Isoja panostuksia pieniin reaktoreihin

Ville Tulkki – 18.10.2020

Pienreaktoreista on nyt puhuttu muutaman vuoden julkisuudessa suhteellisen taajaan, ja yksi iso kysymys on ollut että milloin ne päätyvät tutkimuksen ja konseptien kehityksen tasolta käyttöönottoon. Kysymys on aiheellinen, sillä konseptien suunnittelu ja hiominen on vielä halpaa, mutta varsinkin ensimmäisen laitoksen rakentaminen voi olla hyvinkin kallista. Monilla aloilla uusien teknologioiden käyttöönottoa ja kansainvälistä markkinointia on joudutettu valtion tuella, ja viime viikkoina on alkanut näyttää siltä että Atlantin toisella puolella tähän ollaan myös todella ryhtymässä. 

Nyt Yhdysvaltojen energiaministeriö on myöntänyt yli miljardin dollarin sitoumuksen ensimmäisen NuScale-voimalaitoksen rakentavalle konsortiolle kymmenelle seuraavalle vuodelle; ilmoittanut panostavansa ensi vaiheessa yhteensä 160 miljoonaa dollaria kahden pienreaktorin kehittäjälle, TerraPowerille ja X-Energylle, tavoitteena voimaloiden käyttöönotto seuraavan seitsemän vuoden aikana (jonka aikana liittovaltio on varautunut panostamaan enimmillään 3,2 miljardia dollaria näihin demonstraatioprojekteihin); ja varautuu uuden materiaalitutkimusreaktorin rakennusprojektin käyntiin laittamiseen yli 200 miljoonalla dollarilla. 

Nämä summat kuvaavat panostuksia, joita vaaditaan uusien teknologioiden ja uusien voimalaitosten käyttöönottoon. Nämä projektit eivät kuitenkaan ole ponnistaneet tyhjästä, vaan niillä on ollut pitkä ja väliin mutkainenkin historia.

NuScale

NuScale-voimalaitos on ollut pitkään pienreaktorikehityksen kasvot. Kaksitoista reaktorimoduulia rivissä vesialtaassa, jokainen tuottaen höyryä pyörittämään 60 MW sähkötehoista turbiinia. Se pohjautuu 2000-luvun alussa kehitettyyn Multi Application Small Light Water Reactor -konseptiin, jota kaupallistamaan perustettiin NuScale Power -niminen yritys. NuScale sai aikanaan ilmaa siipiensä alle ison rakennustoimiston Fluorin ostettua valtaomistuksen siitä, ja pääsi ensimmäisenä “uuden sukupolven” reaktorina osaksi Yhdysvaltojen viranomaisen NRC:n lisensoinnin modernisaatiota tähtäävään projektiin. NuScale saikin viranomaisen suunnittelusertifikaation tänä syksynä.

Ensimmäinen laitos olisi tarkoitus rakentaa Idahoon tämän vuosikymmenen aikana. Aiemmin energiaministeriö oli ollut mahdollisesti projektissa mukana ostamassa yhden reaktorimoduulin tuotantoa testaus- ja koulutuskäyttöön, mutta sen suunnitelman kaaduttua nyt on ilmeisesti päädytty suorempaan valtion tukeen vähentämään ensimmäisen laitoksen rakentamiseen liittyviä kustannuksia ja riskejä.

Yhdysvallat on ilmeisesti myös lähtenyt tukemaan ydinvoiman vientiä. Yhdysvaltojen kansainvälinen kehitysrahasto muutti tänä vuonna sääntöjään sallimaan ydinvoimaviennin tukemisen, ja on nyt esimerkiksi tehnyt aieilmoituksen NuScalen tukemisesta Etelä-Afrikan ydinvoimaprojektissa. Tällainen valtion tuki rahoitukselle on ollut tärkeä ehto ydinvoimaprojekteille monissa maissa, ja syy sille miksi venäläiset ja kiinalaiset yhtiöt ovat olleet vahvoja ydinvoimaloiden toimittajia monissa maissa.

X-Energy

X-Energyn Xe-100-reaktori on kaasujäähdytteinen kuulakekoreaktori, jossa ydinpolttoaine on pinnoitettuina hippuina (ns TRISO-partikkelit) tennispallon kokoisissa grafiittikuulissa. Jaakko kirjoitti viime vuonna laajemmin itse teknologiasta ja sen historiasta. Xe-100 olisi 80 MW sähkötehoinen laitos joita olisi tarkoitus voida sijoittaa neljän reaktorin paketeissa yhteensä 360 MW tehoiseksi voimalaksi. X-Energyn tarkoituksena on myös rakentaa tehdas valmistamaan TRISO-kuulia, kilpailemaan kansallisesti ainakin BWXT:n kanssa.

Yhdysvalloissa kaasujäähdytteisten reaktoreiden kehityksen edellinen ponnistus sijoittui 2000-luvun alkuun, kun siellä oli päätetty kansallisen neljännen sukupolven reaktorikonseptiksi kaasujäähdytteinen hyvin korkean lämpötilan reaktori joka soveltuisi vedyntuotantoon. Tämä suunnitelma oli kuitenkin hyvin kunnianhimoinen, ja vesisärötysteknologian tuotua markkinoille paljon halpaa maakaasua koko tarve vetytaloudelle katosi – sillä kertaa. Liittovaltio ja yritykset eivät päässeet yhteisymmärrykseen demonstraatiolaitoksen rakentamisen kustannusten jakamisesta, ja lopulta hanke jonka tarkoituksena oli ollut rakentaa toimiva ydinlaitos vuoteen 2021 mennessä päätyi keskittymään TRISO-polttoaineen valmistuksen laadun takaamiseen. Yksi historiikki tästä Next Generation Nuclear Plant (NGNP) -projektista on luettavissa open access -artikkelina. Tätä työtä nyt X-Energy hyödyntää pyrkiessään kaupallistamaan omaa laitoskonseptiaan.

Toisin kuin NGNP, joka pyrki yli 900 C asteen hyödynnettäviin lämpötiloihin vedyn tuottamiseksi katalyyttisella termolyysilla, Xe-100 tuottaa 565-asteista höyryä jota käytetään yleisesti sähköntuotantoon moderneissa konventionaalisten voimalaitosten turbiineissa. Tuo lähes neljänsadan asteen ero hyödynnettävässä lämpötilassa tarkoittaa sitä että NGNP:n kaataneet haasteet materiaalien kestävyydelle ovat paljon pienemmät Xe-100:ssa. Mikä ei tietenkään tarkoita etteikö Xe-100:llakin voisi ilmetä erilaisia mutkia kaupallisen ratkaisun tielle.

TerraPower

Terrapower sai tuen Natrium-nimisen reaktorikonseptinsa demonstroimiseen. Natrium on yhteistyössä GE-Hitachin kanssa kehitettävä natriumjäähdytteinen reaktori, johon on liitetty sulasuolalämpövarasto. Suolaa on käytetty lämpövarastona myös esimerkiksi keräävissä aurinkovoimaloissa, ja Natrium-voimalassa sen tarkoitus olisi mahdollistaa verkon kuormanseuranta ilman että reaktorin tehoa joudutaan säätämään. Koko voimalaitoskonsepti on verrattain uusi, sillä se julistettiin viime elokuussa. Suomalaisittain toistolta kuulostava natriumjäähdytteinen Natrium-reaktori selittyy sillä että englanniksi natrium on “sodium”, joten nimeämisessäkin vain ehkä haettiin halpaa ja helppoa eksotiikan tuntua.

TerraPower on alunperin perustettu kehittämään Travelling Wave -reaktoria, jossa suuressa reaktorissa fissiiliä polttoainetta sekä kuluisi että hyödettäisiin “aalloissa”, mahdollistaen todella pitkän käytön ilman polttoaineen vaihtoa. Tämä kuitenkin on ilmeisesti osoittautunut hyvin haastavaksi ja konsepti on ajan myötä muokkautunut lähemmäksi perinteistä natriumjäähdytteistä hyötöreaktoria. TerraPowerilla oli myös varasuunnitelmana kloridipohjainen sulasuolareaktori.

Natrium-konsortion toinen osapuoli GE-Hitachi on jo pidemmän aikaa pyrkinyt löytämään rahoitusta PRISM-reaktorilleen, joka juontaa juurensa natriumjäähdytteisten hyötöreaktoreiden kehitystyöstä ja 1964 käynnistyneestä EBR-II:sta. PRISMiä pyrittiin mm. Markkinoimaan Britteihin polttamaan heidän ylijäämäplutoniumiaan, ja GEH on solminut monia eri yhteistyösopimuksia eri reaktorikehittäjien kanssa pyrkien hyödyntämään PRISM-kokemustaan. Natrium-reaktoriyhteistyö voinee olla yksi näistä. 

Natrium-konsortiossa on TerraPowerin ja GEHin lisäksi muutama energiayhtiö sekä iso insinööri- ja projektiyhtiö Bechtel.

Versatile Test Reactor

Ydinreaktoreissa lämmöntuotanto pohjautuu neutroneihin (Jaakko on ketjureaktion perusteista ja seurauksista kirjoittanut esimerkiksi täällä) jotka ketjureaktion ylläpitämisen lisäksi vaikuttavat reaktorissa oleviin materiaaleihin, sekä ydinpolttoaineeseen että reaktorin ympärillä oleviin teräsrakenteisiin. Näitä vaikutuksia tutkitaan sitä tarkoitusta varta vasten rakennetuissa materiaalitestausreaktoreissa, joissa on säteilytyspaikkoja ydinpolttoaineiden testaukseen ja rakennemateriaalien säteilytykseen. Viime vuosikymmeninä tarve on kohdistunut lähinnä kevytvesireaktoreiden materiaalitutkimukseen, ja tutkimusreaktorit joissa olisi mahdollisuus simuloida esimerkiksi hyötöreaktoreiden olosuhteita on ajettu alas. Kun moni uusi reaktorikonsepti pohjautuu johonkin muuhun kuin kevytvesiteknologiaan, Yhdysvalloissa on herätty tarpeeseen rakentaa uusi materiaalitestausreaktori näiden tarpeita varten. Tämä on Versatile Test Reactor (VTR), jonka tarkempaa suunnittelua varten Yhdysvaltojen energiaministeriö on hakenut 295 miljoonaa dollaria rahoitusta vuodelle 2021, ja jonka suunniteltaisiin olevan käyttöönotossa vuonna 2026. Muualla vastaavaa koevalmiutta suunnitellaan Venäjälle (MBIR-koereaktori), kun taas Euroopassa uudessakin koereaktorikannassa ollaan pitäytymässä kevytvesiteknologiassa (ranskalainen Jules Horowitz -reaktori). 

Virallinen valinta käytetyn teknologian ja sijoituspaikan suhteen tehdään ensi vuoden lopulla, mutta alustavien puheiden mukaan VTR olisi todennäköisesti natriumjäähdytteinen ydinreaktori Idahossa. Sen varsinaisesta suunnittelusta ja rakentamisesta vastaisi Bechtelin johtama konsortio jossa ovat mukana GE-Hitachi sekä TerraPower. Tällä saattaa olla joitain synergiaetuja aiemmin mainitun Natrium-reaktorin kaupallistamiseen, jota tekee sama konsortio samaan teknologiaan perustuen.

Uuden teknologian käyttöönotto vaatii panostuksia

Tässä kirjoituksessa kuvatut Yhdysvaltojen panostukset uusien ydinreaktorikonseptien käyttöönottoon alkavat olla sitä mittaluokkaa siitä mitä ensimmäiset markkinoille tulevat laitokset vaativat. Kyseessä on teollisuuspoliittinen päätös jolla pyritään tukemaan kansallista teollisuutta ilmastonmuutoksen hillinnän lisäksi. Varmaa mikään ei tietenkään ole, sillä projektit vaativat sekä tulevien hallintojen että yksityisten yritysten pitkäaikaista sitoumusta. Vastaavanlaisia panostuksia tehtäneen myös esimerkiksi Venäjällä ja Kiinassa, mutta siellä ydinenergiatoimijoiden ollessa valtiollisia yhtiöitä liikkuvat rahasummat eivät ole välttämättä niin selviä. Kanada puolestaan tarjoaa eri kehittäjille joustavaa lisensointiprosessia sekä testialuetta koereaktoreille.

Euroopassa kansallisia pienreaktoriprojekteja on Ranskassa sekä Briteissä. Ranskan koronaelvytyspakettiin suunnitellaan 470 miljoonan euron osuutta ydinvoimalle josta iso osa olisi kohdistettu ranskalaisen NuWard-pienreaktorin kehittämiseen. Briteissä keskustellaan mahdollisesti 1,5-2 miljardin punnan panostuksesta Rolls Roycen vetämän konsortion pienreaktorin kaupallistamiseen. Toisaalta EU-tasolla ei ole osattu päättää edes siitä onko ydinvoima osa kestävää tulevaisuutta.

Noita summia kun katsoo voi myös kysyä, miksi lähteä edes pohtimaan suomalaista kaukolämpöreaktoria, meillä tuskin koskaan kun olisi odotettavissa moisia panostuksia julkista rahaa aiheeseen. Yhtäältä kyse on eri ydinreaktoreiden kunnianhimosta, siinä missä kansainväliset laitokset joita on kuvattu yllä ovat järjestään lämpöteholtaan gigawattiluokassa ja vaativat materiaaleja joita nykyisissä laitoksissa ei ole (tai jopa suljettua polttoainekiertoa), eurooppalaiseen verkkoon sopiva kaukolämpöreaktorilaitos olisi lämpöteholtaan kymmenistä muutamaan sataan megawattiin, tuottaisi vain kuumaa vettä, ja voitaisiin tehdä nykyisin käytetyin materiaalein. Eli kyseessä olisi paljon yksinkertaisempi tapaus kuin yksikään kansainvälisistä reaktoreista. Kuvatut kansainväliset reaktorit eivät myöskään ole suunniteltuja kaukolämpökäyttöön, vaan pääasiassa sähkön tai korkean prosessilämmön tuotantoon. Kaukolämmön tuotantoa pidetään myös helposti niche-markkinana, joka ei niin suurten kansainvälisten toimijoiden huomion piirissä ole. Käynnissä olevalla suunnittelutyöllä voimme myös tuoda esille paikalliset tarpeet puhtaan energian tuotannolle, kun harvemmin muut sitä puolestamme tekevät.

Advertisement