Suomalainen kaukolämpöreaktori – osa 4

Jaakko Leppänen – 24.1.2023

Suomalaisen LDR-50 -kaukolämpöreaktorin tarina etenee. Reaktoria kehittävä VTT teki vuodenvaihteen tienoilla päätöksen investoida hankkeeseen viisi miljoonaa euroa vuosina 2023–2024. Asiasta kerrottiin viime viikon tiistaina julkaistussa lehdistötiedotteessa. Valmista ydinreaktoria ei tällä rahalla vielä saa, mutta lisäinvestointi mahdollistaa kehitykseen suunnattujen resurssien moninkertaistamisen. Reaktorin suunnittelutiimin koko kasvaa reippaasti, ja työtä laajennetaan myös VTT:n ulkopuolelle.

Tämän blogin edellisessä kirjoituksessa kerrottiin laajemmin Suomessa meneillään olevista pienreaktorihankkeista. VTT:n LDR-50 on yksi näistä. Reaktoria on käsitelty myös aikaisemmissa blogikirjoituksissa (osa 1, osa 2, osa 3). Tässä kirjoituksessa käydään läpi hankkeen jatkosuunnitelmia, sekä yritetään maalata kuvaa siitä, miltä suomalainen ydinkaukolämpölaitos voisi ihan konkreettisesti näyttää.

Kehityksen kolme vaihetta

Uusien teknologioiden kehityksessä pitkään kestävät suunnitteluhankkeet jaetaan tavallisesti kolmeen vaiheeseen: konseptisuunnittelu, perussuunnittelu sekä toteutussuunnittelu. Terminologia ja rajanveto eri vaiheiden välillä voivat vaihdella tapauskohtaisesti, mutta taustalla oleva ajatus on, että alkuperäisen innovaation pohjalta teknologiaa lähdetään kehittämään vaihe kerrallaan eteenpäin. Kehityksen edetessä työ laajenee ja suunnitelmat täsmentyvät. Ydinenergiahankkeissa merkittävässä roolissa on myös luvitus, joka varsinaisen teknisen suunnittelun tapaan on monivaiheinen ja paljon aikaa vievä prosessi.

VTT:n kaukolämpöreaktorihankkeen ensimmäinen vaihe käynnistyi keväällä 2020. Suunnittelun tavoitteeksi otettiin Suomen tarpeisiin räätälöity pienreaktori, joka suurimpien kaupunkien lisäksi voisi palvella myös pienempien kuntien kaukolämpöverkkoja. Suomen lisäksi kaukolämpö on yleinen lämmitysmuoto Ruotsissa, Baltian maissa sekä itäisessä Euroopassa, missä kiinnostus ydinvoimaa kohtaan on laajemminkin kasvussa. Perinteisistä ydinvoimalaitoksista poiketen reaktori suunniteltiin tuottamaan ainoastaan lämpöä, eli prosessiin ei kuulu minkäänlaista turbiinikiertoa tai sähköä tuottavaa generaattoria.

Kehitykselle asetettiin jo hankkeen alkuvaiheessa joukko tavoitteita. Teknologiariskien pienentämiseksi reaktorin suunnittelussa haluttiin hyödyntää mahdollisimman yksinkertaista ja hyvin tunnettua tekniikkaa. Esimerkiksi polttoainekierto suunniteltiin yhteensopivaksi suomalaisen ydinjätteen loppusijoitusratkaisun kanssa.

Yksinkertaisuus näkyy myös reaktorin rakenteessa. Primääriseen jäähdytyskiertoon ei kuulu lainkaan sähkötoimisia pumppuja, vaan vesi kiertää reaktoriastian sisällä lämpötilaeron vaikutuksesta. Myös turvallisuussuunnittelussa hyödynnetään sähköstä, automaatiosta ja ohjaajien toiminnasta riippumatonta passiivista teknologiaa.

Suunnittelua helpottavat osaltaan reaktorin vaatimattomat toimintaolosuhteet. Kuuma vesi syötetään kaukolämpöverkkoon alle 120°C lämpötilassa, minkä vuoksi myös reaktorin käyttölämpötila on paljon tavanomaista matalampi. Tämä vaikuttaa ratkaisevasti reaktorin paineistukseen. Sähköntuotantokäyttöön suunniteltu EPR-reaktori Olkiluodossa toimii 155 baarin paineessa. Kaukolämpöreaktorin käyttöpaine on korkeimmillaankin alle kymmenesosa tästä.

Matalampi käyttöpaine näkyy esimerkiksi reaktorin paineastioiden seinämävahvuuksissa. Polttoainetta ja muita ydinteknisiä osia lukuun ottamatta reaktorin komponentit suunnitellaan siten, että ne voitaisiin valmistaa kotimaisissa konepajoissa.

Suunnittelun ensimmäisen vaiheen tuloksena syntyi kaukolämpöreaktorin peruskonsepti, joka oli laskennallisin analyysein todettu turvalliseksi ja toimivaksi. Teknologia sai nimilyhenteen LDR, joka tulee sanoista ”Low-temperature District heating Reactor”.i Konseptisuunnitteluvaiheen kuluessa keskusteluja jatkokehityksestä käytiin erilaisten sidosryhmien, kuten ydinenergia-alan toimijoiden, lämpöenergian loppukäyttäjien sekä valmistavan teollisuuden yritysten kanssa.

VTT:n lisäinvestoinnin myötä työ etenee konseptitasolta perussuunnittelun vaiheeseen. Kehitys laajenee reaktorista ja siihen kytkeytyneistä järjestelmistä ulospäin, kattaen esimerkiksi lämmityslaitoksen rakennesuunnittelun sekä reaktorin päivittäiseen käyttöön ja määräaikaishuoltoihin liittyvät toiminnot ja apujärjestelmät. Kaksivuotisen hankkeen päätteeksi suunnitteluaineisto alkaa olla sisällöllisesti riittävän kattava luvitusprosessin käynnistämiseksi. Laskennallisten analyysien tueksi tarvitaan myös termohydraulisia kokeita, joiden suunnittelu ja valmistelu ovat osa hankkeen sisältöä.

Merkittävä osa suunnittelutyöstä tullaan tekemään yhdessä ulkopuolisten partnerien kanssa. Tästä yhteenliittymästä muodostetaan itsenäinen kehitysyhtiö, jonka vastuulle teknologia siirtyy viimeistään kehityskaaren kolmannessa, eli toteutussuunnittelun vaiheessa. Luvitusprosessi ja teknisen suunnittelun viimeistely kestävät vielä tämän jälkeen useita vuosia. Ensimmäinen demonstraatiolaitos voisi valmistua vuosikymmenen vaihteessa, minkä jälkeen teknologia valmistellaan kaupalliseen sarjatuotantoon.

3D-visualisointi suunnittelun tukena

Aikaisemmissa VTT:n kaukolämpöreaktoria käsittelevissä blogikirjoituksissa on esitelty reaktorin perustoimintoja sekä suunnitteluun käytettyjä laskennallisia menetelmiä. Viihdeteollisuuden maalaamista mielikuvista poiketen numeeristen analyysien parissa työskentelevät insinöörit eivät tavallisesti pyörittele näytöllään kauniita 3D-malleja, jotka kertovat käyttäjälle reaaliaikaisesti ja selväsanaisesti systeemin tilan. Käyttöliittymä voi pohjata esimerkiksi vuokaavioihin, taulukoihin tai jopa pelkkiin tekstitiedostoihin, ja simulaation tuottamat tulokset pitää erikseen prosessoida graafiseen muotoon.ii

Realistiset CAD-pohjaiset 3D-mallit voivat kuitenkin helpottaa huomattavasti suunnittelutyötä jo varhaisessa vaiheessa luomalla visuaalisen mielikuvan siitä, miltä eri järjestelmien komponentit näyttävät, ja miten hyvin ne esimerkiksi muotonsa ja kokonsa puolesta sopivat käytettävissä olevaan tilaan. Tällaisten mallien luomiseen on olemassa tehokkaita työkaluja, joilla voidaan suhteellisen pienellä vaivalla tuottaa lähes fotorealistisia kuvia.

Myös tähän visuaaliseen puoleen on VTT:n kaukolämpöreaktorin suunnittelussa kiinnitetty viime vuosina enemmän huomiota. Seuraavassa esitellään muutamia konseptisuunnitteluvaiheen kuluessa syntyneitä 3D-malleja. Graafinen esitystapa on kiinnostanut myös mediaa.

Reaktorin polttoaine

Edellä todettiin, että reaktorin polttoainekierto on suunniteltu yhteensopivaksi suomalaisen ydinjätteen loppusijoitusratkaisun kanssa. LDR-50 toimii saman tyyppisellä matalasti väkevöidyllä uraanipolttoaineella kuin Olkiluodon uusi EPR-laitos. Polttoaineena käytettävä uraanioksidi on pieninä pelletteinä tiiviiden metallisten suojakuoriputkien sisällä. Näitä polttoainesauvoja on koottu yhteen polttoainenippuun 264 kappaletta. Reaktoriin ladatut niput muodostavat reaktorin aktiivisen osan, eli sydämen. Polttoaineniput ovat rakenteeltaan muuten samanlaisia kuin EPR:ssä, mutta niiden korkeus on lyhennetty noin neljästä metristä reiluun metriin. EPR:ssä polttoainenippuja on yhteensä 241 kappaletta, LDR-50:ssä 37.

Kuva 1: LDR-50 reaktorin polttoainenippu. Kuvaan on piirretty jakkara antamaan käsitystä mittakaavasta.

Kuva 2: Uraanipolttoaine koostuu pienistä pelleteistä, jotka on suljettu metallikuoristen kaasutiiviiden polttoainesauvojen sisälle.

Reaktorimoduuli

Reaktorin rakennetta ja passiivista jäähdytyskiertoa käsiteltiin yksityiskohtaisemmin vajaan kahden vuoden takaisessa blogikirjoituksessa, josta löytyy myös muutama toimintaperiaatetta havainnollistava kuva. Reaktoriyksikön dimensiot ovat suunnittelun edetessä muuttuneet melkoisesti, esimerkiksi käyttölämpötilan optimoinnin myötä. Moduulin korkeudesta on lähtenyt lähes kymmenen metriä pois.

Perusrakenne on kuitenkin säilynyt samana. Reaktorimoduuli koostuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta, jotka on upotettu lämpönieluna toimivaan suureen vesialtaaseen. Normaalissa toimintatilassa lämpö siirtyy reaktoriastian sisältä lämmönvaihtimien kautta välipiiriin, ja sieltä edelleen kaukolämpöverkkoon. Reaktori toimii tässä tilassa ikään kuin lämpöä eristävän termospullon sisällä, eli lämpöhäviöt altaaseen jäävät pieniksi.

Aktiivisen jäähdytyskierron häiriintyessä lämpötila reaktoriastian sisällä alkaa nousta, mikä käynnistää passiivisen lämmönsiirron altaaseen. Jäähdytys perustuu sisemmän reaktori- ja ulomman suoja-astian välisessä tilassa olevan veden kiehumiseen ja höyryn lauhtumiseen. Järjestelmään ei kuulu lainkaan pumppuja, venttiileitä tai muitakaan mekaanisia liikkuvia osia.

Kuva 3: Reaktorimoduuli muodostuu kahdesta sisäkkäisestä paineastiasta: sisemmästä reaktoriastiasta ja ulommasta suoja-astiasta. Koottuna moduuli on kooltaan noin pystyyn nostetun bussin kokoinen.

Kuva 4: Reaktorimoduuli upotettuna lämpönieluna toimivaan vesialtaaseen. Häiriötilanteessa reaktorin sydämessä muodostuva lämpö siirtyy passiivisesti altaan veteen.

Kuva 5: Reaktoriin ladataan uutta polttoainetta noin kahden vuoden välein. Käyttöikänsä päähän tulleet polttoaineniput siirretään samaan vesialtaaseen sijoitettuun telineeseen jäähtymään. Voimakkaasti radioaktiivinen käytetty polttoaine loistaa vedessä sinistä Tšerenkovin säteilyä.

Ydinkaukolämpölaitos

Yksittäisen LDR-50 -reaktorimoduulin lämpöteho on 50 megawattia, mikä riittää pienempien kaukolämpöverkkojen tarpeisiin. Teknologia on kuitenkin suunniteltu modulaariseksi siten, että lämmityslaitos voi koostua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä. Tuotanto saadaan näin skaalattua palvelemaan myös suurempia verkkoja. Kahdesta, neljästä tai kuudesta LDR-50 -reaktoriyksiköstä muodostuva laitos vastaisi kapasiteetiltaan tyypillistä nykyisin käytössä olevaa kaukolämpölaitosta.

Yleisestä käsityksestä poiketen pienreaktorilaitokset eivät ole fyysiseltä kooltaan erityisen pieniä, vaan pienuus liittyy enemmän reaktoriyksikön kokoon. Ydinkaukolämpölaitos kaikkine järjestelmineen vaatii sijoituspaikakseen pientä tai keskikokoista teollisuuslaitosta vastaavan tontin.

LDR-50 -lämmityslaitoksen rakennesuunnittelu kuuluu varsinaisesti vuodenvaihteessa käynnistyneeseen perussuunnittelun vaiheeseen. Laitoksen kokoa ja ulkoasua on kuitenkin hahmoteltu jo konseptivaiheessa. Reunaehtoina on käytetty reaktorialtaan mittoja, sekä arvioita laitoksen muiden järjestelmien vaatimasta tilasta. Havainnekuvia on tehty useammasta laitosversiosta.

Kuva 6: Kahdesta LDR-50 -reaktoriyksiköstä muodostuva kaukolämpölaitos. Reaktoriyksiköiden vesialtaat on sijoitettu suuren betonirakennuksen sisälle maanpinnan tason alapuolelle. Laitoksen muut järjestelmät sijaitsevat reaktorirakennuksen vieressä olevassa apurakennuksessa, sekä näiden välissä olevassa maanalaisessa tilassa. Paremman käsityksen laitoksen mittasuhteista saa mallin pohjalta laaditusta videosta.

Kuva 7: Tuoreemmassa havainnekuvasarjassa reaktorirakennus muodostuu esivalmistetuista betonikaarista. Tässä laitosversiossa reaktoriyksiköitä on neljä. Myös tästä laitosmallista on tehty rakennetta selventävä video.

Sijoitus maan alle

Molemmissa edellisissä laitoskonfiguraatioissa reaktoriyksiköt on sijoitettu maan päällä olevan reaktorirakennuksen sisälle. Reaktorit voitaisiin kuitenkin sijoittaa myös maan alle louhittuun kallioluolaan, tai käytöstä poistettuun varastosiiloon.

Maanalaisen sijoituksen etuna on erityisesti luontainen suoja ulkoisia uhkia, kuten lentokonetörmäyksiä vastaan. Maan pinnalle rakennetussa laitoksessa vastaava suojaus edellyttää paksuja betoniseiniä. Rakentaminen voitaisiin toteuttaa myös siten, että reaktoriyksiköt ja niihin suoraan kytkeytyvät järjestelmät sijoitetaan maan alle, ja muut toiminnot maanpäällisiin tiloihin.

Kuva 8: Havainnekuva laitosmallista, jossa edellisen kuvasarjan reaktorirakennus on sijoitettu maan alle louhittuun tunneliin.

Kuva 9: Tässä sijoitusvaihtoehdossa kolme reaktoriyksikköä on asennettu pyöreään kalliosiiloon. Kuvista on jätetty pois mm. reaktoriyksiköille yhteinen latauskone, joka sijoittuisi keskellä olevan korokkeen päälle.

Ydinkaukolämpö kiinnostaa

Ajatus uuden, puhtaasti lämmöntuotantoon tarkoitetun ydinreaktorin kehityksestä saattaa tuntua erikoiselta, mutta vähäpäästöiselle lämmölle on tulevaisuudessa hyvinkin konkreettinen tarve.iii Rakennemuutokset liikenne-, teollisuus- ja lämmityssektoreilla tulevat joka tapauksessa kasvattamaan sähkön kokonaiskulutusta huomattavasti, joten sähköstä riippumattomien rinnakkaisten ratkaisujen kehitys on varsin hyvin perusteltavissa. Lämmitykseen käytettäviä fossiilisia polttoaineita voidaan ensi alkuun korvata bioenergialla, mutta myös biomassalle löytyy tulevaisuudessa paljon muutakin käyttöä.

Ydinenergian käyttö lämpöenergian tuotantoon tavallaan vapauttaa sähköä ja raaka-aineita arvokkaampiin käyttökohteisiin, joissa keinovalikoima on jo lähtökohtaisesti rajallisempi. Kyse on myös huoltovarmuudesta. Ydinkaukolämmön kustannukset eivät riipu pörssisähkön hintavaihteluista, minkä lisäksi tuotannon luotettavuutta lisää se, että reaktoreiden polttoainetta voidaan varastoida laitospaikalle vuosien tarpeiksi.

Myös lämpöenergian loppukäyttäjät ovat heränneet ydinkaukolämmön mahdollisuuksiin. VTT ja LUT-yliopisto tekivät Lappeenrannan kaupungin ja 11 energiayhtiön tilauksesta aihetta käsittelevän selvityksen syksyllä 2022.iv Projekti toteutettiin osittain haastattelututkimuksena, jossa kartoitettiin kunnallisten kaukolämpöyhtiöiden tarpeita, sekä näkemyksiä vuosikymmenen vaihteen paikkeille sijoittuvista energiaratkaisuista. Osallistumisaktiivisuus yllätti myös tutkimuksen tekijät.

Ydinenergia nähtiin kustannusten ja ympäristövaikutusten osalta houkuttelevaksi vaihtoehdoksi, joka bioenergian ja lämpöpumppujen rinnalla lisäisi myös tuotannon monimuotoisuutta. Haasteiksi katsottiin kokemuksen puute sekä teknologiaan liittyvät epävarmuudet. Suomessa ydinenergiantuotanto on perinteisesti ollut Fortumin ja TVO:n kaltaisten suurten energiayhtiöiden toimintaa, joka edellyttää alan erityisosaamista. Kaukolämmöntuotantoon parhaiten soveltuva reaktoriteknologia vaatii yksinkertaisuudestaan huolimatta vielä vuosien kehitystyön.

Suomalaisesta kaukolämpöreaktorista voisi 2030-luvulla tulla paitsi merkittävä ratkaisu kotimaisen lämmöntuotannon kasvihuonekaasupäästöjen leikkaamiseen, myös arvokas vientituote. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi teknologian ja liiketoimintamallien kehittämiseen sekä viranomaistyöhön on kuitenkin kohdistettava mittavia panostuksia. VTT:n tekemä viiden miljoonan euron lisäinvestointi on yksi näistä.

Viime viikolla julkaistiin myös Imatran, Kuopion, Lappeenrannan, Porin ja Tampereen kaupunkien energiayhtiöiden allekirjoittama, tulevalle hallitukselle osoitettu julkilausuma, jossa toivottiin valtiovallan tukea ydinkaukolämmön käyttöönoton edistämiseksi. Konkreettisiksi keinoiksi ehdotettiin pilottihankkeen rahoittamista, kansallista pienydinvoimastrategiaa, sekä pienydinvoimaloita koskevan lainsäädännön uudistamista.v Aiheesta on kirjoitettu pitkä juttu myös YLE:n uutisiin.


i) Nimilyhenteen D-kirjain voi viitata myös termiin ”Desalination”, joka tarkoittaa makean juoma- ja/tai kasteluveden valmistusta suolaisesta merivedestä. Reaktorin käyttölämpötila soveltuu sellaisenaan tiettyihin suolanpoistoon käytettyihin prosesseihin.

ii) Poikkeuksena tähän ovat CAD-pohjaisia 3D-malleja hyödyntävät ohjelmistot, joita käytetään esimerkiksi lujuus- ja virtauslaskennassa. Tällöinkään laskenta ei tapahdu reaaliaikaisesti käyttäjän käännellessä mallia näytöllä.

iii) Ajatus ydinenergian käytöstä kaukolämmöntuotantoon ei sinänsä ole uusi, sillä aihe oli pinnalla öljykriisien jälkeisenä aikana 1970-1980 -luvuilla. Historiallista näkökulmaa on sivuttu myös ydinkaukolämpöä yleisemmin käsittelevässä blogikirjoituksessa reilun neljän vuoden takaa. Ruotsalais-suomalaista SECURE-hankkeesta on kirjoitettu esimerkiksi Suomen Atomiteknillisen Seuran ATS Ydintekniikka -lehden numeroissa 2/2012 ja 3/2012.

iv) Työn tilaajina olivat Lappeenrannan Energia Oy, Lahti Energia Oy, Tampereen sähkölaitos Oy, Oulun Energia Oy, Kuopion Energia Oy, Alva Oy (Jyväskylä), Pori Energia Oy, Imatran Lämpö Oy, Rauman Energia Oy, Fortum Power and Heat, Helen Oy, sekä Lappeenrannan Kaupunki.

v) Nykyinen ydinenergialainsäädäntö ei estä pienreaktoreiden rakentamista, mutta viranomaisvaatimukset eivät myöskään huomioi kaikkia uuden teknologian etuja ja erityispiirteitä. Tätä aihetta on sivuttu myös edellisessä blogikirjoituksessa.

Advertisement

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggaajaa tykkää tästä: