Säteily- ja ydinturvallisuustutkimuksen ytimessä

Säteilyturvakeskus (STUK) liittyi Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) jäseneksi vuonna 2018. STUK toimii kansallisena turvallisuusviranomaisena, tutkimuslaitoksena ja mittanormaalilaboratoriona. HIPin jäsenenä STUKin rooli osin onkin toimia linkkinä tutkimusyhteisön, säteilyn käyttäjien, viranomaisten ja kansainvälisten järjestöjen välillä ja tätä kautta edistää säteilyturvallisuuteen liittyvä tutkimusta ja toisaalta tutkimustulosten käyttöönottoa. Viimeaikaiset tutkimusprojektit ovat liittyneet mm. ilmaisimien kehitykseen säteilyn lääketieteellisen käytön tarpeisiin, radioaktiivisten näytteiden analyysimenetelmien kehittämiseen sekä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitukseen.

Säteilyturvakeskus perustettiin vastaamaan säteilysuojelun tarpeisiin

Säteilysuojelualan kehitys oli alkuaikoina täynnä vauhtia ja vaarallisia tilanteita. Uusi ilmiö innosti tutkijoita, ja ionisoivan säteilyn löytyminen poiki nopeasti mitä erilaisempia sovelluksia erityisesti lääketieteessä. Tietämys säteilyn aiheuttamista haitoista tuli kuitenkin vuosikausia jälkijunassa. Säteilyn lääketieteellisen käytön lisääntyminen ja kasvava tietoisuus säteilyn haitallisista vaikutuksista johti STUKin esi-isän, lääkintöhallituksen alaisen säteilyfysiikan laitoksen, perustamiseen 1958. Tuohon aikaan Kansainvälinen säteilysuojelukomissio (ICRP) oli sen aikaiseen tietoon pohjautuen ansiokkaasti kehittänyt kansainvälistä säteilysuojelujärjestelmää ja siihen liittyviä henkilökohtaisia annosrajoituksia.

Yleinen herääminen tarpeeseen säädellä säteilyn käyttöä johti myös Euroopan atomienergiayhteisön luomiseen (1957). Tähän liittyvä Euratom-sopimus on edelleen voimissaan lähes alkuperäisessä asussaan, ja on myös nykyisen Säteilylakimme taustalla. Säteilysuojelun kulmakivet, eli altistuksen oikeutusharkinta ja altistuksen optimointi sekä yksilön suojaaminen säteilyn haittavaikutuksilta, ovat kestäneet ajan hampaan nakerrusta jo kymmeniä vuosia. Yhteiskunnan kasvanut riskitietoisuus ja tiedonjano vaativat kuitenkin entistä tarkempia ja luotettavampia menetelmiä altistusolosuhteiden ja itse altistuksen määrittämiseen.

Paikkaherkillä ilmaisimilla parempaa kuvanlaatua ja turvallista sädehoitoa Lääketieteen käyttöön kehitetään jatkuvasti uusia ionisoivaa säteilyä käyttäviä diagnoosi- ja hoitomenetelmiä. Esimerkiksi ulkoisessa sädehoidossa käytettävät hoitokeilat muuttuvat jatkuvasti pienemmiksi, tarkemmin rajatuiksi ja dynaamisemmiksi. Tämä asettaa entistä tiukempia vaatimuksia keilojen ominaisuuksien mittaamiselle, jotta hoitojen tehokkuus ja potilaiden turvallisuus pystytään varmistamaan. Olemmekin kehittäneet paikkaherkkiä ilmaisimia, joilla sädehoidossa käytettyjen fotonikeilojen ominaisuudet pystytään mittaamaan sädehoitoklinikoilla lähes reaaliaikaisesti. Kyseisillä kadmiumtelluridi-ilmaisimilla pystytään määrittämään pienikokoisten keilojen dimensiot sekä suhteellinen annosprofiili keilan sisällä. Paikkatarkkuudessa on pyritty siihen, että pienimmätkin käytössä olevat sädehoitokeilat (halkaisijaltaan muutama mm) pystytään luotettavasti mittaamaan.

Kuva 1 Ilmaisintestausta Säteilyturvakeskuksen laboratoriossa (Kuvat: vas. S. Kirschenmann, oik. A. Gäddä)

Kadmiumtelluridi-ilmaisinten ohella olemme kehittäneet piipohjaisia paikkaherkkiä ilmaisimia tietokonetomografiaan. Tietokonetomografia (TT) on suurin väestön altistaja lääketieteellisessä käytössä, ja sen vuoksi mahdollisimman tehokas ja optimoitu säteilyn käyttö on siinä erityisen tärkeää. Kehitetyt ilmaisimet pystyvät lukemaan perinteisen säteilyn intensiteettitiedon lisäksi myös sen energiajakauman, jolloin säteilykeilassa oleva tieto saadaan hyödynnettyä mahdollisimman tehokkaasti ja potilaan altistusta pystytään pienentämään diagnostisen laadun siitä kärsimättä. Projektissa hyödynnetään CERNin CMS-kokeeseen kehitettyä ilmaisinteknologiaa.

Näytteillä ja ilmaisinverkolla parannetaan ympäristön säteilyvalvontaa

Ilmakehässä tehdyt ydinasekokeet sekä Suomessa päätään nostanut ydinenergian käytön suunnittelu laajensivat säteilyfysiikan laitoksen toimintaa ympäristön radioaktiivisuuden seurantaan ja valvontaan, ja laitoksen nimi muutettiinkin Säteilyturvallisuuslaitokseksi (ja myöhemmin nykyiseen muotoonsa Säteilyturvakeskus). Ympäristössä näkyvät ydinasekokeiden jäämät sekä muu luonnossa esiintyvä radioaktiivisuus (mm. myöhemmän Tshernobylin onnettomuuden (1986) aiheuttama laskeuma) ovat olleet jatkuvan seurannan kohteena kuusikymmentäluvulta alkaen. Ympäristön säteilyvalvonnan menetelmät ovat ottaneet valtavia harppauksia viime vuosikymmeninä. Säteilyilmaisimien herkkyys, spesifisyys ja informaation saatavuus ovat parantuneet merkittävästi. Nykyään yksittäisiä mikroskooppisia radioaktiivisia hiukkasia vaikkapa ilmansuodattimista pystytään paikantamaan ja analysoimaan perin pohjin. Mittausmenetelmät ovat myös muuttuneet (lähes) reaaliaikaisiksi ja tuottavat tietoa yksittäisistä radionuklideista pelkän säteilyannosnopeuden lisäksi.

Ympäristön säteilynvalvonnassa käytetään näytteenoton lisäksi reaaliaikaista mittausdataa tuottavia menetelmiä. Suomessa on noin 260 ilmaisinta käsittävä, koko maan kattava ilmaisinverkko, joka lähettää mittaustiedot 10 minuutin välein STUKiin analysoitavaksi, tarkistettavaksi ja julkaistavaksi STUKin www-sivuilla. Meneillään olevassa DEFACTO-projektissa kehitetään täysin uudentyyppistä ilmaisinta tähän verkkoon. Nämä ilmaisimet pystyvät erittelemään säteilylähteen sijainnin, eli ovatko radioaktiiviset aineet ilmassa, laskeumana maassa vaiko kiinnittyneenä ilmaisimen pintaan. Myös radioaktiivisten aineiden tunnistus on mahdollista ilmaisimissa käytetyn tuikeaineen ansiosta. Ilmaisinkehitys on loppusuoralla, ja sen ottamista operatiiviseen käyttöön suunnitellaan parhaillaan. Teknologian kaupallinen potentiaali tullaan myös arvioimaan. STUK-HIP-yhteistyössä kehitetään myös menetelmiä ympäristönäytteiden entistä herkempään ja tarkempaan analysointiin mm. yhdistämällä samanaikainen gamma-, beeta- ja alfasäteilyn havaitseminen näytemittauksissa niin, että paikkaherkkien ilmaisimien avulla radioaktiivisten hiukkasten paikat näytteessä pystytään tunnistamaan (nk. PANDA-laitteisto).

Kuva 2 PANDA-laitteiston mittauspiste. Laitteisto sijaitsee Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa.

Ydinjätteen loppusijoituslaitos rakentuu maan alla

Olkiluodon saarelle Eurajoelle rakennetaan parhaillaan geologista loppusijoituslaitosta käytetyn ydinpolttoaineen sijoittamiseksi syvälle peruskallioon. Valmistuessaan laitos tulee olemaan ensimmäinen laatuaan maailmassa. Loppusijoitus on tarkoitus aloittaa 2020-luvun puolivälin tienoilla, ja laitoksen aktiivinen käyttö tulee kestämään noin sata vuotta. Käytetty ydinpolttoaine säteilee vielä satojen tuhansien vuosienkin päästä, joten polttoaineen hautaaminen syvälle maan poveen on turvallisin ratkaisu jälkipolvien kannalta.

Kuva 3 Maanalaisen loppusijoitusluolaston tunnelistoa. Lähde: Posiva.

Loppusijoituksessa hyödynnetään Ruotsissa kehitettyä KBS-3-metodia, jossa käytetty polttoaine suljetaan kuparilla päällystettyjen teräskapseleiden sisään. Kapselit sijoitetaan noin 400 metrin syvyyteen kallioperään louhittuihin loppusijoitusluolastoihin, joita rakennetaan lisää sitä mukaa, kun loppusijoitus etenee. Lopuksi tunnelit ja luolasto täytetään bentoniittisavella, joka on kissanhiekan tavoin kosteutta imevä materiaali, jolla saadaan vähennettyä pohjaveden virtaus kapseleiden lähistöllä minimiin.

Kuva 4 Kuparikapseli, jonka sisään käytetty ydinpolttoaine sijoitetaan. Lähde: Posiva.

Ennen loppusijoitusta tulee varmistua siitä, että luolastoon sijoitettava polttoaine on juuri sitä, mitä sen sanotaan olevan. Ydinpolttoaine varmennetaan ydinmateriaalivalvonnan nimissä erilaisin ainetta rikkomattomin mittausmenetelmin.

Ydinmateriaalivalvonnalla turvataan rauhanomainen ydinenergian käyttö

Kylmän sodan aikaan maailmalla herättiin atomipommin uhkaan. Ydinaseiden leviämisen estämiseksi perustettiin Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA, jonka tehtävänä on valvoa ydinteknologioita ja varmistaa niiden rauhanomainen käyttö. Vuonna 1970 solmittiin myös ydinsulkusopimus, jonka allekirjoittaneet maat sitoutuivat estämään ydinaseiden leviämisen ydinaseettomille valtioille.

Tätä sopimusta valvotaan aktiivisesti sekä kansainvälisellä että kansallisella tasolla. IAEA ja Euroopan komissio tarkastavat säännöllisesti, että Suomen ydinmateriaalit ovat asianmukaisessa käytössä ja siellä missä pitääkin, ja STUK tekee kansallisena valvovana viranomaisena omaa valvontaansa. Ilman ydinmateriaalivalvontaa ei olisi rauhanomaista ydinenergian ja muiden ydinteknologioiden käyttöä, eikä Suomessakaan ydinreaktoreita.

Tomografia paljastaa ydinpolttoaineen sisällön

Ennen loppusijoitusta jokainen loppusijoitusluolaan matkalla oleva polttoainenippu tulee tarkastaa parhain mahdollisin keinoin, jotta tuleville polville voidaan taata mahdollisimman eheää tietoa siitä, mitä luolastoon on päätynyt. Loppusijoitusluolaston sulkemisen jälkeen sen sisältöön ei enää pääse käsiksi, joten kaikki tieto on mitattava ja talletettava etukäteen. Tähän tarkoitukseen olemme yhdessä STUKin ja HIPin sekä Helsingin yliopiston Matematiikan ja tilastotieteen osaston inversio-ongelmien tutkimusryhmän kanssa kehittämässä varmennusmittalaitteistoa, jolla nippujen sisältö tutkitaan ennen loppusijoitusta.

Varmentamisessa on käytettävä luotettavaa ja tarkkaa menetelmää, jolla pystytään varmistumaan ydinpolttoaineen sisällöstä nippuja vahingoittamatta. Kehitteillä olevassa mittalaitteistossa hyödynnetään kahta eri menetelmää: passiivista gammaemissiotomografiaa (PGET) sekä passiivista neutronialbedoreaktiivisuusmittausta (PNAR). PGET-menetelmällä mitatusta gammaemissiosta saadaan rekonstruoitua inversiomatematiikalla hyvin tarkka poikkileikkauskuva polttoaineesta, josta voidaan havaita jopa yksittäinen puuttuva polttoainesauva. PNAR-menetelmällä puolestaan saadaan selville, kuinka paljon kuvattavassa kohteessa tapahtuu neutronien moninkertaistumista ja vastaako polttoaineen fissiilin materiaalin väitetty määrä mitattua. Näin voidaan varmistaa, että kyseessä todella on käytetty polttoainenippu eikä esimerkiksi radioaktiivinen jäljitelmä.

Kuva 5 Ydinpolttoainenippujen rekonstruoituja aktiivisuuksia. Vasemmalla Olkiluodon kiehutusvesireaktorin ATRIUM10-polttoainenippu, oikealla Loviisan painevesireaktorin VVER-440-polttoainenippu. Vasemmassa kuvassa keskellä näkyy 3×3-kokoinen vesikanava sekä kaksi puuttuvaa sauvaa. Oikealla VVER-440 -polttoaineelle tyypillisesti keskimmäisen sauvan tilalla on vesikanava, ja lisäksi tästä nipusta puuttuu kolme polttoainesauvaa vasemmasta kulmasta.

HIPin jäsenyliopistojen ja Säteilyturvakeskuksen yhteistyö on jo tällä muutaman vuoden aikajänteellä tuottanut useita säteily- ja ydinturvallisuutta parantavia laitteistoja ja mittausmenetelmiä. Yliopistojen syvällinen osaaminen yhdistettynä STUKin tietoon ja kokemukseen säteily- ja ydinturvallisuuden keskeisistä tutkimusongelmista on ollut erityisen hedelmällistä. Yhteistyön jatkuminen onkin avainasemassa kotimaisen säteilyturvallisuusosaamisen varmentamisessa.

Teemu Siiskonen, apulaisjohtaja
Säteilyturvakeskus
Fysiikan tutkimuslaitos

Riina Virta, tutkija
Säteilyturvakeskus
Fysiikan tutkimuslaitos

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *