Kärnkraftverksprojekt anses med all rätt vara stora, dyra och långsamma; dessa megaprojekt är enorma åtaganden som kräver nära samarbete mellan hundratals entreprenörer och tusentals individer.
Små modulära reaktorer (SMR) är på frammarsch – en klass av kärnreaktorer som lovar lägre kapitalkrav, snabbare driftsättning, användning av fabriksprefabricering, kompakt anläggningsstorlek, inneboende säkerhetsfunktioner och förbättrad lastföljningsförmåga. Regeringar, NGO:er och företag har lyft fram SMR som en avgörande energikälla för att driva och avkarbonisera vårt samhälle. Därför har SMR varit mycket synliga i rubriker och i bredare medier. Det är dock viktigt att klargöra att även om SMR diskuteras enhälligt, varierar deras design avsevärt. Så låt oss ta en titt på SMR-landskapet som består av över 100 unika SMR-designer.
SMR av generation III kontra generation IV: Vad är skillnaden?
Gen III:
- Lättvattenreaktorer (LWR):
LWR använder vatten (H2O) som kylmedel och moderator. Gen III LWR SMR syftar till enklare driftsättning, modulär konstruktion, förbättrad säkerhet och förbättrad styrbarhet med ökade lastföljningsförmågor. Kort sagt är designen liknande, nedskalad och förenklad jämfört med nuvarande konventionella större kärnkraftverk, vilket gör licensiering, konstruktion och drift mer okomplicerad. Bränslet är det allmänt använda låganrikade uranet (LEU), och primärkretsens temperaturer varierar från 300°C till 350°C med typiska tryck från 7-16MPa. Det finns dock reaktorer som endast producerar värme och som arbetar vid mycket lägre temperaturer och tryck, såsom LDR-50, som arbetar vid ca 150°C och <10 bar (<1MPa).
Fördelar: Beprövad och mogen teknik, minskad regulatorisk risk, operatörer är bekanta med tekniken, leveranskedjorna är väletablerade, och bränsle finns tillgängligt från flera olika leverantörer.
Nackdelar: Användningsområden begränsade av temperatur (el-, ång- och varmvattenproduktion), höga tryck orsakar mekanisk stress och kräver tyngre inneslutningsstrukturer, reaktorer som endast producerar värme kan inte producera el på grund av låg verkningsgrad.
Gen IV:
- Högtemperatur gaskylda reaktorer (HTGR)
HTGR använder vanligtvis uran som bränsle, grafit som moderator och helium som kylmedel, vilket är ursprunget till namnet Gaskyld. Dessa reaktorer kan nå betydligt högre driftstemperaturer på 700°C-900°C, vilket är idealiskt för industriell värme.
Fördelar: Höga driftstemperaturer möjliggör bättre effektivitet vid elproduktion och högtemperaturindustriella värmeapplikationer.
Nackdelar: Reaktordesignen kräver avancerade material för att hantera höga temperaturer, jämförelsevis låg global driftserfarenhet leder till långa licensieringsprocesser, begränsad tillgång till bränslen (TRISO), storleksmässigt är de större än andra SMR (grafit är en sämre moderator jämfört med t.ex. lättvatten), och stora värmeväxlare behövs eftersom gas är ett mindre effektivt värmeöverföringsmedium än vätskor.
- Smältsaltreaktorer (MSR)
MSR:er använder smälta salter som kylmedel. Reaktorn kan vara antingen en förbränningsreaktor eller en bridreaktor, vilket möjliggör användning av torium som bränslekälla utöver uran. Driftstemperaturen är under 700°C, men vissa koncept siktar på högre temperaturer.
Fördelar: Ett antal reaktorkonstruktionsfunktioner, såsom låga drifttryck, ger inneboende passiva säkerhetsfunktioner. Utöver uran kan MSR:er även använda torium som bränslekälla, vilket minskar spridningsriskerna och möjliggör användning av annars underutnyttjade toriumreserver.
Nackdelar: Smälta salter är mycket korrosiva, vilket ökar med temperaturen, reaktorkemin är mycket komplex, och begränsad driftserfarenhet förlänger licensieringsprocessen. Bränslecykeln för torium är underutvecklad jämfört med uran, vilket leder till en märkbar brist på kapacitet för toriumkärnbränslen.
- Flytande metallreaktorer (LMR)
LMR:er använder flytande metaller, såsom bly eller natrium, som kylmedel. LMR:er kan anpassas för att vara bridreaktorer. Reaktorn arbetar vid höga temperaturer; natrium vid 500°C-550°C och bly vid 480°C-800°C.
Fördelar: Hög värmeledningsförmåga möjliggör kompakta konstruktioner med goda termiska marginaler, tryck nära atmosfärstryck minskar riskerna för tryckrelaterade fel, snabbt neutronspektrum möjliggör bridning av bränsle, och höga driftstemperaturer möjliggör bättre effektivitet vid elproduktion och industriella värmeapplikationer med hög temperatur.
Nackdelar: Kemisk reaktivitet och komplexitet (natrium), materialutmaningar (bly och natrium är korrosiva vid höga temperaturer), begränsad tillgång på bränslen (HALEU), begränsad långsiktig driftserfarenhet och förlängda licensieringsprocesser, samt långa utvecklingstider.
Generation IV International Forum (GIF) inkluderar även Superkritisk vattenkyld reaktor (SCWR) som en Gen IV-design. I SCWR värms och trycksätts vatten över sin kritiska punkt (374°C, 22.1MPa) vilket möjliggör högre effektivitet vid elproduktion, dock innebär högre tryck också högre belastning och krav på material och komponenter.
SMR:er bortom el – Välkommen kärnvärmen
Gen IV-reaktorer har högre drifttemperaturer, vilket möjliggör vätgasproduktion via högtemperaturelektrolys eller termokemiska cykler, samt industriell processvärme och ånga för stål-, cement-, kemi- och petroleumindustrin.
Gen III-reaktorer, å andra sidan, kan på grund av lägre temperaturer användas för fjärrvärme, avsaltning av havsvatten via avdunstning, och industriell processånga för användningsområden med lägre temperaturer: såsom livsmedels- och dryckesindustrin, massa- och pappersindustrin samt läkemedelsapplikationer.
Långväga transport av värme är dock ekonomiskt utmanande, vilket gör att det blir nödvändigt att bygga kärnkraftverket nära värmeförbrukningen. SMR:s minskade fotavtryck, förbättrade säkerhetsfunktioner och ett förnyat regelverk gör det mer genomförbart än tidigare att placera ett kärnkraftverk närmare efterfrågan. Som sådana har SMR:er avsevärt förbättrat potentialen att utnyttja energin i kärnbränslet, såsom värme som nuvarande konventionella stora kärnkraftverk slösar bort genom att enbart fokusera på elproduktion.
Realistiska tidslinjer
Generellt sett är Gen III-konstruktioner mer mogna, tack vare befintlig utbredd användning och erfarenhet, och kommer därför sannolikt att implementeras först för kommersiellt bruk. Gen IV-konstruktioner utvecklas och demonstreras dock, vilket oundvikligen kommer att leda till kommersiell användning i svårdekarboniserade tillämpningar. Även om vattenkylda reaktorer är mycket vanligare, är det viktigt att inse att Gen IV-kylmedel (gas, smälta salter och flytande metaller) har forskats på sedan kärnforskningens tidiga dagar från mitten av 1940-talet in på 50- och 60-talet. Faktum är dock att kärnenergiindustrin är mycket konventionell och riskavert på grund av de potentiella konsekvenserna om arbetet inte utförs korrekt. Av den anledningen är reglering en av de största bidragsgivarna till de ökande kraven på säkerhet och icke-spridning. Eftersom Gen IV-konstruktioner för närvarande saknar en liknande utbredd användning som vattenkylda reaktorer drar nytta av, är det mycket troligt att tillsynsmyndigheter kommer att lägga ytterligare tonvikt på att certifiera och kontrollera design, leverantörer, konstruktion och drift av sådana kärnkraftverk som använder flera olika First-of-a-Kind-teknologier tillsammans.
Dessutom kan bränsletillgången vara ett problem för vissa konstruktioner, då den nuvarande marknadstillgången för HALEU- och TRISO-bränslen är något begränsad. Att investera i att öka produktionen av dessa bränsletillgångar kräver säkerhet och tydlighet i marknadsförhållandena samt samarbete mellan bränsleleverantörer och bränsleanvändare. Många SMR-konstruktioner, såsom LDR-50, använder dock fortfarande samma standardiserade LEU-bränsle som nuvarande tryckvattenreaktorer använder, och är därmed inte begränsade av bränsletillgången.
FOAKs och pilotprojekt
En viktig förtydligande är att ett fåtal SMR:er redan existerar: en Gen III PWR, KLT-40S i Ryssland, och en Gen IV gaskyld HTR-PM i Kina. Dessutom finns det SMR-projekt under konstruktion, såsom en Gen III iPWR CAREEM-25 i Argentina, ACP100 (PWR) i Kina, BWRX-300 (BWR) i Kanada, och Gen IV demonstrationsreaktorer som BREST-OD-300 (blykyld LMR) i Ryssland, och Hermes (fluoridsaltkyld MSR) i USA. Dessutom uppfyller många forskningsreaktorer vid universitet och forskningsinstitutioner definitionen av en SMR, liksom reaktorerna inuti kärnkraftsdrivna fartyg som ubåtar och hangarfartyg.
Vissa kärnteknikstartups, som Steady Energy och Blykalla, har beslutat att bygga en icke-nukleär pilotanläggning för att validera sina simuleringar och testa kritiska komponenter och säkerhetssystem i full skala. De data som erhålls från pilottesterna kommer att användas för att validera systemkoder som APROS, vilka modellerar referensanläggningen, så att olycks- och andra beteendeanalyser som utförs av modellerna är trovärdiga och korrekt fångade. Dessutom kräver byggandet av en pilotanläggning redan betydande expertis inom projekt- och leverantörshantering, och kan som sådan ge viktiga lärdomar inför ett FOAK-anläggningsprojekt.
I Steady Energys fall kommer LDR-e pilotprojektet att byggas i den nedlagda turbinhallen Salmisaari B i Helsingfors, Finland. LDR-e är ett fullskaligt reaktorkärl som ersätter kärnreaktorn med en kraftfull elektrisk värmare, vilken värmer upp vattnet inuti reaktorkärlet som är nödvändigt för att utföra de planerade testerna.
Slutsatser: SMR:er och framtiden för ren energi
SMR:er definieras av sin mindre storlek, men det finns en betydande variation inom SMR-konstruktionerna; de varierar i uteffekt, temperatur, teknik och bränslecykel.
Tyvärr finns det ingen enskild SMR som kommer att lösa alla problem, därför är det logiskt att välja den bäst lämpade lösningen bland de över 100 SMR-konstruktionerna för varje specifik fråga, vare sig det gäller högtemperaturindustriell värmeavkarbonisering, lågtemperaturfjärrvärmeavkarbonisering, eller elproduktionsavkarbonisering och nätflexibilitetstjänster. Därför är det mer än troligt att vi kommer att se flera olika SMR:er i bruk under de kommande decennierna.
Nuvarande trender indikerar att utvalda SMR:er kommer att byggas, drivas och kommersiellt antas i flottor. Att uppnå denna framtid kommer att kräva samarbete mellan alla intressenter.