Ydinreaktiot energiantuotannossa
LuK-tutkielma
Turun yliopisto
Fysiikka
2025
Sannimari Kokkinen
Tarkastaja:
Prof. P. Paturi
Turun yliopiston laatujärjestelmän mukaisesti tämän julkaisun alkuperäisyys on tar-
kastettu Turnitin OriginalityCheck-järjestelmällä
TURUN YLIOPISTO
Fysiikan laitos
Kokkinen, Sannimari Ydinreaktiot energiantuotannossa
LuK-tutkielma, 16 s., 3 liites.
Fysiikka
Maaliskuu 2025
Tässä tutkielmassa käsitellään yleisesti ydinvoimaa energianlähteenä, ja syvenny-
tään fissio- ja fuusioreaktioiden toimintaan. Aluksi esitellään reaktioiden toiminta-
periaatteet, sekä niiden erilaisia toteutustapoja energiantuotannossa. Tutkielmassa
syvennytään myös fuusioreaktoreissa vaadittavan magneettisen koossapidon mene-
telmiin.
Lopuksi tutkielmassa käsitellään ydinvoiman ympäristövaikutuksia. Fissio- ja fuusio-
energiaa vertaillaan muihin uusiutuviin energiamuotoihin, sekä pohditaan tulevai-
suuden näkökulmia. Tutkielmassa käydään läpi myös ydinjätteeseen liittyviä ongel-
mia ja ydinjätteen loppusijoitusratkaisua.
Asiasanat: ydinreaktiot, ydinvoima, ydinenergia, fissio, fuusio
Sisällys
Johdanto 1
1 Atomin ydin 2
2 Fissioreaktio 2
2.1 Energia fissiossa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Fissioreaktorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Fuusioreaktio 4
3.1 Energia fuusiossa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.1.1 Lawsonin kriteeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.2 Plasman magneettinen koossapito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.3 Fuusioreaktorit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 Ydinvoima ja ympäristö 11
4.1 Ydinreaktiot ja uusiutuva energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Ydinjäte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5 Yhteenveto 15
1Johdanto
Ydinreaktioiden tutkimus räjähti nousuun 1930-luvun loppupuolella, kun toisen
maailmansodan vuoksi valtiot kiinnostuivat fissioreaktion tuhoavista mahdollisuuk-
sista. Vuonna 1942 maailman ensimmäisessä ydinreaktorissa Chicago Pile-1:ssä saa-
tiin toimimaan fission ketjureaktio, mikä tarkoitti fissioenergian mahdollistumista.
Fissiovoimaloita on ollut käytössä siis jo 1950-luvulta lähtien. [1]
Fuusioreaktioita alettiin tutkimaan ensimmäisen kerran jo 1930-luvulla Cam-
bridgen yliopistossa. Vuonna 1932 Mark Oliphant onnistui ensimmäisen kerran to-
teuttamaan vedyn isotooppien fuusioreaktion. Vuonna 1951 Thomas Lawson toteut-
ti ensimmäisen onnistuneen fuusiokokeen laboratoriossa. Fuusioenergian tutkimus
lähti nousuun, ja vuonna 1983 the Joint European Torus (lyh. JET) onnistui tuot-
tamaan ulos fuusioreaktion avulla enemmän energiaa, kuin mitä reaktorin plasman
koossapitoon vaadittiin. Vielä fuusiovoimaloista ei kuitenkaan ole saatu kaupallisesti
kannattavia energiantuotannon kannalta. [2]
Ihmiskunta nojaa tällä hetkellä voimakkaasti energiantuotannossa uusiutumat-
tomiin fossiilisiin polttoaineisiin, sekä ympäristöstä riippuviin uusiutuviin energia-
muotoihin, kuten tuuli-, vesi- ja aurinkovoimaan. Ilmaston lämpenemisen kiihtyessä
on fossiilisista polttoaineista päästävä eroon, ja siirryttävä kohti uusiutuvaa ener-
giantuotantoa. Ydinvoimassa voisi olla tähän ratkaisu.
Tämän tutkielman tekemisessä ei ole käytetty tekoälyä.
21 Atomin ydin
Atomiydin eli nuklidi koostuu positiivisesti varautuneista protoneista ja varaukset-
tomista neutroneista [3]. Vetyä raskaammilla alkuaineilla on ytimessään vähintään
kaksi protonia. Protonien samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan voimakkaasti,
eli vaaditaan suuri voima pitämään ydin koossa. Tätä voimaa kutsutaan vahvaksi
vuorovaikutukseksi. [1]
Ydinreaktioksi kutsutaan reaktiota, jossa atomiydin joko hajoaa tai yhdistyy
yhdeksi tai useammaksi uudeksi atomiksi. Tyypillinen ydinreaktio kirjoitetaan
a+X −→ Y + b, (1)
missä a on kiihdytetty partikkeli (esimerkiksi neutroni), X on kohde johon partik-
keli osuu (esimerkiksi vedyn isotooppi), Y on reaktiossa syntynyt uusi (tai useampi)
alkuaine, sekä b on reaktiossa vapautunut partikkeli. Reaktiossa vapautuva energia
määräytyy Albert Einsteinin alunperin määrittelemän massan ja energian ekviva-
lenssin, eli
E = mc2 (2)
mukaan, missä m on massavaje ja c valonnopeus. [3]
2 Fissioreaktio
Fissioreaktioksi kutsutaan ydinreaktiota, jossa raskas atomiydin (kuten esimerkiksi
uraani) hajoaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiksi. Atomi hajoaa, kun
sitä pommitetaan neutroneilla [2]. Tällä hetkellä energiantuotannossa käytettävä
ydinvoima perustuu juurikin fissioreaktioon.
Kuvassa 1 havainnollistetaan tyypillistä 235U isotoopin hajoamista fissioreak-
tiossa ja siitä mahdollistuvaa ketjureaktiota. Reaktioyhtälö tällaiselle fissioreaktiolle
on
235U+ n −→93 Rb+141 Cs+ 2n, (3)
3Kuva 1. 235U isotoopin fissioreaktio. Fissiotuotteina (eng. fission products) syntyy
rubidiumia ja cesiumia, sekä neutroneita, jotka voidaan ohjata osumaan uusiin 235U
isotooppeihin. [1]
jossa uraanin isotooppi 235U hajoaa rubidiumin 93Rb isotoopiksi ja cesiumin 141Cs
isotoopiksi. Lisäksi reaktiossa vapautuu kaksi neutronia [3]. Fissioreaktiossa vapau-
tuvia neutroneja voidaan käyttää taas uuteen fissioreaktioon. Tällaisen ketjureaktion
vuoksi fissioreaktiosta saadaan itseään ylläpitävä [1].
2.1 Energia fissiossa
Fissiossa käytetyssä polttoaineessa on korkea energiatiheys. Kun atomi hajoaa, ha-
joaa myös sen ytimen koossa pitänyt vahva vuorovaikutus, mikä vapauttaa suuria
määriä energiaa [1]. Raskaan uraanin ytimen sidosenergia on n. 7,5 MeV per nukleo-
ni [3]. E = mc2 mukaan kilo raskasta uraania voi siis tuottaa fissiossa jopa 20 ·1012J
energiaa.
2.2 Fissioreaktorit
Kun atomi hajoaa fissioreaktiossa kevyemmäksi atomiksi siihen pommitetun neut-
ronin vaikutuksesta, vapautuu suuria määriä kineettistä energiaa. Fissioreaktoreis-
sa tätä kineettistä energiaa käytetään lämmittämään ympäröivää vettä. Kuumen-
4Kuva 2. Tyypillisen vesijäähdytteisen fissioreaktorin rakenne. Vesi ympäröi polttoai-
nekapseleita, joissa fissioreaktio tapahtuu. Säätösauvoja (eng. control rods), jotka on
valmistettu neutroneja hyvin absorboivasta materiaalista, käytetään fissioreaktioi-
den hallitsemiseen ja erityisesti reaktion hallittuun pysäyttämiseen. [1]
tuessaan vesi höyrystyy ja höyry pyörittää turbiinia, jossa generaattori muuntaa
liike-energian sähköenergiaksi. [2] Kuvassa 2 on esitetty tällaisen vesijäähdytteisen
fissioreaktorin rakenne.
3 Fuusioreaktio
Fuusioreaktiossa kaksi atomiydintä yhdistyvät yhdeksi raskaammaksi ytimeksi. Ky-
seessä on sama ilmiö, kuin mistä Aurinko ja muut tähdet saavat energiansa. Tarpeek-
si korkeassa paineessa vetyatomit fuusioituvat heliumiksi. Näin suurta painetta ei
pystytä maassa luomaan, mutta fuusioreaktio voidaan saada aikaan käyttämällä ve-
dyn isotooppeja. Maassa fuusiossa käytetäänkin siis vedyn isotooppeja deuteriumia
ja tritiumia, joiden ytimissä on enemmän neutroneja, kuin tavallisessa vetyatomis-
sa. [2] Kuvassa 3 havainnollistetaan tritiumin ja deuteriumin fuusioreaktiota, jossa
isotoopit fuusioituvat heliumiksi ja vapaaksi neutroniksi.
5Kuva 3. Tritiumin ja deuteriumin fuusioreaktio. [4]
3.1 Energia fuusiossa
Fuusioreaktio vaatii korkean lämpötilan, tietyn hiukkastiheyden ja riittävän ener-
giansitomisajan (eng. energy constraint time) [5]. Polttoaine deuteriumia saadaan
esimerkiksi rikastamalla vettä Girdler-Sulfide -prosessin avulla [2]. Tritiumia puo-
lestaan saadaan raskasvesihidasteisista ydinreaktoreista, joissa tritiumia syntyy kun
raskasta vettä, eli dideuteriumoksidia, käytetään jäähdyttimenä. Tritiumia voidaan
saada myös fuusioreaktoreissa jalostamalla. Kun fuusioreaktiossa vapautuneet neut-
ronit reagoivat reaktorikuoren sisällä olevan litium-6 isotoopin kanssa, syntyy heliu-
mia ja tritiumia. Molemmat polttoaineet ovat siis maassa helposti saavutettavissa.
[2]
E = mc2:n mukaan kilo vetyä voi tuottaa fuusiossa jopa 7,5 · 1014J energiaa.
Tämä määrä varmistaisi energiansaannin maapallolla jopa 10000 vuodeksi. [2]
3.1.1 Lawsonin kriteeri
Lawsonin kriteerillä tarkoitetaan ehtoa hyötysuhteeltaan tuottavimmalle fuusiosys-
teemille. Vuonna 1955 J. D. Lawson esitti, että fuusiosta saadun energian määrä
6Kuva 4. Saavutettu fuusiokolmitulon arvo eri vuosina eri projekteissa. [2]
oikeissa olosuhteissa on lämpötilan T , polttoaineen ionien tiheyden n ja energian
koossapitoajan (eng. energy confinement time) τE funktio. Tuloa nτE kutsutaan
Lawsonin parametriksi. Kun lämpötila ja Lawsonin parametri saavuttavat vaaditun
arvon, plasma pitää itseään yllä ilman ulkoista lämmitystä. Tällöin plasman sano-
taan saavuttaneen leimahdustilan (eng. ignition). Leimahdustilaa ei vaadita fuusio-
energian tuotantoon, mutta tällöin fuusioreaktio on tuottavimmillaan. [6]
Fuusioreaktioon vaaditaan tietyt olosuhteet. Lawsonin kriteeri on ajan myötä
muotoutunut erilaisiksi funktioiksi, joita käytetään kuvaamaan fuusion toimintaa.
Yksi näistä on Lawsonin parametrin ja lämpötilan tulo, eli fuusiokolmitulo nTτE
[6]. Mitä suurempi on fuusiokolmitulon arvo, sitä tehokkaammasta fuusioreaktiosta
on kyse [2]. Kuvassa 4 on esitetty saavutettujen fuusiokolmitulojen arvoja vuosien
kuluessa.
73.2 Plasman magneettinen koossapito
Plasma on aineen olomuoto, jossa aineen atomeista tietty osa on ionisoitunut. Plas-
massa negatiivisesti varautuneet elektronit ja positiivisesti varautuneet ionit liikku-
vat vapaasti lämpötilan ollessa riittävän korkea. Elektronien ja ionien välillä vaikut-
taa niiden varauksista aiheutuva vahva, toisiaan hylkivä Coulombin voima. [7]
Fuusioreaktoreissa plasma on pidettävä koossa ja paikoillaan, koska kontakti
reaktorin seinän kanssa aiheuttaisi plasman lämpötilan laskun. Coulombin voiman
on siis kumouduttava reaktorissa, sillä plasman lämpötilan laskiessa fuusioreaktio
pysähtyy [5]. Fuusioreaktoreissa toimivaksi ratkaisuksi plasman hallintaan on osoit-
tautunut suprajohteiden käyttö. Suprajohteiden avulla pystytään luomaan magneet-
tikenttä, joka pitää plasman koossa ja erossa reaktorin seinästä [2].
Magneettisen koossapidon menetelmiä on kahdenlaisia: avoimia ja suljettuja me-
netelmiä. Avoimessa koossapidossa useimmiten käytetään peräkkäisiä käämejä luo-
maan solenoidinen magneettikenttä. Magneettikenttä on voimakkaampi solenoidin
kummassakin päässä, kuin sen keskiosissa. Tämän ansiosta suuri osa plasman va-
ratuista ioneista ja elektroneista vaihtavat suuntaa solenoidin päädyissä, ja par-
tikkelien liike saadaan rajattua solenoidin alueelle. Tällaista menetelmää plasman
koossapitoon kutsutaan tämän ominaisuuden vuoksi "magneettiseksi peiliksi". [7]
Suljetussa koossapidossa toroidin muotoinen magneettikenttä ympäröi koko plas-
maa. Tällöin plasman varatut partikkelit liikkuvat vapaasti ympäröivän magneetti-
kentän sisässä. Lisäksi tarvitaan poloidinen (eng. poloidal) magneettikenttä, jonka
ansiosta magneettikenttä kiertyy plasman ympärillä. Näin plasman partikkelit eivät
pääse ajautumaan ulos magneettikentästä. [7]
3.3 Fuusioreaktorit
Fuusioreaktorissa tritiumia ja deuteriumia lämmitetään tyhjiössä noin 150 miljoo-
naan kelviniin muuttuvan magneettikentän avulla. Lämmityksen tavoitteena on luo-
8da plasmaa, joka pidetään koossa magneettikentän avulla. Vedyn isotoopit fuusioi-
tuvat heliumiksi ja vapaiksi neutroneiksi, ja tämä reaktio vapauttaa kineettistä ener-
giaa. Magneettikenttä ei vaikuta varauksettomiin neutroneihin, joten ne törmäävät
reaktorin kuoreen. Neutronien kineettinen energia muuntuu lämpöenergiaksi, jol-
la lämmitetään vettä. Vesi saadaan täten höyrystymään ja pyörittämään turbiinia,
joka tuottaa puolestaan sähköä, kuten fissioreaktoreissakin. [2]
Tokamak-tyyppinen reaktori on donitsinmuotoinen magneettiseen koossapitoon
perustuva laite, jossa käytetään vahvaa magneettikenttää pitämään vetyisotooppien
muodostamaa plasmaa kasassa ja laitteen sisässä. Tokamak-reaktorin toimintape-
riaatetta havainnollistetaan kuvassa 5. Yksi lupaavimmista fuusioreaktoriprojek-
teista on tällä hetkellä tokamak-mallinen ITER (the International Thermonuclear
Experimental Reactor) [2]. ITER käyttää matalan lämpötilan suprajohteita (LTS,
low-temperature superconductor) plasman magneettiseen koossapitoon. Tokama-
keissa käytetään suljetun koossapidon menetelmää, eli magneettien avulla saadaan
muodostettua toroidin muotoinen magneettikenttä, joka pitää plasman koossa [7].
Tokamak-tyypin reaktoreissa voidaan myös käyttää korkean lämpötilan suprajohtei-
ta (HTS, high-temperature superconductor) plasman koossapitoon [8]. Tokamakia
pidetään tällä hetkellä lupaavimpana reaktorityyppinä [9].
Stellaraattori-reaktoreissa käytetään kierrettyjä magneettikenttiä (eng. twisted
magnetic fields) pitämään plasmaa paikoillaan ja kasassa. Stellaraattorin toiminta
perustuu samaan ilmiöön kuin tokamak-reaktorien, mutta plasman hallintaan käy-
tetty magneettikenttä on erilainen. [2] Stellaraattori-reaktorin toimintaperiaate on
esitetty kuvassa 6.
Laserfuusiossa (myös nimellä inertiaalinen koossapito) käytetään voimakkaita
lasereita puristamaan ja lämmittämään fuusiopolttoainetta, joka on usein sekoitus
tritiumia ja deuteriumia. Lämmitys tapahtuu ääriolosuhteissa, joissa fuusioreaktio
mahdollistuu. [2] Laserfuusioreaktorin toimintaperiaate ja rakenne on esitetty ku-
9Kuva 5. Tokamak-reaktorin toimintaperiaate. Plasman (violetilla) sisällä kulkee säh-
kövirta, joka luo magneettikentän (vihreällä). [10]
Kuva 6. Stellaraattori-reaktorin toimintaperiaate. Stellaraattorin sisällä on plasmaa
(violetilla), joka pysyy kasassa kierrettyjen magneettikenttien avulla (mustalla). [10]
10
Kuva 7. Laserfuusioreaktorin toimintaperiaate. Hohlraum ja lasersäteet kuvattu va-
semmalla, ja oikealla kohdekapselin rakenne. Kohdekapselissa osa polttoaineesta on
kiinteässä ja osa kaasumaisessa muodossa. [11]
vassa 7. Laserfuusioreaktorissa lasersäteet ohjataan sylinteriin, jota kutsutaan hohl-
raumiksi. Hohlraumin sisässä oleva kohdekapseli (eng. target capsule) on täytetty
deuterium-tritium polttoaineella. Laserit saavat hohlraumissa aikaan röntgensätei-
lyä, joka kasvattaaa kapselin lämpötilaa ja painetta niin, että polttoaineessa voi
tapahtua fuusioreaktio. [11]
Myös konseptia ydinreaktorien hybridimalleista on kehitetty ja tutkittu. Näis-
sä reaktorityypeissä pyritään hyödyntämään energiantuotantoon niin fissio-, kuin
fuusioreaktioitakin. Hyötypuolena fission ja fuusion yhdistämisessä olisi fissiosta syn-
tyvän ydinjätteen mahdollinen polttaminen fuusiosta vapautuvien neutronien avulla.
Tällaiset reaktorityypit ovat kuitenkin hyvin monimutkaisia, ja niiden kehittäminen
on jäänyt vaadittavan teknologian haasteiden vuoksi vähemmälle. [2]
11
4 Ydinvoima ja ympäristö
Vuosi 2024 oli ensimmäinen vuosi maailman historiassa, jolloin maapallon keskiläm-
pötila pysyi kokonaisen vuoden 1,5 celsiusastetta korkeampana kuin esiteollisena
aikana. Vuosi 2024 oli täten siis maailman historian lämpimin vuosi. [12]
Aurinko-, tuuli- ja vesivoiman, sekä bioenergian ja geotermisen energian lisäk-
si myös ydinvoimaa on esitetty mahdolliseksi ratkaisuksi maailmanlaajuiseen ener-
giakriisiin. Ympäristönäkökulmasta ydinvoimassa onkin monia etuja, mutta myös
ongelmia ratkaistavaksi. [2]
4.1 Ydinreaktiot ja uusiutuva energia
Energiantuotannon kannalta fuusioenergia on paljon tehokkaampaa kuin fissioener-
gia. Keskikokoinen fissioenergiaan perustuva ydinvoimala voi tuottaa energiaa noin
1400 MJ/s. Fuusiovoimaloiden arviodaan tuottavan jopa 1 TJ/s tämän vuosisa-
dan loppuun mennessä. Tällä hetkellä ITER:n alaisen DEMO -projektin reaktorin
odotetaan tuottavan sähköverkkoon noin 300 — 500 MJ/s. Todennäköisesti fuusio-
reaktorit eivät vielä lähiaikoina korvaa fissioreaktoreita energiantuotannossa, mutta
ennuste on, että fuusioenergia saataisiin toimimaan kaupallisesti kannattavasti vuo-
teen 2050 mennessä. [2]
Muut uusiutuvat energiamuodot ovat toki parempi vaihtoehto fossiilisille polt-
toaineille, mutta niilläkin on oma vaikutuksensa ympäristöön. Esimerkiksi aurin-
koenergian ongelmakohdaksi on noussut aurinkopaneelien valmistuksen hiilijalan-
jälki, ja niiden kierättämisen rajoitteet. Tuulivoimalat puolestaan vaativat paljon
tilaa luonnosta ja niiden asentaminen aiheuttaa äänisaastetta. Nämä seikat edistä-
vät biodiversiteettikatoa. Yhden nykyteknologiaan perustuvan tuulimyllyn käyttöi-
kä on suunnilleen 20 vuotta, ja se voi tuottaa sähköverkkoon noin 5 MJ/s. Tämän
perusteella siis yksi fissiovoimala, tai samalla tehokkuudella toimiva fuusiovoimala
voisi korvata 280 tuulimyllyä. [2]
12
Fissioenergia uusiutuvana energianlähteenä on väitelty sen polttoaineen uraanin
korkean radioaktiivisuuden vuoksi. Lisäksi esimerkiksi uraanin jalostaminen käyttö-
kelpoiseksi fissioreaktorin polttoaineeksi voi vaatia suuria määriä energiaa, joka tällä
hetkellä usein saadaan fossiilisista polttoaineista [13]. Fissioenergia kuitenkin luoki-
tellaan EU:ssa uusiutuvaksi energiamuodoksi, ja siitä ulos saatu määrä energiaa on
muihin uusiutuviin energiamuotoihin verrattuna suuri [2].
Fuusioenergian kehitykseen käytetään tällä hetkellä paljon aikaa ja resursseja,
sillä sen toivotaan lopulta korvaavan energiantuotannossa niin fossiiliset polttoai-
neet, kuin muut uusiutuvat energiamuodotkin. 2020-luvun loppupuoli on luultavasti
kriittinen aika fuusioenergian kehitykselle, ja ensimmäiset kaupalliset fuusioreaktorit
voisivat mahdollisesti olla toiminnassa jo ennen arvioitua vuotta 2055. [2]
Fuusiovoimaloiden etu on myös se, että onnettomuuden sattuessa reaktorissa
ei synny räjähdystä. Tämä johtuu siitä, että plasman koossapitoon vaaditaan niin
korkea lämpötila. Täten esimerkiksi magneettikentän romahtaessa fuusioreaktio vain
pysähtyy lämpötilan laskiessa. Onnettomuudessa ei siis synny vaaraa ympäristölle
tai ihmisille, kuten esimerkiksi Tsernobylin fissiovoimalan onnettomuudessa 1986.
[2]
4.2 Ydinjäte
Yksi suurimpia ongelmia fissioenergiassa on siitä syntyvä ydinjäte, ja reaktiossa käy-
tetyn polttoaineen radioaktiivisuus. Fissiovoimassa käytetyn uraanin isotoopin 235U
sekä plutoniumin isotoopin 239Pu puoliintumisaika on jopa 24000 vuotta. Pitkän
puoliintumisajan sekä korkean radioaktiivisuuden vuoksi fissiovoimaloissa syntyvää
ydinjätettä on siis varastoitava turvalliseen paikkaan jopa tuhansiksi vuosiksi, ettei
säteily pääse ilmakehään. Tällä hetkellä toimivin ratkaisu ydinjätteen varastoimi-
seen on kaivaa jäte syvälle kallioon, joka estää säteilyn pääsyn ilmakehään. [2]
Toistaiseksi maailman ainoa ydinjätteen lopullinen varastointipaikka Onkalo si-
13
Kuva 8. Onkalon tämänhetkiset maanalaiset tilat. Demonstraatiotunneleissa on jo-
kaisessa 30-40 lopullista hävitysaukkoa (final disposal deposition hole), joihin beto-
nin sisään valettu ydinjäte tullaan sijoittamaan. [16]
jaitsee Suomessa Olkiluodon ydinvoimala-alueella Eurajoella. Onkalo on vasta ra-
kenteilla, mutta sen arvioidaan valmistuvan käyttöön 2020-luvun puolivälissä [14].
Kuvassa 8 on esitetty Onkalon tämänhetkiset maanalaiset tilat. Loppusijoitusvai-
heessa korkean radioaktiivisuuden ydinjätettä sijoitetaan kuparista ja pallografiit-
tivaluraudasta valmistetuissa kapseleissa satojen metrien syvyyteen [15]. Kuvassa 9
on esitetty loppusijoituskapselin rakenne, ja kuvassa 10 pallografiittivaluraudan mik-
roskooppinen rakenne. Arviolta noin vuosisadan jälkeen loppusijoitustunnelit täyte-
tään maa-aineksella ja sementillä, jolloin ydinjätteen on tarkoitus jäädä lopullisesti
ja turvallisesti maan alle [14].
Fuusioon perustuva ydinvoima ei tuota lainkaan korkean radioaktiivisuuden ydin-
jätettä. Fuusiossa käytettävä tritium 3H säteilee ainoastaan beetasäteilyä, jonka ete-
neminen on helposti estettävissä esimerkiksi alumiinilevyjen avulla. Ydinjätettä syn-
tyy siis myös fuusioreaktiossa, mutta tämä ydinjäte ei ole korkeasti radioaktiivista,
ja sen puoliintumisaika on paljon lyhyempi. Fuusiosta syntyvä ydinjäte menettää
radioaktiivisuutensa vuosisadan sisällä, toisin kuin fissiosta syntyvä jäte. [2]
14
Kuva 9. Onkalossa käytettävän loppusijoituskapselin rakenne. Kapselin ulkokuori on
valmistettu kuparista, ja sisäosa pallografiittivaluraudasta. [17]
Kuva 10. Pallografiittivaluraudan mikroskooppinen rakenne, jossa näkyvissä grafii-
tin pallomuodostumat, sekä ferriitti- ja perliittialueet. Pallografiittivalurauta kestää
grafiitin pallomaisen muodon vuoksi hyvin painetta, joka loppusijoitustiloissa maan
alla on hyvin suuri. [18]
15
5 Yhteenveto
Tässä tutkielmassa käytiin läpi fissio- ja fuusioreaktion toimintaperiaatteita, sekä
niiden käyttötapoja energiantuotannossa. Fissioreaktoreita on jo käytössä energian-
tuotannossa ympäri maailmaa, mutta tarpeeksi tehokkaiden fuusiovoimaloiden ke-
hitys on vielä kesken. Tutkielmassa syvennyttiin lopuksi myös ydinvoiman ympäris-
tövaikutuksiin, sekä vertailtiin ydinvoimaa muihin uusiutuviin energiamuotoihin.
Maapallon keskilämpötilan noustessa tarvitsemme kiireesti uusiutuvia ja kestä-
viä vaihtoehtoja fossiilisille polttoaineille. Ydinvoimaa on pohdittu ratkaisuksi maa-
ilmanlaajuiseen energiakriisiin, mutta siinäkin on omat haasteensa. Fissioenergian
tapauksessa huolenaiheeksi nousee erityisesti kysymys korkeasti radioaktiivisen ydin-
jätteen loppukäsittelystä ja -sijoituksesta. Lisäksi fissiovoimaloiden onnettomuusris-
ki on suurempi, sekä mahdollisen onnettomuuden vaikutukset vakavat. Fissioon pe-
rustuva ydinvoima ei kuitenkaan muuten aiheuta paljoa kasvihuonekaasupäästöjä,
mikä on tietysti parempi vaihtoehto fossiilisille polttoaineille.
Fuusioenergiassa puolestaan on hyvinkin paljon potentiaalia korvaamaan tule-
vaisuudessa niin fossiiliset polttoaineet, kuin myös muut uusiutuvat energiamuodot-
kin. Fuusioenergiaan käytettäviä polttoaineita, tritiumia ja deuteriumia, on helpos-
ti saatavilla. Fuusioenergia ei myöskään tuota lainkaan korkean radioaktiivisuuden
ydinjätettä. Jos fuusioenergia saadaan toimimaan kannattavasti, energiansaantim-
me olisi käytännössä loputonta. Tämä ratkaisisi maapallolla vallitsevan energiakrii-
sin, joka puolestaan hidastaisi ilmaston lämpenemistä. Fuusioenergian haasteena on
valitettavasti siihen vaadittavien olosuhteiden monimutkaisuus. Fuusioreaktorin toi-
mintaan vaadittavat olosuhteet on haastavaa saavuttaa ja erityisesti pitää yllä, ja
tutkimuksen edistäminen vaatii suuria rahamääriä. Fuusioenergian tulevaisuus vai-
kuttaa onneksi valoisalta: ensimmäisten kaupallisten fuusiovoimaloiden arvioidaan
valmistuvan käyttöön jo 2050-luvun aikana [2].
16
Viitteet
[1] M. Gill, F. Livens ja A. Peakman, kirjassa Future Energy (Second Edition),
second edition ed., toimittanut T. M. Letcher (ElsevierBoston, 2014), pp. 181–
198.
[2] E. R. Sadik-Zada, A. Gatto ja Y. Weißnicht, Energy 290, 129 (2024).
[3] K. S. Krane ja D. Halliday, Introductory nuclear physics (WileyNew York, 1987).
[4] M. Barbarino, What is Nuclear Fusion?,
https://www.iaea.org/newscenter/news/what-is-nuclear-fusion, 2024.
[5] Z. Wang, Procedia Computer Science 228, 163 (2023).
[6] S. E. Wurzel ja S. C. Hsu, Physics of Plasmas 29, 062103 (2022).
[7] L. R. Grisham, Future Energy (Elsevier, 2014), pp. 199–211.
[8] E. Nasr, S. C. Wimbush, P. Noonan, P. Harris, R. Gowland ja A. Petrov,
Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and
Engineering Sciences 382, 20230407 (2024).
[9] S. Meschini, F. Laviano, F. Ledda, D. Pettinari, R. Testoni, D. Torsello ja B.
Panella, Frontiers in Energy Research 11, 1157394 (2023).
[10] W. Picot, Magnetic Fusion Confinement with Tokamaks and Stel-
larators, https://www.iaea.org/bulletin/magnetic-fusion- confinement-with-
tokamaks-and-stellarators, 2021.
[11] A. B. e. a. Zylstra, Nature 601, 542 (2022).
[12] N. Lopez, Copernicus: 2024 is the first year to exceed 1.5°C above pre-industrial
level, https://climate.copernicus.eu/copernicus-2024-first-year-exceed-15degc-
above-pre-industrial-level: :text=2024
[13] D. A. Vallero, Future Energy (Elsevier, 2014), pp. 551–581.
[14] T. J. Foley, Energy Research & Social Science 72, 101867 (2021).
[15] Posiva Oy, Loppusijoituskapseli, https://www.posiva.fi/loppusijoitusratkaisu/
vapautumisesteet/loppusijoituskapseli.html, 2020.
[16] Posiva Oy, Introducing ONKALO and its principle of operation,
https://www.posiva.fi/en/index/news/pressreleasesstockexchangereleases/2024/
thisisonkaloandthisishowitworks.html, 2024.
[17] Posiva Oy, Tunnelin täyttö ja tulppa, https://www.posiva.fi/loppusijoitusratkaisu/
vapautumisesteet/tunnelintayttojatulppa.html, 2020.
[18] P. Minnebo, K.-F. Nilsson ja D. Blagoeva, Journal of Materials Engineering
and Performance 16, 35 (2007).