyypistä riippuen joko pääkiertopiirin vesi höyrystyy, pyörittää turbiinia ja lauhdutetaan, tai sitten pääkiertopiirin vesi johdetaan erillisiin höyrystimiin, joissa toisiopiirin vesi höyrystetään turbiiniin ja lauhduttimeen. Turbiiniin on kytketty generaattori, jolla tuotetaan sähköä. Lauhduttimessa suljetun vesikierron vesi lauhdutetaan höyrystä jälleen vedeksi. Lauhdutinta jäähdytetään joko vesistöstä saatavalla vedellä tai jäähdytystornien avulla.
Ydinreaktori sisältää kaiken ydinvoimalaitoksen ydintekniikan ja radioaktiivisten aineiden selkeän pääosan. Reaktori on eristetty ympäristöstä ilmatiiviiseen suojarakennukseen. Muilta osin ydinvoimalaitos on kuten muutkin lämpövoimalaitokset.
[muokkaa] Ydinreaktori
Ydinvoimalaitoksissa reaktorin tehtävänä on tuottaa lämpöä ydinpolttoaineesta. Tämä tapahtuu ylläpitämällä ja säätämällä reaktorissa tapahtuvaa ketjureaktiota, jossa polttoaineen (tavallisesti uraanin) atomien fissio tuottaa lämpöä.
Reaktoriin ladataan ydinpolttoainetta yleensä 3–5 vuoden ajaksi huoltoseisokkien yhteydessä, paitsi eräissä harvinaisissa reaktorityypeissä (muun muassa CANDU ja RBMK), jotka sallivat polttoaineen vaihdon reaktorin ajon aikana. Reaktorin käydessä polttoaineessa tapahtuu fissioketjureaktio, joka pitää itseään yllä. Reaktorin säätö tapahtuu pääasiassa ketjureaktiota ylläpitävää neutronivuota hallitsemalla.
Ydinvoimareaktoreita on useita erilaisia pääasiallisten erojen ollessa jäähdytteen ja hidastinaineen valinnassa. Hidastinaineen tehtävä on jarruttaa fissioreaktioissa syntyviä neutroneita: vain tarpeeksi hitaina neutronit aiheuttavat tarpeeksi uusia fissioita, jotta ketjureaktio pysyisi käynnissä, nopeiden neutronien karatessa herkästi reaktorista. Hidastinaineena voidaan käyttää grafiittia tai raskasta vettä, mutta yleisin on tavallinen vesi, josta käytetään myös nimitystä kevyt vesi, jotta ero raskaaseen veteen olisi selvä. Jäähdytteen tehtävä on siirtää reaktorin tuottama lämpö voimalaitosprosessiin, ja se on tavallisesti vettä.
Kevytvesireaktorit, jossa tavallinen vesi on sekä jäähdytteenä että hidastinaineena, ovat suunnittelultaan yksinkertaisia, ydinteknisiltä ominaisuuksiltaan luonnostaan vakaita ja helppoja säätää. Näistä ominaisuuksista johtuen maailman voimalaitosreaktorit ovat pääosin kevytvesireaktoreita, joko painevesi- tai kiehutusvesityyppiä. Varsinkin uudet voimalaitokset käyttävät lähes yksinomaan kevytvesireaktoreita. Maailmalla on käytössä myös eräitä harvinaisempia reaktorityyppejä, muun muassa Venäjällä ja Kanadassa; niistä kerrotaan tarkemmin artikkelissa ydinreaktori.
[muokkaa] Reaktorin säätö
Kevytvesireaktorin käynnissä pysyminen vaatii seuraavien kolmen edellytyksen täyttymistä:
Tätä voi verrata tulisijaan, jossa tarvitaan polttoainetta, kuumuutta ja happea tulen ylläpitämiseksi. Jos yksikin menetetään, reaktio ei kykene jatkumaan.
Kevytvesireaktori on suunniteltu siten, että sen toimiessa kolme ehtoa täyttyvät juuri ja juuri. Reaktorin säätöä varten reaktorisydämestä voidaan poistaa tai sinne voidaan käytön aikana lisätä neutroneja absorboivia säätösauvoja. Reaktori voidaan sammuttaa milloin tahansa työntämällä tarpeeksi säätösauvoja reaktoriin. Sammuttaminen kestää noin sekunnin. Kevytvesireaktorin luonteeseen kuuluu, että se on itsestään, fysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta, vakaa. Tehon ja siten lämpötilan nousu reaktiossa johtaa hidastinaineen lämpölaajenemisen takia hidastumisen vähenemiseen, mikä itsestään vähentää fissioiden määrää.
Reaktorin säätölaitteiston tehtävänä on, turvallisuusmerkityksensä lisäksi, muuttaa reaktorin lämpötehoa sopivaksi aikoina, jolloin sähkön kulutus ei edellytä voimalaitoksen käyttöä täydellä teholla. Esimerkiksi on mahdollista, että ydinvoimalaitoksen energiantuotantoa vähennetään yön ajaksi oheisen kuvan havainnollistamalla tavalla. Tehon muutos ei ole välitön, vaan voimalaitosprosessi sopeutetaan vähittäisellä muutoksella uuteen tehontarpeeseen. Nykyaikaisessa ydinvoimalaitoksessa tehon säätö tapahtuu nopeammin kuin tyypillisissä fossiilisia polttoaineita käyttävissä laitoksissa, mutta vesivoimalaitokset voivat säädettävyydessään saavuttaa ydinvoimalaitokset. Ydinvoimalaitoksen polttoaineenkulutus luonnollisesti vähenee suhteessa alennettuun tehoon. Suomessa sähkön kysyntä on viime vuosikymmenet ollut niin suurta, ettei ydinvoimalaitosten sähköntuotantoa tavallisesti säädetä, vaikka se teknisesti onkin mahdollista.
Ydinvoimalle on muista energiantuotantotavoista poiketen mahdollista automaattinen kuormanseuranta. Kun sähkönkulutus verkossa kasvaa, lisää se voimalaitoksella generaattorin kuormaa. Tällöin höyry luovuttaa enemmän energiaa turbiinissa ja se palaa enemmän jäähtyneenä prosessiin. Kevytvesireaktorissa tämä johtaa lämpötilan laskuun ja lämpölaajenemisen vastakkaisilmiöön eli tiheyden kasvuun hidastinaineessa. Tiheämpi hidastinaine hidastaa enemmän neutroneita ja lisää fissioiden määrää: reaktorin teho nousee itsestään suuremman kuorman seurauksena. Tästä syystä ydinvoimalaitokset pyrkivät luonnostaan tasaamaan tuotannon ja kulutuksen muutoksia sähköverkossa.
[muokkaa] Ydinpolttoainekierto
Ydinvoimalaitokset käyttävät tavallisesti polttoaineenaan uraanioksidia, jossa on 3–5 prosenttia fissiiliä uraani-235:ttä tai plutonium-239:ää, mikäli kyseessä on kierrätetty polttoaine. Ydinpolttoaineen energiatiheys on erittäin suuri, koska ydinvoimaloiden energiantuotanto perustuu fissioreaktioon eikä hapettamiseen, kuten polttolaitoksissa. Tätä voidaan havainnollistaa esimerkiksi tavanomaisen auton koko eliniän energiankulutuksella, joka vastaa noin sokeripalan kokoista määrää ydinpolttoainetta. Maailman reaktoreiden nykyisin vuodessa kuluttama ydinpolttoaine – noin 70�000 tonnia – mahtuisi kuutioon, jonka särmät ovat 15 metriä pitkät. Laskennallisesti siis koko maailman nykyinen sähkönkulutus voitaisiin kattaa 400�000 uraanitonnilla vuodessa, mikä mahtuisi kuutioon, jonka särmät ovat 30 metriä pitkät.
Ydinpolttoaineen valmistus alkaa uraanikaivokselta. Tyypillinen 1000 MW:n vanhahko ydinvoimalaitos kuluttaa vuodessa polttoainetta noin kolmen kuutiometrin verran, mitä varten polttoaineen valmistusta varten kaivetaan noin 50�000 tonnia uraanimalmia. Vastaavan kokoisen hiilivoimalan kuluttaman hiilen tuottamiseen tarvitaan monikymmenkertaisesti kaivostoimintaa . Koska luonnonuraanista vain 0,7�prosenttia on uraanin fissiiliä isotooppia U-235, täytyy luonnonuraani rikastaa kevytvesireaktoreissa tarvittavaan suurempaaan pitoisuuteen erillisissä rikastuslaitoksissa. Rikastuslaitokset sijaitsevat useimmiten ydinasevaltioissa, koska laitoksella voidaan tuottaa myös ydinaseisiin soveltuvaa polttoainetta
Polttoaineen valmistuksessa uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi, tavallisesti sylinterinmuotoisiksi, napeiksi, jotka ovat tilavuudeltaan yleensä alle kuutiosenttimetrin kokoisia. Napit ovat kovia, kiinteitä ja materiaali vaikeasti liukenevaa. Kukin nappi riittää noin 10�000 kilowattitunnin sähkön tuottamiseen. Uraaninapit pinotaan sauvamaiseksi rakenteeksi ohutseinämäisien zirkoniumputkien sisälle. Putket hitsataan päistään umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Nämä niput laitetaan reaktoriin, jossa vesi kulkee sauvojen välissä ja lämpenee ydinreaktioiden tapahtuessa nippujen sisällä.
Käytettäessä ydinpolttoaineen olomuoto ei muutu, vaan käytetty polttoaine pysyy kokonaisuudessaan voimalaitoksessa polttoainevaihtojen välillä. Käyttämätön, kapseloitu ydinpolttoaine ei säteile merkittävästi, eikä sen lyhytaikainen käsittely vaadi erityisiä suojatoimia. Vasta kun käytetty ydinpolttoaine poistetaan reaktorista, se säteilee voimakkaasti ympäristöönsä ja aiheuttaa vaaran lähellä oleskeleville, jos säteilysuojelusta ei huolehdita. Käytetty polttoaine on erityisen vaarallista, jauhemaisessa muodossa jolloin se voi levitä helposti ympäristöön. Käytetyn polttoaineen säilytys ja käsittely tapahtuu vesialtaassa, joka vaimentaa säteilyn miltei täysin. Polttoainenippuja on säilytettävä vesialtaissa useita vuosia, ennen kuin ne voidaan siirtää muualle jatkokäsittelyyn. Käytetty ydinpolttoaine on mahdollista kierrättää 95-prosenttisesti jälleenkäsittelyn avulla, jolloin vain noin 5�prosenttia polttoaineesta jää jätteeksi. Suomalaisten ydinvoimaloiden polttoaineen jälleenkäsittelyä ei kuitenkaan tehdä, koska se on kallista ja energiaintensiivistä toimintaa. Jos jälleenkäsittelyä ei tehdä, käytetty ydinpolttoaine on ydinjätettä.
Käytetyn ja käyttämättömän ydinpolttoaineen kuljetuksia on käsitelty artikkelissa ydinpolttoainekierto.
[muokkaa] Ydinpolttoaineen riittävyys
Uraani on uusiutumaton luonnonvara, jota kuitenkin on maankuoressa suhteessa sen kulutukseen niin huomattava määrä, ettei sen ehtyminen ennakoitavissa olevalla aikajänteellä ole realistinen vaihtoehto. Uraania on maapallolla kaikkiaan noin 63 biljoonaa tonnia, ja maankuoressa sen pitoisuus on noin 4 miljoonasosaa. Tämän lisäksi käytössä ovat olemassa olevat uraanivarastot, ydinpolttoaineen jälleenkäsittely sekä ydinaseriisunnasta saatava polttoaine. Noin 40�% maailman ydinsähköstä tuotetaan tällä hetkellä näistä kaivostoimintaa kaipaamattomista polttoaineenlähteistä.
OECD:n ydinenergiajärjestön NEA:n ja YK:n alaisen IAEA:n yhteisen raportin mukaan alle 130 dollarin kilohinnalla taloudellisesti käytettävissä olevat tunnetut malmivarannot ovat runsaat 4,7 miljoonaa tonnia, mikä riittäisi nykyisten reaktorien tarpeisiin seuraavaksi 85 vuodeksi. Tunnettujen varantojen lisäksi maankuoressa on kuitenkin toistaiseksi löytämättömiä uraanivaroja. Nykyisin kaivostoiminta edellyttää vähintään 1000 ppm pitoisuutta uraania malmissa, jotta sen hyödyntäminen olisi kannattavaa. Näissä esiintymissä on Yhdysvaltojen energiaministeriössä tehdyn geologisen kartoituksen perusteella noin 90 miljoonaa tonnia uraania. NEA:n ja IAEA:n uraanivarantojen inventoinnista vastaavat tutkijat ovat arvioineet, että nykykaivostoiminnalle hyödynnettävät tavanomaiset varannot uraania riittävät ainakin vuosisadoiksi, kun huomioidaan tunnettujen varantojen lisäksi toistaiseksi löytämättömät esiintymät, joita geologian nojalla maankuoressa arvioidaan olevan.
Käytettävissä olevan uraanin määrä riippuu voimakkaasti uraanin hinnasta, koska mitä korkeampi hinta on, sitä köyhempiä esiintymiä voidaan hyödyntää panostamalla enemmän kaivostoimintaan. Uraanin hinnan kaksinkertaistuminen kasvattaa uraanivarat kymmenkertaisiksi, hinnan kymmenkertaistuminen jo noin 300-kertaisiksi. Jos viime vuosina nähdystä uraanin hinnan yli kymmenkertaistumisesta edes osa on pysyvää, on seurauksena taloudellisesti kiinnostavien uraanivarojen erittäin huomattava kasvu aivan uuteen suuruusluokkaan. Raakauraanin osuus ydinsähkön hintarakenteessa on vain joitakin prosentteja, joten uraanin huomattavakaan kallistuminen ei nostaisi sähkön hintaa kovinkaan merkittävästi.
Uraanin riittävyyteen vaikuttaa merkittävästi myös käytetty tekniikka. Ydinvoimaloiden polttoainetaloudellisuus kehittyy koko ajan, mikä kasvattaa uraanivarantojen energiasisältöä. Toisaalta kierrättämällä ydinpolttoaine jälleenkäsittelyn kautta yli 90�% polttoaineesta on mahdollista palauttaa ydinpolttoainekiertoon. Merkittävimmin polttoainevaroja kasvattaisi kuitenkin hyötöreaktorien laajempi käyttäminen, sillä ne kykenevät käydessään tuottamaan enemmän polttoainetta kuin kuluttavat. Lisäksi hyötöreaktorit voivat käyttää polttoaineena uraania huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi hyötöreaktoritekniikka on tuotantokäytössä kuitenkin vain Venäjällä, vaikka kokeita on tehty muun muassa Yhdysvalloissa, Ranskassa, Japanissa ja Britanniassa. Kaikkein eniten ydinpolttoaineen riittävyyttä lisäisi fuusioreaktorien käyttöönotto, sillä ne voivat käyttää polttoaineenaan tavallisesta vedestä saatavaa vetyä.
[muokkaa] Ydinjätehuolto
Ydinvoiman käytössä ydinpolttoaine muuttuu ydinjätteeksi, koska ydinreaktioiden aikana polttoaineeseen syntyy raskaampia alkuaineita, joista osa haittaa reaktorin toimintaa. Jätteen suuresti kohonnut radioaktiivisuus johtuu näiden polttoainesauvoihin kertyneiden radioaktiivisten raskaiden alkuaineiden läsnäolosta. Käytetyn ydinpolttoaineen ja muun korkea-aktiivisen jätteen lisäksi ydinvoimalassa syntyy matala- ja keskiaktiivisia ydinjätteitä esimerkiksi huoltojen ja voimalan normaaliin käyttöön liittyvän toiminnan aikana. Ydinturvallisuuden kannalta merkittävin vaikutus on käytetyllä ydinpolttoaineella.
Ydinvoiman käytössä määrällisesti selvästi eniten syntyy matala- ja keskiaktiivisia ydinjätteitä, joihin kuuluvat muun muassa heikosti radioaktiiviset aineet tai aktiivisten aineiden tahrimat työvaatteet, suojavarusteet, työvälineet, laitteet, osat sekä suodattimet ja suodatusjätteet. Näiden ydinjätteiden aktiivisuus laskee nopeasti. Usein näiden jätteiden radioaktiivisuuden puoliintumisaika on niin lyhyt, että jätteet yksinkertaisesti varastoidaan odottamaan radioaktiivisuuden häipymistä omia aikojaan. Kun aktiivisuus on laskenut tarpeeksi, jätteet kierrätetään tai toimitetaan tavalliseen jätehuoltoon. Ne jätteet, joiden kohdalla odottaminen kestäisi liian pitkään - noin vuosisadan tai enemmän - säilytetään vartioiduissa varastoissa tai loppusijoitetaan paikkaan, jossa vartiointi ei ole tarpeen, yleensä suljettuun kallioluolaan. Matala- ja keskiaktiivisen ydinjätteen loppusijoitusta toteutetaan aktiivisesti ympäri maailman.
Ydinvoimateollisuuteen verrattuna suurempia määriä matala-aktiivisia jätteitä syntyy muualla yhteiskunnassa: EU:n alueella maatalous, rakentaminen, öljyn- ja kaasuntuotanto, hiilen ja turpeen poltto, jätevesien puhdistus ja muu ihmisen toiminta synnyttävät vuosittain kymmeniä miljoonia tonneja luonnon radioaktiivisuutta sisältäviä jätteitä, jotka saattavat ylittää radioaktiivisuudeltaan matala-aktiivisten ydinjätteiden vapaarajan.
Suomessa matala- ja keskiaktiiviset jätteet varastoidaan laitospaikalle yhteen keskitettyyn varastoon ja samoin välivarastoidaan käytetty ydinpolttoaine. Myös vanhojen ydinvoimaloiden purkamisen yhteydessä syntyy radioaktiivista matala- ja keskiaktiivista jätettä.
Määrällisesti selvästi vähemmän syntyy korkea-aktiivista jätettä, joka on pääasiassa käytettyä ydinpolttoainetta. Kuten matala- ja keskiaktiivisellakin ydinjätteellä, laskee käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus nopeasti: ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen aktiivisuus on laskenut 99�prosenttia. Tällöin pääosa fissiotuotteista on hajonnut. Koska korkea-aktiivinen ydinjäte sisältää myös puoliintumisajaltaan pitkäkestoisia alkuaineita, kestää kauan, ennen kuin säteily on vaimentunut niin paljon, että käytetyn polttoaineen lähellä on turvallista oleskella. Kuparisen loppusijoituskapselin vieressä voi olla muutaman vuosikymmenen kuluttua. Itse polttoaineen läheisyydessä voi oleskella lyhyitä aikoja vajaan tuhannen vuoden kuluttua. Joidenkin kymmenien tuhansien vuosien kuluttua käytetty polttoaine voi aiheuttaa varaa lähinnä nieltynä tai hengitettynä, sillä se on luonnossa esiintyvän uraanin tavoin myrkyllistä ja heikosti radioaktiivista. Loppusijoituksen suunnittelussa tavoitellaan huomattavasti pidempiä eristysaikajänteitä.
Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuoltoon on esitetty lukuisia erilaisia ratkaisuja. Noin 95 prosenttia käytetystä polttoaineesta voidaan kierrättää jälleenkäsittelyllä, jota tehdään muun muassa Ranskassa ja Japanissa. Muista jätehuollon vaihtoehdoista geologinen loppusijoitus on merkittävin ja kustannuksiltaan edullisin. Yhdistyneiden kansakuntien alaisen Kansainvälisen atomienergiajärjestön, OECD:n ydinenergiajärjestö NEA:n, ja Euroopan yhteisöjen yhteinen kanta on, että
Vuodesta 1978 NEA on koonnut yhteen jäsenmaitaan edustavista asiantuntijoista ydinjätehuoltokomitean (Radioactive Waste Management Committee, RWMC) kehittämään ydinjätehuollon suuntaviivoja. RWMC:n mukaan alan asiantuntijoiden parissa vallitsee laaja yhteisymmärrys siitä, että loppusijoituksen suunnittelulla voidaan saavuttaa riittävä turvallisuustaso pitkälle tulevaisuuteen ja että ydinsähköstä hyötyneiden sukupolvien velvollisuus on toteuttaa ydinjätehuolto kestävällä tavalla. Asiantuntijoiden luottamus geologisen loppusijoitukseen on jäsenmaissa vahvistettu lukuisissa kansallisissa turvallisuusselvityksissä ja ympäristölupaprosesseissa. RWMC myös tunnistaa yhtä suopean suhtautumisen olevan harvinaisempaa vähemmän asiaa tuntevien parissa.
Myös YK:n Agenda 21 -ohjelmajulistuksessa kannustetaan jäsenmaita keskittymään geologisen loppusijoituksen tutkimiseen sen ympäristö- ja turvallisuusetujen vuoksi. Toistaiseksi käytetyn polttoaineen loppusijoitusta ei ole toteutettu missään, mutta loppusijoitushankkeita on käynnissä useissa maissa, muun muassa Ranskassa, Yhdysvalloissa, Saksassa, Ruotsissa ja Suomessa.
Greenpeace vastustaa ydinjätteen geologista loppusijoitusta vedoten ydinjätevarastojen mahdolliseen vuotoriskiin pohjaveden kautta ja vaatii jätteen säilömistä maanpäällisiin varastoihin ydinvoimaloiden yhteyteen, kunnes turvallisempi loppusijoitusratkaisu on löydetty. Lisäksi ydinjätteen loppusijoitus on aiheuttanut kiistaa muun muassa Yhdysvaltain suunnitteleman Nevadan Yucca Mountainin loppusijoituslaitoksen yhteydessä. Mielipidemittausten mukaan suurin osa osavaltion asukkaista vastustaa hanketta. Yhdysvaltain energiaministeriön vuonna 2006 julkaiseman raportin mukaan laitoksen suunnittelun yhteydessä on myös ilmennyt epäselvyyksiä. Tämän vuoksi energiaministeriö on antanut laitoksen turvallisuuteen liittyvän tieteellisen tutkimuksen ulkopuolisen tutkimuslaitoksen arvioitavaksi. Laitos on tulee joka tapauksessa myöhästymään merkittävästi aiotusta aikataulusta.
[muokkaa] Ympäristövaikutukset ja turvallisuus
Ydinvoiman normaalikäytön ympäristövaikutukset ovat elinkaaritarkastelussa vähäiset verrattuna muihin huomattaviin energianlähteisiin, koska ydinvoimalaitos ei suunnitellusti toimiessaan synnytä ympäristölle haitallisia päästöjä tai kasvihuonekaasuja . YK:n ilmastonmuutospaneeli IPCC toteaa vuoden 2007 raportissaan, että fossiilisten polttoaineiden osuuden pieneneminen maailman energiantuotannossa reilun 30 vuoden takaisesta 86 prosentista 81 prosenttiin vuonna 2004 "johtuu pääasiassa ydinvoiman käytön lisäämisestä" IPCC:n mukaan ydinvoimateknologia voi energiatehokkuuden, uusiutuvien energiamuotojen, hiilidioksidin talteenoton ja monen muun teknologian ohella olla merkittävässä roolissa ilmastonmuutoksen hillinnässä. IPCC:n arvioiden mukaan ydinvoiman osuus maailman sähköntuotannosta voisi nousta vuoden 2005 16 prosentista 18 prosenttiin vuonna 2030. Kansainvälinen energiajärjestö IEA:n arvion mukaan ydinvoimalla voisi vuoteen 2030 vähentää yli kolme prosenttia maailman energiantuotannon päästöjä verrattuna perusuraan. Merkittävinä haasteina ydinvoiman lisärakennukselle ovat kuitenkin muun muassa turvallisuuskysymykset, ydinjätteen käsittely ja kustannukset.
Merkittävimmät ydinvoimalaitoksen välittömät haittavaikutukset ovat kaikille lämpövoimalaitoksille yhteisiä, eivätkä ne koske erityisesti ydinvoimalaitoksia. Näistä ydinvoiman tapauksessa huomattavin on lauhduttimen jäähdytykseen käytetyn meriveden lämpeneminen. Mereen palatessaan se lämmittää vesistöjä ja saattaa aiheuttaa paikallisia ekosysteemimuutoksia suosien paikallisesti lämpimän alueen lajeja kylmän alueen lajien kustannuksella. Muita vaikutuksia ovat muun muassa paikallinen melu ja liikenne laitosalueelle.
Ydinvoima aiheuttaa muiden energiantuotantotapojen tapaan myös välillisiä haittavaikutuksia. Esimerkiksi uraanikaivokset saattavat aiheuttaa paikallisia ympäristöongelmia ja työtapaturmia sekä työperäisiä sairauksia. Kokonaisuutena tarkasteltuna kuitenkin koko ydinpolttoainekierto aiheuttaa vähemmän ympäristövaikutuksia ja henkilövahinkoja suhteessa tuotettuun energiaan kuin fossiilisten polttoaineiden käyttö ja monet uusiutuvat energianlähteet. Osittain tämä johtuu energiantuotannossa tarvittavan uraanin hyvin pienistä määristä, jolloin kaivostoimintakin on verrattain pienimuotoista. Suhteessa tuotettuun energiaan hiilikaivosten aiheuttamat haitat ovat moninkertaisia verrattuna uraanikaivoksiin.
[muokkaa] Säteilyturvallisuus
Ydinvoiman käyttöön liittyy ionisoiva säteily ja radioaktiivisuus, joiden huomioon ottamisen tarve tekee ydinvoiman käytöstä erilaista muihin energianlähteisiin verrattuna. Ydinvoimalaitoksen prosessissa esiintyy ionisoivan säteilyn eri lajeja ja radioaktiivisia aineita, joille altistuminen suurina määrinä on terveydelle vaarallisia. Ydinvoimalaitoksen eräät työntekijät voivat työssään altistua ionisoivalle säteilylle ja heidän kohdallaan on huolehdittava säteilysuojelusta.
Ydinvoimalaitokset erottelevat toiminnassaan syntyvät radioaktiiviset aineet, jotka joko laitetaan odottamaan luonnollisen hajoamisen kautta tapahtuvaa muuttumista stabiileiksi aineiksi tai loppusijoitetaan. Tarkemmin aihetta käsitellään artikkelissa ydinjätehuolto. Joitain kaasumaisia tai nestemäisiä radioaktiivisia aineita on hyvin vaikeaa eristää, joten niiden tarkkaan valvottu päästäminen tarpeeksi laimennettuna ympäristöön sallitaan. Esimerkiksi Olkiluodon ydinvoimalan kohdalla aktiiviset päästöt veteen olivat vuonna 2006 0,6 gigabequerelliä. Saman laitoksen tritiumpäästöt veteen olivat vuonna 2006 2,46 terabequerelliä.
Ydinvoimalaitosten toiminta Suomessa aiheuttaa eniten altistuvalle väestöön kuuluvalle yksilölle alle 0,05 mikrosievertin vuosiannoksen, mikä on alle 0,05�% viranomaisten määrittelemästä 100 mikrosievertin rajasta ja noin 0,0001�%:n lisäys säteilyannokseen, jonka keskivertosuomalainen saa luonnollisista säteilylähteistä vuosittain. Muu osa väestöä saa vielä pienemmän annoksen. Näin vähäpätöiset säteilyannokset paitsi alittavat taustasäteilyssä esiintyvän luonnollisen vaihtelun, niin täysin katoavat siihen. On selvää, että mitään terveysvaikutuksia ei näin pienillä muutoksilla säteilyssä ole koskaan havaittu.
[muokkaa] Ydinturvallisuus
Ydinvoiman käytölle on ominaista, että siihen liittyvä ionisoiva säteily ja radioaktiivisuus voivat aiheuttaa vaaraa, jos ydinturvallisuudesta ei ole huolehdittu. Radioaktiivisuutta ja ionisoivaa säteilyä hyödynnetään laajalti myös ydintekniikan ulkopuolella (muun muassa radiologisessa lääketieteessä), jolloin täytyy myös huolehtia toiminnan säteilyturvallisuudesta.
Ydinturvallisuuden takaamiseksi ydinvoimalaitoksissa pyritään noudattamaan ydinturvallisuusperiaatteita, joista merkittävimmät ovat
Länsimaisissa ydinvoimalaitoksissa mainittuja turvallisuusperiaatteita on noudatettu ja niiden toimivuus on varmennettu käytännössä: yksittäiset puutteet ydinvoimalaitoksen turvallisuudessa eivät ole kertaakaan johtaneet ympäristölle aiheutuvaan vaaratilanteeseen, koska muut ydinturvallisuustoimet ovat toimineet suunnitellusti. Muualla kuin länsimaissa ydinturvallisuusperiaatteiden noudattaminen ei välttämättä ole yhtä hyvällä tasolla.
[muokkaa] Ydinonnettomuudet
Ylläkuvattuja periaatteita ydinturvallisuudessa noudattamalla on ydinonnettomuudet länsimaissa saatu suhteellisen harvinaisiksi ja niiden vaikutukset rajattua kauttaaltaan voimalaitoksen sisälle: yhdessäkään tapauksessa onnettomuudella ei tunneta ympäristö- tai terveysvaikutuksia laitoksen ulkopuolella. Heikomman ydinturvallisuuden maissa historia tuntee muunkinlaisia kokemuksia. Pahimmillaan onnettomuudelle alttiilla reaktorilla varustettua voimalaitosta, joka on suunniteltu noudattamatta ydinturvallisuuden perusperiaatteita, operoi turvallisuuden osalta puutteellisesti koulutettu ja huonosti motivoitunut henkilökunta välittämättä turvallisuusmääräyksistä ja ilman riippumatonta valvontaa. Tällainen oli tilanne Tšernobylissä, jossa tapahtui erittäin vakava onnettomuus.
Länsimaisten voimaloiden, joissa ylläkuvattuja ydinturvallisuusperiaatteita on noudatettu, onnettomuustodennäköisyyttä on hankala arvioida. Tavallisesti onnettomuustodennäköisyys lasketaan yksinkertaisesti jakamalla tapahtuneet onnettomuudet toiminnan kestolla. Länsimaisten ydinvoimaloiden kohdalla näin ei kuitenkaan voida menetellä siksi, että vaikka niille on kertynyt yhteensä yli 10�000 reaktorinkäyttövuotta, ei tuona aikana ole kertaakaan tapahtunut ympäristölle vaarallista onnettomuutta. Nykyisen kokemuksen perusteella siis tiedetään, että sellaisen onnettomuuden mahdollisuus on hyvin vähäinen.
Vakavan reaktorionnettomuuden todennäköisyyttä hyvän ydinturvallisuuden voimalaitoksessa on arvioitu laskennallisesti. Tällöin määritetään ensin vakavan onnettomuuden edellytykset ja sitten arvioidaan todennäköisyys näiden edellytysten yhtäaikaiselle ilmenemiselle. Historiallisesti laskennallinen todennäköisyys reaktorisydämen vaurioitumiselle on ollut reaktorityypistä riippuen noin yksi tapaus 1�000�-�100�000 vuodessa. Nykyaikaisessa ydinvoimalassa todennäköisyys on tyypillisesti selvästi vähäisempi kuin yksi tapaus 100�000 vuodessa. Eurooppalaiset viranomaiset edellyttävät uudelta reaktorilta suunnitteluperusteena laskennallisesti alle yhtä tapausta miljoonassa vuodessa. Näinkin harvinaisiin onnettomuuksiin on varauduttu ja ydinvoimalaitokset suunnitellaan siten, että onnettomuuden vaikutukset rajataan ensisijaisesti reaktorin ja toissijaisesti laitoksen sisälle. Tarkempi kuvaus ydintekniikkaan liittyvän riskin arvioinnista on artikkelissa ydinturvallisuus.
Ydinvoimalaitosten historia ei Tšernobylin onnettomuuden lisäksi tunne muita ympäristölle ja ihmisille yhtä suurta vaaraa aiheuttaneita onnettomuuksia. Korkean ydinturvallisuuden voimalaitoksissa vaikutukset ovat aina rajoittuneet laitoksen sisälle. Koska Tšernobyl on tästä ainoa poikkeus, voidaan sanoa, että tyypillisen ydinonnettomuuden vaikutukset ovat laitoksen sisäisiä. Länsimaisista onnettomuuksista vakavin oli Three Mile Islandin onnettomuus. Onnettomuuden katsotaan olleen tähän asti merkittävin nykyaikaisen ydinturvallisuuden toimivuuden koettelu. Three Mile Islandilla turvallisuusjärjestelyjen toiminta esti vaaran aiheutumisen ympäristölle.
[muokkaa] Ydinvoima, ydinaseet ja ydinaseriisunta
Luonnonuraanista alle prosentti on fissiiliä eli ketjureaktiota ylläpitävää isotooppia U-235. Ydinvoimaloissa käytetään yleensä rikastettua uraania, jossa U-235-pitoisuus on noin kolme prosenttia. Ydinaseissa sen sijaan käytetään yli 95 prosentin rikastusastetta. Tästä syystä ydinaseen tekeminen ei onnistu käyttämällä ydinvoimaloiden polttoainetta sellaisenaan. Tavanomaisen ydinvoimalaitoksen kevytvesireaktori kuluttaa käydessään fissiilejä aineita, joten polttoaineen rikastusaste edelleen laskee reaktorissa ollessaan. Uraanista on kuitenkin mahdollista valmistaa ydinaseita.
Vaikka tavanomaisesta kevytvesireaktorilla toimivasta ydinvoimalaitoksesta ei aseenhankinnassa olekaan juuri apua, montaa muunlaista ydintekniikkaa, kuten rikastusteknologiaa, voi käyttää sekä rauhanomaisesti että sotilaallisesti. Ydinpolttoainetta voidaan edelleen rikastaa ydinaseisiin kelpaavaksi, minkä takia ydinaineista pidetään kirjaa ja niiden määrä varmennetaan tarkastuksin ja valvonnalla. Suomessa ydinainevalvonnasta huolehtii säteilyturvakeskus ja kansainvälisesti IAEA. Valvonnan laajentamista fissiilien aineiden lisäksi sotilastekniikaksi kelpaavaan ydintekniikkaan on ehdotettu, sillä esimerkiksi Intia ja Pakistan ovat hankkineet paljon asetuotantoon käytettyä ydinteknologiaa länsimaista ilmoittaen aikeekseen sen rauhanomaisen käytön.
Ydinasehankkeen naamiointi rauhanomaiseksi on yleensä kömpelöä tarvittavan tekniikan erilaisuuden ja IAEA:n tarkastusten takia. Peittelyllä ei ole koskaan onnistuttu salaamaan ydinasehanketta ydinaseen valmistumiseen asti. Peittely ei ole välttämättä tarpeenkaan, sillä jos maa ei kuulu ydinsulkusopimuksen piiriin, saa se laillisesti hankkia ydinaseen. Israelilla on ydinaseita, vaikka maalla ei ole ydintekniikan rauhanomaista voimalaitoskäyttöä. Samoin on väitetysti Pohjois-Korean laita. Alkuvuodesta 2006 on kohuttu Iranin ydinhankkeesta: maata on uhattu asian viemisellä YK:n turvallisuusneuvostoon ja pakotteilla ja jopa USA:n tai Israelin sotilaallisia toimia on väläytelty. Iran on uhannut puolestaan muun muassa ydinsulkusopimuksesta irtisanoutumisella.
Ydinvoiman rauhanomainen käyttö ilman sotilaallisia pyrkimyksiä on kuitenkin yleisempää: yhteensä 27 ydinaseetonta maata käyttää ydinvoimaa yksinomaan rauhanomaisesti. Ydinaseen tavoittelua ehkäisevät toisaalta tässä kuvatut tekniset esteet, toisaalta kansainväliset sitoumukset. Ilman edistyksellistä teknologista kykyä rikastaa fissiilien aineiden osuutta noin 90 prosenttiin luonnonuraanissa tai ydinpolttoaineessa ei ole teknisesti mahdollista valmistaa ydinasetta. Lisäksi miltei kaikki maailman maat ovat ydinsulkusopimuksella sitoutuneet olemaan valmistamatta ydinasetta, eikä tätä sitoumusta ole tähän mennessä rikottu. Ydinsulkusopimukseen kuulumattomia maita on tällä hetkellä koko maailmassa neljä. Ydinaseen hankkineet maat ovat – riippumatta siitä käyttävätkö ne ydinvoimaa vai eivät – poikkeuksetta joko hankkineet aseen ennen ydinsulkusopimuksen olemassaoloa tai olleet harvoja sopimuksen ulkopuolisia maita ja siten myös YK:n ydinainevalvonnan ulkopuolella.
Ydinvoimaloita käytetään myös ydinaseriisuntaan. Ydinaseen plutoniumia hävitetään laimentamalla ne ydinpolttoaineeksi kelpaavaksi ja sen jälkeen käyttämällä niitä ydinvoimalaitoksissa sähkön tuottamiseen. Ydinaseista saatavan MOX-polttoaineen käyttäminen voimalaitoksissa on kohdannut vastustusta eri järjestöiltä, jotka pitävät prosessia tehottomana ja katsovat siihen liittyvän muun muassa suuria ydinaseiden leviämiseen ja ydinturvallisuuteen liittyviä riskejä.
[muokkaa] Ydinvoiman valvonta
Ydinvoiman kaupallinen käyttö on alusta asti perustunut tiukalle viranomaisvalvonnalle, jonka synty ajoittuu 50-luvun Yhdysvaltoihin. Amerikkalaisen Atomic Energy Commissionin säädöstön pohjalta on hyvin pitkälti laadittu nykyaikainen ydinvoiman rauhanomaista käyttöä koskevat säännöt ympäri maailman. Ydinvoiman käytön periaatteiden pääasiallisina ohjenuorina ovat, että käytön hyötyjen on oltava haittoja suuremmat ja sen on aina oltava turvallista. Esimerkiksi Suomessa ydinenergialaissa ( ) määrätään seuraavaa:
Muunlainen ydinenergian käyttö on Suomessa laitonta. Ydinenergialain ja muiden ydinenergiaa koskevien lakien ja määräysten noudattamista valvotaan sekä kansallisesti että kansainvälisesti. Päävastuu valvonnasta on aina paikallisella viranomaisella. Esimerkkinä tyypillisestä kaupallisen ydinvoiman valvontajärjestelmästä tässä annetaan suomalainen valvonta.
Työ- ja elinkeinoministeriö eli TEM vastaa ydinenergian ylimmästä valvonnasta sekä ydinenergian käytön johdosta Suomessa. Ministeriö valmistelee alan lainsäädännön ja huolehtii sen täytäntöönpanosta. TEM osallistuu Suomen edustajana ydinalan kansainvälisten sopimusten valmisteluun. TEM valvoo Suomen ydinjätehuoltoa ja hallinnoi ydinsähkön hintaan lisätyistä maksuista kerättyä Valtion ydinjäterahastoa. TEM edustaa Suomea Euratomissa, IAEA:ssa ja OECD:n atomienergiajärjestössä (NEA) sekä pohjoismaisessa ydinturvallisuuden tutkimusohjelmassa (NKS).
Säteilyturvakeskus eli STUK on ydinvoimalaitosten suunnittelua ja käyttöä valvova laitosoperaattoreista ja poliittisista päättäjistä riippumaton viranomainen. Muissa maissa on vastaavat ydinturvallisuuden valvontaviranomaiset.
Euroopan atomienergiayhteisö eli Euratom on Euroopan unionin ydinvoima-alan yhteisö, jolla on viranomaisvaltuudet. Se valvoo ydinvoiman käyttöä Euroopan unionin alueella.
Kansainvälinen atomienergiajärjestö eli IAEA on Yhdistyneiden kansakuntien ydinenergiajärjestö, joka valvoo ydintekniikan ja ydinaineiden käyttöä kansainvälisesti. Sillä on valvontaoikeus kaikissa ydinsulkusopimuksen allekirjoittajamaissa. Ydinsulkusopimuksen piiriin kuuluvat Pakistania, Intiaa ja Israelia lukuun ottamatta kaikki maailman itsenäiset valtiot.
[muokkaa] Ydinvoiman taloudellisuus
Ydinvoiman tuotantoon liittyy monia eri maksuja. Ydinsähkön hinta sisältää muun muassa ydinjätehuollon kustannukset, ydinlaitosten viranomaisvalvonnan kustannukset, ydinvoimalaitoksen purkukustannukset mukaan lukien jätehuollon sekä ydinvastuuvakuutuksen. Ydinvastuuvakuutus on lailla määrätty otettavaksi ydinonnettomuuden ulkopuolisille aiheuttamien vahinkojen korvaamiseksi.
Historiallisesti toteutuneet ydinonnettomuudet maailmalla yleisimmissä kevytvesireaktoreissa ovat osoittautuneet taloudellisilta vahingoiltaan kohtuullisiksi suhteessa laitoksen käyttäjän korvauskykyyn. Myös mahdollisia onnettomuusvahinkoja Suomessa arvioineet tutkimukset ovat osoittaneet, että useimmat onnettomuustyypit pystyttäisiin korvaamaan olemassa olevilla ydinvastuuvakuutuksilla. Silti on esitetty, että ydinvastuuvakuutuksen korvauskatto, noin 200 miljoonaa euroa, ei riittäisi aivan kaikissa kuviteltavissa olevissa onnettomuustapauksissa taloudellisten menetysten korvaamiseen. Tämän vuoksi ydinlaitoksen haltijan korvausvastuuta on ydinvastuulaissa tarkoitus nostaa (vuonna 2006) 700 miljoonaan euroon. Samassa yhteydessä on myös tarkoitus muuttaa kanneaika ydinvoimayhtiötä vastaan 30 vuodeksi, siis samaksi kuin valtiota vastaan, ja poistaa ydinlaitoksen haltijan korvauskatto. Pohjoismaisena yhteistyönä 1990 tehdyssä tutkimuksessa laskettiin, mitä seurauksia ympäristölle olisi jos 10�% 1�000�MW:n kevytvesireaktorin cesiumin kokonaismäärästä päätyisi onnettomuuden seurauksena ympäristöön. Kustannukset voisivat kohota miljardeihin tai kymmeniin miljardeihin markkoihin. Tämänkaltaisen onnettomuuden todennäköisyys on hyvin pieni, mutta korotettu 700 miljoonan euron korvausvastuu riittäisi todennäköisimmin sellaisenkin sattuessa.
Nykypäivänä ydinenergia on hintaa kasvattavista maksuista huolimatta halpaa. Teollisuuden Voiman mukaan uusimman Suomeen rakennettavan voimalan sähkön hinnaksi tulee 2,2 senttiä/kWh. EU:n komissio on arvioinut ydinsähkön keskimääräiseksi hinnaksi 4,5 senttiä/kWh. Hintaeroa selittää Suomessa poikkeuksellisen korkea käyttöaste (tyypillisesti yli 95 prosenttia). Ainoastaan vesivoiman hintataso alittaa ydinvoiman yleisen hintatason.
Ydinsähkön hintaan on sisällytetty ylläkuvattuun tapaan suuri joukko varsinaisen sähköntuotannon kustannusten ulkopuolisia odotettavissa olevia tai mahdollisia kustannuksia. Aivan kaikkia ulkoiskustannuksia ei ydinsähkön hinnan kuitenkaan arvioida sisältävän. Euroopan komission julkaisemassa tutkimuksessa on laskettu sähkön tuotannon ulkoiskustannuksia eri energianlähteillä. Ydinvoiman ulkoiskustannuksiksi tutkimuksessa saatiin 0,2–0,5 c/kWh. Tätä voi verrata hiileen (2–15 c/kWh), öljyyn (3–11 c/kWh), kaasuun (1–4 c/kWh), biomassaan (0–5 c/kWh) ja tuulivoimaan (0,05–0,25 c/kWh).
Menneiden parin vuosikymmenen aikana raakauraanin osuus on ollut noin 2�% ydinsähkön hinnasta. Voidaan olettaa, että mahdollinen uraanin hinnan kaksinkertaistuminen nostaisi tuotetun energian hintaa siis noin 2�%, kymmenkertaistuminenkin vain noin 20�%. Köyhdytetyn uraanin lisärikastamisella ja polttoaineen tehokkaammalla käytöllä on mahdollista myös pienentää sähkönhinnannousua.
Eri energiateknologioiden kehitykseen sijoitettujen resurssien määrä vaihtelee suuresti. Esimerkiksi Yhdysvalloissa ydinvoimaa tuettiin vuonna 1999 685 miljoonalla dollarilla (n. 0,1 c/kWh) tuulivoiman tukiaisten ollessa 38,4 miljoonaa (n. 1 c/kWh) ja vesivoiman 3,8 miljoonaa dollaria (n. 0,001 c/kWh). Ydinenergian kehitystyön aikana 1947–1961 Yhdysvallat panosti erään arvion mukaan yhteensä 39,4 miljardin dollarin arvosta (15,30 dollaria/kWh) uuteen energianlähteeseen. Tätä on verrattu tuulivoiman tukeen, joka on ollut 1,2 miljardia dollaria (0,46 dollaria/kWh) yhtä pitkällä 15 vuoden jaksolla 1975–1989. Suhteutettaessa tuet nykypäivään asti tuotetun energian määrään on laskettu, että tuet nostaisivat ydinenergian hintaa laskennallisesti 1,2�c/kWh. Vastaavasti aurinkoenergian tuotantoa on tuettu 51�c/kWh ja tuulienergian tuotantoa 4�c/kWh. OECD-maissa ydinenergian tutkimukseen panostettiin vuosina 1995–1998 16 miljardia dollaria. Tämä sisältää fuusiotutkimuksen. Samalla aikavälillä uusiutuvia energia ja energian säästöä tutkittiin OECD-maiden julkisilla varoilla 9 miljardilla dollarilla.
[muokkaa] Ydinvoima ja yhteiskunta
Ydinvoiman käyttö on voimakkaasti polarisoitunut poliittinen kysymys ja sitä koskevaa keskustelua ja argumentointia esiintyy tuon tuostakin medioissa. Aiheen tiimoilta järjestetään myös mielenosoituksia, mainoskampanjoita ja muita mielenilmauksia. Ydinvoimakielteiset mielenosoitukset ovat myönteisiä yleisempiä, kun taas maksettuun ilmoitteluun turvautuu useammin atomivoimaa puolustava osapuoli.
Useimmissa mielipidemittauksissa ydinvoiman käyttö saa osakseen enemmän kannatusta kuin vastustusta. Vastustajia on kuitenkin merkittävä vähemmistö. Ydinvoiman lisärakentamisesta mittaukset antavat vaihtelevia tuloksia.
Ydinvoimasta käytävä poliittinen kiistely on sikäli merkittävää, että ydinvoiman tuotantoon liittyy vahvasti poliittinen lupamenettely, johon yleensä liittyy laaja julkinen keskustelu. Ydinvoiman tuotantomäärä ei siis kasva tai vähene vapaasti kysynnän mukaan, vaan sen käytön sallimisesta ja rajoittamisesta päättävät vaaleilla valitut poliitikot. Viime vuosikymmenien näkyvällä ydinvoimakeskustelulla on tuntuva vaikutus nykypäivän ydinvoimapolitiikassa. Monissa maissa ydinvoiman rakentaminen on poliittisella päätöksellä hidastunut, ellei jopa pysähtynyt.
Kun ydinvoimaloiden rakentamiselle on myönnetty lupa, voimaloita yleensä käytetään suurella käyttöasteella, koska edullisen, vakaasti tuotetun perusenergian kysyntä on teollisuusmaissa suurta.
1950–1980-luvuilla ydinvoiman kasvu oli erittäin nopeaa ja eräissä maissa, kuten Ranskassa, sillä korvattiin fossiilisten polttoaineiden käyttö sähköntuotannossa lähes kokonaan. Suomi ja Ruotsi (ks. kaavio oikealla) ovat esimerkkejä maista, joissa ydinvoiman tuotantoa on pitkään kasvatettu määrätietoisesti. Sen seurauksena fossiilisten polttoaineiden osuus kokonaisenergiantuotannosta on selvästi pienempi kuin teollisuusmaissa yleensä. Ruotsissa ja Suomessa on lisäksi mahdollista käyttää biopolttoaineita ja vesivoimaa merkittävästi, mikä myös näkyy kaavioissa.
Saksa ja Tanska ovat maita, joissa ydinvoiman käyttö on vähäistä. Tanskassa ydinvoimaan tuotantoa ei ikinä edes aloitettu ja Saksassa aluksi kasvanut ydinvoiman tuotanto on päätetty lopettaa. Maiden energiantuotanto tapahtuu enimmäkseen fossiilisilla polttoaineilla samalla kun uusiutuvien energianlähteiden käyttöä on pyritty lisäämään. Maat ovat keskittyneet lähinnä tuulivoiman lisärakentamiseen biopolttoaineiden ja vesivoiman ollessa näissä maissa mahdollisuuksiltaan rajallisia.
[muokkaa] Ydinvoiman tulevaisuus
Ydinvoiman kehitystyö jatkuu aktiivisena ympäri maailman. Ydinvoimalle etsitään jatkuvasti uusia sovelluskohteita ja olemassa olevaa tekniikkaa parannetaan. Toisaalta myös uusia ydinenergiamuotoja tutkitaan. Ydinvoiman käytön hyväksyttävyyteen vaikuttavat toisaalta ydinvoimaan kriittisesti suhtautuvien ihmisten huolet ydinvoiman haitoista ja toisaalta myönteisesti suhtautuvien painottamat edut. Ydinvoimakeskustelu jatkunee siis aktiivisena tulevaisuudessakin.
Kasvava energiantarve ja Kioton ilmastosopimus on saanut monet maat rakentamaan tai suunnittelemaan lisäydinvoiman rakentamista ja kasvanutta kysyntää varten on perustettava uutta uraanituotantoa. Uraanin riittävyys ydinenergian tarpeisiin riippuu siitä, miten paljon ydinvoiman tuotanto kasvaa ja siitä mitä teknologiaa uusi ydinenergiatuotanto tulee hyödyntämään. Koska uraania on kallioperässä saatavissa runsaasti, uraanin riittävyys sinänsä ei muodosta teknistä estettä ydinvoiman käytön laajallekaan lisäämiselle (ks. artikkeli uraanin esiintyminen).
Jotkut tutkijat pelkäävät kasvavan kysynnän johtavan uraanituotannon lisääntymiseen erityisesti kehitysmaissa, mikä saattaa pahentaa kaivostoiminnan ympäristövaikutuksia, koska kehitysmaiden ympäristönormit ovat heikompia ja niiden valvominen on kehittynyttä maailmaa tehottomampaa.
Ydinvoima oli vuonna 2007 hitaimmin lisääntyvä energiamuoto. Vuonna 2007 ydinvoima kasvoi vain 0,5�%.selvennä? Kyseisenä vuonna ydinvoimaa rakennettiin yhteensä 2�000�MW Intiassa, Kiinassa ja Romaniassa. Yhteensä kapasiteettia oli 372�000�MW. Yhteensä rakenteilla oli 34 ydinreaktoria, joista 12 on rakennettu jo yli 20 vuotta. Länsi-Euroopassa oli rakenteille vain kaksi ydinreaktoria, Suomessa ja Ranskassa.lähde?
[muokkaa] Hyötöreaktori
Hyötöreaktorit, jotka tuottavat uutta ydinpolttoainetta toimiessaan, voivat käyttää uraani-235:n (0,7 prosenttia maankuoren uraanista) lisäksi myös uraani-238:a (99,3 prosenttia maankuoren uraanista). Hyötöreaktoreissa voidaan uraanin lisäksi ydinpolttoaineena hyödyntää mahdollisesti huomattavasti yleisempää toriumia. Toistaiseksi toriumin käyttö ei ole ollut kannattavaa, koska uraania on saatavilla edullisesti, mutta tulevaisuudessa toriumilla voidaan mahdollisesti kasvattaa saatavilla olevan ydinpolttoaineen riittävyyttä. Koereaktorikokeita on tehty ympäri maailman, mutta teollisessa käytössä hyötöreaktoritekniikka on tällä hetkellä ainoastaan Venäjällä.
Kasvavan kysynnän aiheuttama uraanin hinnan nousun voi johtaa hyötöreaktorien kehityksen nopeutumiseen, koska nämä käyttävät uraaniaan nykyisiä reaktoreita tehokkaammin. Hyötöreaktorien polttoaineeseen liittyy kuitenkin muun muassa ydinaseiden leviämiseen liittyviä riskejä ja MIT:n tekemä tutkimuksen mukaan ei ole odotettavissa, että uudet reaktori- ja polttoaineteknologiat pystyisivät yhtä aikaa vastaamaan kustannuksiin, turvallisuuteen, ydinjätteisiin ja ydinaseiden laajenemiseen liittyviin riskeihin. Se suositteleekin nykyisen teknologian käyttämistä myös tulevina vuosikymmeninä.
[muokkaa] Kiihdytinreaktori
Eräs ydinreaktoreiden kehityssuunta on kiihdytinreaktori eli ADS (Accelerator Driven Systems). ADS saattaa muodostua merkittäväksi tavaksi hävittää pitkäikäisiä radioaktiivisia aineita ja tehdä samalla sähköä. Samaan pystyvät myös jossain määrin hyötöreaktorit. Tällä käsittelyllä käytetyn ydinpolttoaineen aktiivisuus putoaa tuhannen vuoden kuluessa alle luonnonuraanin aktiivisuuden. Nykyisin geologinen loppusijoitus on yleisesti parhaana pidetty, mutta silti erittäin kiistelty käytetyn polttoaineen ydinjätehuollon vaihtoehto. Hyötöreaktoreilla tai kiihdytinvoimaloilla voitaisiin myös parantaa polttoaineiden saatavuutta huomattavasti, sillä ne pystyvät käyttämään uraanin ja toriumin kaikki luonnossa esiintyvät isotoopit hyödyksi Yksi hyötöreaktoritekniikan kehitysalueista nykyisin on niiden polttoainekierron kehittäminen sellaiseksi, ettei ydinaseisiin kelpaavia materiaaleja syntyisi.
[muokkaa] Fuusio
Tulevaisuudessa fuusioreaktio saattaa tarjota miltei ehtymättömän energianlähteen. Fuusioenergian hyödyntäminen käytännössä on kuitenkin vuosikymmenten päässä. Fuusioenergian hinta saattaa myös muodostua suhteellisen korkeaksi. Kansainvälinen ITER-tutkimushanke tähtää toimivan, voimalaitoskoon fuusioreaktorin prototyypin rakentamiseen Cadarcheen Ranskaan. Kun ITER:n käyttö näillä näkymin 2016 alkaa, voidaan alkaa suunnitella ensimmäisiä prototyyppivoimalaitoksia reaktorin käytöstä saatujen kokemusten perusteella. Fuusiovoiman on arveltu olevan tuotantokäytössä aikaisintaan 2050. Fuusio hyödyntää vedyn kahta isotooppia, deuteriumia ²H ja tritiumia ³H ja perustuu atomien yhdistämiseen päinvastoin kuin fissio. Reaktiotuote on helium: kemiallisesti stabiili ja myrkytön jalokaasu.
Esitetyt fuusioreaktorit käyttävät polttoaineena deuteriumia, joka on vedyn isotooppi. Nykyisellä energiankulutuksella tunnetut litiumvarannot kestäisivät 3�000 vuotta, merivedestä erotettu litium kestäisi 60 miljoonaa vuotta, ja monimutkaisempi fuusioprosessi, joka käyttäisi vain deuteriumia merivedestä, kestäisi 150 miljardia vuotta. Vertailuksi auringon jäljellä olevaksi eliniäksi arvioidaan 5 miljardia vuotta.

Summary:
Ydinvoima eli ydinenergia on energiantuotantoa, joka perustuu hallittuun atomiydinten fissio- tai fuusioreaktioon tai muihin ydinreaktioihin, kuten radioaktiiviseen hajoamiseen. Ydinvoiman tuotannossa osa ydinpolttoaineen atomien massasta muuttuu energiaksi, joten ydinpolttoaineen energiasisältö on tavanomaisiin polttoaineisiin verrattuna hyvin suuri.
Ydinvoimasta käytetään vanhastaan myös nimityksiä atomivoima ja atomienergia, jotka ovat ydinvoiman synonyymeja. Ydinvoima perustuu kuitenkin nimenomaan atomin ytimen reaktioiden hyödyntämiseen ja on siten kuvaavampi ja myös johdonmukaisempi sanojen kuten ydinreaktori ja ydinfysiikka rinnalla.
Ydinvoimalla katetaan noin 17�% maailman sähköntuotannosta, 6,2�% primäärienergiantarpeesta ja 2,5�% maailman loppuenergian käytöstä. Loppuenergiaa mitatessa ei kuitenkaan oteta huomioon energian arvoa ja erityisesti sähkön suurta exergiasisältöä. Maailman hyödyntämiskelpoisesta energiasta eli exergiasta ydinvoimalla tuotetaan 7�%.
Vuosina 2000 – 2009 Euroopan unionin ydinvoiman määrä on väheni 7,2 GW.