Pelastavatko pikkureaktorit maailman? – Energiauutiset 1/2017

Ohessa Energiauutiset 1/2017 -lehdessä julkaistu artikkelini pienten ydinreaktoreiden mahdollisuuksista ja esteistä. 

Suuret ydinvoimahankkeet ovat osoittautuneet ongelmallisiksi länsimaissa. Poliittinen ilmapiiri on epävarma, regulaatio tiukkaa ja rakentamisosaaminen unohdettu. Lyhytnäköisyyteen kannustavan bisnesajattelun ja taloudellisen epävarmuuden vuoksi suurten investointien aikataulu on myös liian pitkä. Ratkaisua haetaan nyt pienistä sarjatuotantoon soveltuvista reaktorimalleista.

Ydinvoimalaitosten rakentaminen länsimaissa on hiipimassa. Samalla tuuli- ja -aurinkovoimaa rakennetaan entistä enemmän, mutta vain niin kauan kuin yhteiskunta pumppaa niiden rakentamiseen yhteistä rahaa. Tapahtunut kehitys ei kuitenkaan ole vähentänyt länsimaiden tuottamia hiilidioksidipäästöjä niin nopeasti kuin niiden pitäisi vähentyä.

Tähän mennessä saavutetut päästövähenemät johtuvat suureksi osaksi taloudellisesta taantumasta, teollisuuden siirtymisestä muihin maihin tai molempien yhteisvaikutuksesta. Energiapolitiikalla taas ohjataan jotain, mikä ei poliittista ohjausta kaipaa – lähinnä päästökauppasektoria. Joissain maissa – kuten Ranskassa, Ruotsissa ja Sveitsissä – jo kerran puhdistettua sähköverkkoa yritetään samaan aikaan puhdistaa uudestaan. Panoksiatuhlataan paikallaan junnaamiseen.

Teollisuus ja nestepolttoaineet?

Kukaan ei tunnu tietävän, mitä teollisuuden lämmöntuotannon ja liikennepolttoaineiden päästöille pitäisi oikeasti tehdä. Tarjotut keinot ovat kokoluokkaa liian pieniä tai hitaita. Tärkein esille nousseista keinoista – CCS eli hiilen talteenotto ja varastointi – on osoittautumassa flopiksi.

CCS:n lisäksi kehitteillä on kuitenkin eräs vähemmän huomiota saanut teknologia. Joukko ihmisiä, energiayhtiöitä ja tutkimuslaitoksia ovat kehitelleet voimalaitoskonseptia, joka vastaisi suureen osaan nyt käsillä olevista haasteista. Sarjatuotantoon perustuvista moduuleista koottavat pienet ydinreaktorit (SMR, Small Modular Reactor) on sateenvarjonimitys hyvin erilaiselle joukolle reaktorimalleja, joita yhdistää suhteellisen pieni koko – niiden sähköteho on yleensä 20-300 megawattia.

Pieniä ydinreaktoreita on käytetty sukellusveneissä, lentotukialuksissa ja tutkimusreaktoreina vuosikausia. Itse asiassa nykyiset painevesireaktorit (joihin myös kiehutusvesireaktorit pohjaavat) suunniteltiin alun perin ydinsukellusveneen voimanlähteeksi.

Erilaisia pikkureaktoreita on suunnitteilla kymmeniä eri puolella maailmaa. Osa niistä perustuu koeteltuun kevytvesi teknologiaan, osa puolestaan pohjautuu sulasuolaan (MSR, Molten Salt Reactor) ja osa natriumiin (esimerkiksi GE-Hitachin PRISM). Osa voi käyttää polttoaineenaan nykyisissäkin reaktoreissa käytettyä 3-5 prosenttiin väkevöityä uraania, osa köyhdytettyä uraania, osa plutoniumia ja osa jopa toriumia.

Reaktoreita liukuhihnalla?

Vaikka pienreaktoreihin sopivia teknisiä ratkaisuja on useita, SMR-reaktoreita yhdistää se, että niistä pyritään tekemään sarjatuotantoon soveltuvia tehdasvalmisteita ja/tai moduuleista koottavia. Reaktorissa itsessään ei päästä nauttimaan suuren mittakaavan tuomista eduista, mutta vastaavia etuja voidaan tavoitella sarjatuotannolla.

Pienreaktoreiden sarjatuotannon mahdollisuudet asettavat myös ilmastonmuutoksen hillitsemisen ja energiajärjestelmän puhdistamisen aivan uuteen valoon. Liukuhihnalla tuotteita valmistuu aivan eri tahtia kuin käsin paikan päällä rakentamalla. Esimerkiksi Boeing -toinen maailman suurista lentokonevalmistajista – valmisti vuonna 2015 noin kaksi lentokonetta (joista pienimmät 737-mallisia) joka päivä, siis yli 700 lentokonetta vuodessa. Tällä hetkellä suuria ydinvoimalaitoksia on maailmalla rakenteilla noin 70 kappaletta – vuosittain niitä valmistuu jokunen kymmenen. Pieniä reaktoreita voisi valmistaa tehtaissa vuosittain jopa satoja.

Mutkia matkassa

Ongelmiakin tietysti on. Molemmat juttua varten haastateltujen, uusia reaktorimalleja kehittävien yhtiöiden edustajat pitivät suurimpana uhkana yhteiskunnan hyväksyntää, tai oikeammin hyväksynnän puutetta. Jos yhteiskunta jatkaa ydinvoiman pelkäämistä ja kauhistelua, on tiedossa ongelmia, viivästymisiä, poliittisia riskejä ja ylimääräisiä kustannuksia. Tämä koskee nykyisin käytössä olevaa ydinvoimateknologiaa, mutta myös kehittyneempää reaktoriteknologiaa. Ilmastonmuutoksen hillitsemisen tärkeyden vuoksi tilanne on kuitenkin muuttumassa.

Uusien reaktorimallien lupaprosessi on myös suuri haaste. Ydinvoimaloiden rakentamiseen liittyvät lupajärjestelmät eri maissa ovat kuin osittain päällekkäin ommeltu tilkkutäkki, jossa yksi viranomainen vaatii sitä ja toinen tätä ja kolmas jotain muuta, vaikka kaikki johtaa lopulta lähes samaan lopputulokseen. Tämä tekee lupaprosessista kallista ja työlästä. Erot ydinvoimarakentamiseen liittyvissä kansallisissa määräyksissä myös vaikeuttavat sarjatuotantoa, jonka pyrkimyksenä olisi valmistaa ennen kaikkea melko standardeja tuotteita. Yksi ratkaisu olisi yhtenäistää kansalliset määräykset ja siirtyä lentokoneteollisuuden omaksumaan tyyppihyväksyntään. Toisaalta Euroopassa on niin fundamentalistisen ydinvoimavastaisia maita – esimerkiksi Saksa ja Itävalta – joita on vaikea nähdä hyväksymässä mitään ydinvoiman rakentamista helpottavia sopimuksia Euroopan Unionin sisällä. Ei, vaikka vaikka se olisi ilmastonmuutoksen torjumisen kannalta kuinka järkevää tahansa.

Suomessa nykylainsäädäntö estää käytännössä pienten reaktoreiden rakentamisen. Ydinvoimarakentamisen taustalla vaikuttava  Parlamentaarinen lupaprosessi on läpensä politisoitunut, riskialtis ja raskas. Sen läpikäyminen pienemmillä hankkeilla ei kannata. Lisäksi Suomalainen lupaprosessi on varsin joustamaton. Toisaalta rakennuslupaa voisi ehkä hakea jollekin maksimiteolle, jolloin laitos voitaisiin rakentaa useista pienistä reaktoreista – kenties joustavasti ja tarpeen mtai markkinatilanteen mukaisesti.

Vaihtoehtoisesti parlamentaarista lupaprosessia voisi keventää tai sen voisi poistaa pienempien reaktoreiden osalta tai jos rakentaja onvakiintunut toimija. Ydinvoima on kuitenkin ainoa energian tuotantomuoto, jonka rakentaminen edellyttää poliittista käsittelyä. Toisaalta ydinvoimalla toteutetusta ilmastonmuutoksen hillitsemisestä olisi syytä tehdä mahdollisimman tehokasta ja helppoa – ei mahdollisimman vaikeaa, kallista ja hidasta.

Kevytvesi on koeteltua teknologiaa pikkureaktoreissakin

Tällä hetkellä lähimpänä markkinoille pääsyä ovat pikkureaktorit, jotka eivät pyri muuttamaan teknologiaa liikaa liian nopeasti. Nykyisenkaltaiseen kevytvesiteknologiaan ja uraanipolttoaineeseen pohjautuva NuScale Power Module on näistä yksi. Teknologia on tuttua ja regulaatio eri maissa on pitkälti jo olemassa – samoin polttoaineketjut ja muu osaaminen. NuScale on juuri jättänyt reaktorinsa mallihyväksyntähakemuksen Yhdysvaltojen ydinturvaviranomaiselle (NRC). Yhtiön ensimmäinen pilotti, kahdestatoista 50 megawatin reaktorista koostuva 600 megawatin voimala rakennetaan Idaho National Laboratories-tutkimuslaitoksen alueelle Yhdysvaltoihin 2026 mennessä.

NuScale soveltuu tehonsa puolesta (50 MW sähkötehoa per reaktori) pienempiinkin kohteisiin joko sähköntuotantoon, meriveden puhdistamiseen, kaukolämmön tuotantoon tai teollisen lämmön tuotantoon. Reaktoriyksiköitä voi yhteen voimalaitokseen lisätä yhteensä 12 kappaletta – yksi kerrallaan sitä mukaa, kun tarve kasvaa. Laitoksen laajentamisen mahdollisuus on tärkeää eritoten kehittyvissä maissa, missä sähkön kysyntä kasvaa, mutta missä valtavan voimalaitoksen rakentaminen kertarysäyksellä ei ole realistista. Kehittyneissä maissa reaktorilla taas voitaisiin korvata nykyisiä hiilivoimaloita sähkön ja lämmön tuotannossa.

Sulasuolalla korkeita lämpötiloja

Sulasuolareaktoreita (MSR, Molten Salt Reactor) on myös kehitelty. Vaikka sulasuolareaktoreita ei ole ollut käytössä vuosikymmeniin, on peruskonsepti testattu jo 1960-luvulla. Niillä on muutamia mielenkiintoisia ominaisuuksia kevytvesireaktoreihin verrattuna.

Kanadalainen Terrestrial Energy aikoo tuoda IMSR-reaktorinsa (Integral Molten Salt Reactor) markkinoille 2020-luvulla. Uuden reaktorityypin näin nopea ilmaantuminen markkinoille perustuu muutamaan uuteen oivallukseen. Yksi oivalluksista on se, että se käyttää tavallista uraanipolttoainetta (usein sulasuolan yhteydessä mainitun toriumin sijaan), joka on lisensoitu ja jonka toimitusketjut ovat valmiina. myös yksinkertaistaa polttoaineketjua ja karsii kustannuksia, sillä IMSR:n polttoaine välttää useimmat perinteisen polttoaineen tuotantoketjun 19:sta vaiheesta.

Toinen markkinoille tuloa nopeuttava seikka on se, että reaktori tehdään aluksi ei-hyötäväksi, kuten nykyisetkin reaktorit yleensä ovat. Hyötöreaktorin, joka siis pystyy valmistamaan ydinpolttoainetta toriumista tai uraanin yleisemmästä U238 -isotoopista, luvittaminen ja regulaatio vaatisi länsimaissa vuosien, ellei vuosikymmenien työn. Lisäksi nykyisillä uraanin hinnoilla hyötämisestä ei ole suurta etua. Tätä työtä tullaan varmasti tekemään taustalla, mutta ilmastonmuutoksen hillitsemisen näkökulmasta tarvitaan nopeampia liikkeitä.

IMSR-reaktorin kenties mielenkiintoisin piirre on mahdollisuus tuottaa korkeita, yli 600 celsiusasteen lämpötiloja erilaisten teollisuusprosessien käyttöön, jotka nykyisin tuotetaan pääosin polttamalla kivihiiltä tai maakaasua. Lisäksi sillä voidaan tuottaa vetyä tavallista elektrolyysiä tehokkaammin niin sanotulla korkean lämpötilan höyry-elektrolyysillä (HTSE, High Temperature Steam Electrolysis). Tämä parantaa reaktorilla tuotetusta vedystä tehtyjen synteettisten polttoaineiden ja muiden kemikaalien hintakilpailukykyä. Nykyisin lähes kaikki käytetty vety irrotetaan fossiilisista polttoaineista.

Korkea lämpötila, sulasuola ja intensiivinen neutronipommitus ovat olleet tiukka paikka materiaalien kestävyyden kannalta. Terrestrial Energyn IMSR ratkaisee ongelman nerokkaasti: sen reaktoriastia on suunniteltu helposti vaihdettavaksi, ja reaktoriastiaa on tarkoitus käyttää vain noin seitsemän vuotta. Tällöin materiaalivaatimukset ovat paljon vaatimattomammat kuin 40 tai 60 vuotta käytössä olevalla reaktoriastialla. Tämäkin helpottaa markkinoille tuloa, sillä uusien materiaalien kehittäminen ja testaaminen on aikaa vievää ja kallista. Voimalaitoksessa on useita telakoita reaktoriastioille, ja kun astian seitsemän vuoden käyttöikä tulee täyteen, se ajetaan alas ja seuraavaan telakkaan tuodaan uusi. Kun ensimmäinen reaktoriastia on rauhassa jäähtynyt telakassaan pari vuotta, se voidaan nostaa pois ja kuljettaa jatkokäsittelyyn.

Ottaako Kiina johtoaseman kehittyneessä ydinvoimassa?

Länsimaiden hankkeiden lisäksi Kiinassa on kehitteillä useita kehittyneitä reaktorimalleja. Lähimpänä on saksalaiseen suunnitteluun perustuva helium-jäähdytteinen korkean lämpötilan kuulakekoreaktori, jonka kahdesta 105 megawatin reaktorista koostuva prototyyppi valmistuu 2018 mennessä. Kiina suunnittelee korvaavansa kyseisellä reaktorilla nykyisiä ylikriittisiä hiilivoimaloitaan, jolloin iso osa hiilivoimalan laitteistosta voidaan hyödyntää uudessa voimalaitoksessa. Laitostyyppi on tarkoitus tuoda myös kansainvälisille markkinoille 2020-luvun vaihteessa. Kiinalaiset ovat myös antaneet painevesiteknologiaan perustuvan ACP 100 -pikkureaktorinsa kansainvälisen IAEA:n alustavaan arviointiin.

Näiden lisäksi Kiina kehittää toriumilla toimivaa sulasuolareaktoria yhdessä Yhdysvaltojen Oak Ridge tutkimuslaitoksen kanssa, ja esimerkiksi Bill Gatesin rahoittama TerraPower on alkanut kehittää traveling-wave reaktoriaan yhdessä Kiinalaisten kanssa. Kiinan kehittyneen ydinvoiman ohjelmaan kuuluu myös natrium-jäähdytteinen nopea reaktori. Kaikki näistä ei välttämättä mahdu pikkureaktoreiden sarjaan, mutta kuvaavat ydinenergian ympärillä olevaa voimakasta kehitystä.

****

Haastattelin juttuun Terrestrial Energyn Canon Bryania ja NuScalen Lenka Kollaria. Ohessa vielä heidän näkemyksensä reaktoreidensa mahdollisuuksista ja uhista.

Canon Bryan – Haasteet eivät ole teknisiä tai taloudellisia

Canon Bryan – Terrestrial Energy

Kehittyneen, uuden sukupolven ydinvoiman haasteet eivät ole niinkään teknisiä tai edes taloudellisia, vaan periytyvät yhteiskunnan yleisestä suhtautumisesta ydinvoimaan. Tätä suhtautumista on jo vuosikymmeniä murentanut yksipuolinen, ydinvoimavastainen retoriikka ja aktivismi, toteaa Terrestrial Energyn Canon Bryan.

– On virkistävää nähdä, että muutaman viime vuoden aikana ympäristöaktivistit ovat alkaneet nostaa ydinvoimaa esille positiivisessa valossa, yhtenä erittäin potentiaalisena ratkaisuna ilmastonmuutoksen hillintään.

Ja tätä potentiaalia on paljon. Terrestrial Energyn IMSR -reaktori on todennäköisesti maailman ensimmäinen puhdasta, korkealaatuista teollisuuslämpöä moniin eri kohteisiin tarjoava kaupallinen reaktori. Alustavien arvioiden mukaan sillä voidaan tuottaa ilmasta ja vedestä synteettisiä, hiilineutraaleja nestepolttoaineita vertailukelpoisin kustannuksin raakaöljypohjaisiin polttoaineisiin verrattuna.

Reaktorilla on myös omaa luokkaansa oleva hyötysuhde johtuen sen korkeasta käyttölämpötilasta, ja se tarjoaa erittäin mielenkiintoisia mahdollisuuksia joustavaan sähkön ja kaukolämmön tai meriveden puhdistamisen yhteistuotantoon.

Lenka Kollar – Politiikka on suurin este

Lenka Kollar – NuScale

NuScalen ja muiden ydinvoimateknologioiden suurin este on poliittinen. Politiikka ohjaa regulaatiota ja yleinen mielipide ohjaa politiikkaa.

– Tästä syystä otamme kaikki yhteistyötahomme, mukaan lukien tavalliset ihmiset, mukaan prosessin joka vaiheessa. Olemme huomanneet, että kun ihmiset ymmärtävät kehittämämme teknologian mullistavan luonteen, he myös tajuavat miten paljon hyötyjä on saavutettavissa, jos otamme kehittämämme ydinteknologian käyttöön, toteaa NuScalen Lenka Kollar.

Uutta ydinvoimateknologiaa kehittävien yhtiöiden haasteena on luoda yhteys maailmanlaajuisesti yhteisöihin, joilla on ydinvoimavastaisia näkemyksiä ja pelkoja. Usein vastustus ja pelot perustuvat tiedon puutteeseen.

– Olen eniten innoissani mahdollisuudestamme viedä puhdasta energiaa ja vettä niille, jotka sitä eniten tarvitsevat. NuScalen teknologia on joustavaa ja skaalautuvaa, joten sillä voidaan vastata moniin tarpeisiin sähkön, kaukolämmön, veden puhdistamisen ja teollisen lämmön tuotannossa, Kollar sanoo.

– Kehittyneet maat ovat kiinnostuneita korvaamaan hiilivoimaloita puhtaalla energiantuotannolla. Kehittyvät maat puolestaan tarvitsevat energiaa modernisoidakseen yhteiskuntaansa ja elinkeinojaan, ja NuScale voi tarjota tätä energiaa, kohtuullisella kustannuksella.

***
Edit: superkriittinen korjattu ylikriittiseksi.