Pieni modulaarinen ydinreaktori

Pieni modulaarinen ydinreaktori on sähköteholtaan tyypillisesti alle 300 megawatin reaktori, joka voidaan rakentaa tehtaassa lähes valmiiksi ja kuljettaa kokonaisena moduulina sijoituspaikalle. Siitä käytetään lyhennettä SMR (). Tehdasvalmistuksella tavoitellaan halvempia rakentamiskustannuksia ja lyhyempää rakennusaikaa. Sähkön lisäksi SMR:llä voitaisiin tuottaa kaukolämpöä, vetyä ja prosessilämpöä teollisuudelle sekä poistaa merivedestä suolaa ja tuottaa juomavettä.

SMR-reaktorikonsepteja on useita erilaisia. Joulukuussa 2019 Venäjällä käynnistettiin kelluva ydinvoimalaitos Akademik Lomonosov. Rosatomin mukaan se on maailman ensimmäinen sähköä tuottava SMR. Argentiinassa ja Kiinassa on rakenteilla SMR-laitoksia. Vuoden 2017 lopussa Helsingissä, Espoossa, Kirkkonummella ja Nurmijärvellä tehtiin valtuustoaloitteet, joissa vaadittiin selvitystä sähkön ja kaukolämmön tuotannosta paikallisesti SMR:llä fossiilisten polttoaineiden korvaamiseksi.

Pienten reaktorien mahdollisia etuja 
Pieniä modulaarisia reaktoreita voitaisiin rakentaa sarjatuotantona tehtaissa ja kuljettaa työmaalle asennusvalmiina. Sarjatuotanto voisi alentaa rakennuskustannuksia ja nopeuttaa rakentamista.

Suuret, yli tuhannen megawatin ydinvoimalat maksavat 8–10 miljardia euroa. Pienreaktorin hinta voisi olla noin miljardin. Siten taloudelliset riskit sijoittajille olisivat paljon pienemmät ja rahoituksen hankkiminen helpompaa. Samalle laitospaikalle voitaisiin rakentaa monta samanlaista pientä reaktoria yksi kerrallaan. Ensimmäisten reaktorien tuotoilla voitaisiin rahoittaa seuraavien reaktorien rakentamista.

Monella teollisuuden alalla tarvitaan useiden satojen asteiden lämpötiloja, jotka tuotetaan yleensä fossiilisilla polttoaineilla. Osa SMR-konsepteista toimii niin korkeassa lämpötilassa, että niiden tuottamalla lämmöllä voitaisiin korvata fossiilisia polttoaineita prosessilämmön tuotannossa. Korkean lämpötilan reaktoreilla voitaisiin tuottaa myös vetyä. Osa SMR-konsepteista taas on suunniteltu tuottamaan pelkkää kaukolämpöä. Tällainen reaktori voi toimia matalassa lämpötilassa ja paineessa, mikä voisi alentaa sen rakentamiskustannuksia ja parantaa turvallisuutta.

Kaikki ydinreaktorit tuottavat vielä ketjureaktion pysäyttämisen jälkeen jälkilämpöä, joka täytyy poistaa reaktorista, jotta polttoaine ei pääse ylikuumenemaan. Suurissa reaktoreissa jälkilämmön poisto hoidetaan yleensä sähköllä toimivilla jäähdytysvesipumpuilla. Pienessä reaktorissa jälkilämpöteho on pienempi, joten niihin on helpompi suunnitella passiivisia jäähdytysjärjestelmiä, joilla jälkilämpö saadaan poistettua reaktorista, vaikka sähkövirtaa ei olisi käytössä. Näin SMR:t voidaan ainakin teoriassa suunnitella yksinkertaisemmiksi ja turvallisemmiksi kuin suuret reaktorit. Lisäksi pienessä reaktorissa on vähemmän radioaktiivisia aineita kuin suuressa. Sen takia mahdollisessa onnettomuustilanteessa päästöt ympäristöön voisivat jäädä pienemmiksi.

Reaktorien suojaamiseksi ulkoisilta uhilta, kuten lentokoneen törmäykseltä, on suunniteltu niiden sijoittamista maan alle. Pienet reaktorit tarvitsevat pienemmän suojarakennuksen, joten niitä voi olla helpompi rakentaa maan alle kuin suuria reaktoreita.

Jos SMR:t pystytään suunnittelemaan turvallisemmiksi kuin suuret reaktorit, niitä voitaisiin rakentaa lähemmäksi suuria kaupunkeja. Sijoitus lähelle kaupunkia helpottaisi kaukolämmön tuotantoa ydinvoimalla, koska tarvittaisiin lyhyemmät putket lämmön siirtämiseksi kuluttajille. Pienten voimaloiden yksi etu on myös niiden soveltuvuus heikkoihin sähköverkkoihin esimerkiksi kehitysmaissa tai syrjäisillä alueilla.

Käyttöiän lopussa voimalaitos täytyy purkaa. Pienen modulaarisen laitoksen purkaminen voi olla helpompaa ja halvempaa kuin suuren laitoksen.

Pienten reaktorien haasteita 
SMR:iä ei ole vielä kaupallisesti saatavilla. Sen takia ei ole varmaa, pystytäänkö niitä rakentamaan halvemmalla kuin suuria reaktoreita. Suuret reaktorit hyötyvät ns. suuruuden ekonomiasta. SMR:t pyrkivät korvaamaan sen sarjatuotannon eduilla. Sarjatuotantoa varten samanlaisia reaktoreita pitäisi kuitenkin rakentaa yhdessä tehtaassa useita kymmeniä. On epävarmaa, löytyykö maailmasta tarpeeksi tilaajia millekään SMR-reaktorityypille.

Ydinvoimaloiden turvallisuusvaatimukset on kirjoitettu perinteisille suurille reaktoreille. Nykyiset turvallisuusvaatimukset eivät välttämättä suoraan sovellu SMR:lle. Samoin lupahakemusten käsittelyprosessi on suunniteltu reaktoreille, joita rakennetaan yksi kerrallaan, eikä se välttämättä sovellu sarjatuotantona rakennettaville reaktoreille. Syksyllä 2019 työ- ja elinkeinoministeriö käynnisti hankkeen ydinenergialain kehittämiseksi. Sen yhteydessä lakia tarkastellaan myös pienreaktoreiden kannalta. Syksyllä 2020 Säteilyturvakeskus aloitti ydinturvallisuusvaatimusten uudistuksen. Uusien vaatimusten on tarkoitus olla teknologianeutraaleja, mikä mahdollistaisi SMR:ien luvittamisen joustavammin.

Kaukolämmön tuotantoa varten reaktorit pitäisi rakentaa lähelle kaupunkeja. Tämä voi olla vaikeaa poliittisen hyväksyttävyyden kannalta, vaikka pystyttäisiinkin todistamaan suuria reaktoreita parempi turvallisuustaso. Pelkkää kaukolämpöä tuottava reaktori kannattaisi mitoittaa niin, että se voisi toimia täydellä teholla myös kesällä, kun kaukolämmön kulutus on vähäisempää. Toinen vaihtoehto olisi kesällä tuotetun lämmön varastointi talvea varten. Reaktorin pysäyttäminen kesäksi kasvattaisi kustannuksia.

SMR:t tuottavat ydinjätettä suunnilleen saman verran kuin nykyiset suuret reaktorit suhteessa tuotetun energian määrään. Siten ydinjätteen loppusijoitus on haaste pienille reaktoreille samalla tavalla kuin suurillekin.

Toiminnassa olevia SMR-laitoksia

Kelluva ydinvoimala KLT-40S 

KLT-40S on venäläinen SMR, jonka sähköteho on 35 megawattia. Kelluva ydinvoimala Akademik Lomonosov sisältää kaksi KLT-40S-reaktoria. Koko laitos rakennettiin telakalla ja hinattiin sijoituspaikalle Pevekiin Siperiaan. Se aloitti sähköntuotannon joulukuussa 2019. Venäjä hakee SMR:stä energiaratkaisua syrjäisiin kohteisiin esimerkiksi Siperiassa tai öljynporauslautoilla. KLT-40S käyttää jäähdytteenä tavallista vettä. Siinä on sekä aktiivisia että passiivisia turvallisuusjärjestelmiä.

Kuulakekoreaktori HTR-PM 

HTR-PM on kuulakekoreaktori, joka käyttää jäähdytteenä heliumia ja neutronien hidastimena grafiittia. Reaktori toimii korkeassa lämpötilassa. Helium-jäähdyte kuumenee 750 °C:een ja sekundääripiirin höyry 566 °C:een. Korkean lämpötilan ansiosta voidaan saavuttaa 40 prosentin hyötysuhde. Grafiittikuulien sisällä oleva polttoaine kestää korkeampia lämpötiloja kuin perinteisten reaktorien zirkonium-suojakuoressa oleva polttoaine. Tämän on tarkoitus parantaa turvallisuutta. Kiinan Shandongissa on toiminnassa kaksi HTR-PM-reaktoria, jotka pyörittävät yhteistä turbiinia. Laitos tuottaa sähköä 210 megawattia. Rakennustyöt aloitettiin joulukuussa 2012, ja sähköntuotanto alkoi joulukuussa 2021.

SMR-reaktorikonsepteja

CAREM 
CAREM-reaktori on sähköteholtaan 27 megawatin SMR, joka on rakenteilla Argentiinassa. CAREM käyttää jäähdytteenä tavallista vettä, mutta siinä ei ole erillistä primääripiiriä, vaan höyrystimet ja paineistin ovat reaktorin paineastian sisällä. Tämän ansiosta jäähdytysvesivuoto on epätodennäköisempi kuin perinteisissä suurissa reaktoreissa. Reaktorin turvallisuusjärjestelmät perustuvat kokonaan passiivisiin ratkaisuihin. CAREM-prototyypin rakennustyöt käynnistyivät Buenos Airesin maakunnassa vuonna 2014, mutta työt on keskeytetty useita kertoja. Vuonna 2021 solmitun sopimuksen mukaan reaktorin pitäisi valmistua vuonna 2024.

ACP100 
ACP100 on kiinalainen pienreaktorityyppi, joka perustuu painevesireaktoritekniikkaan. Reaktorista käytetään myös nimeä Linglong One. Reaktorin on suunnitellut Nuclear Power Institute of China. ACP100 tuottaa 125 megawattia sähköä. Samaan tapaan kuin CAREM-reaktorissa, ACP100:n primääripiirin tärkeimmät osat on sijoitettu paineastian sisään. Reaktorin turvallisuus perustuu passiivisiin ratkaisuihin, ja se rakennetaan maan alle. Ensimmäisen ACP100-reaktorin rakentaminen alkoi heinäkuussa 2021 Changjiangin voimalaitosalueella Hainanin maakunnassa Kiinassa, ja sen omistaa China National Nuclear Power.

NuScale 

NuScale on Yhdysvalloissa kehitetty vesijäähdytteinen SMR. Yksi NuScale-moduuli tuottaisi 50 megawattia sähköä. Tällaisia moduuleja voidaan asentaa enintään 12 kappaletta samaan rakennukseen. Samaan tapaan kuin CAREM-reaktorissa, NuScalessakaan ei ole erillistä primääripiiriä, vaan höyrystimet ja paineistin ovat reaktorin paineastian sisällä. Reaktorin turvallisuusjärjestelmät perustuvat kokonaan passiivisiin ratkaisuihin. Yhdysvaltain ydinturvallisuusviranomainen myönsi NuScale-reaktorille tyyppihyväksynnän syyskuussa 2020.

BWRX-300 
BWRX-300 on GE Hitachin kehittämä pienreaktorityyppi, joka perustuu suuremman ESBWR-kiehutusvesireaktorin tekniikkaan. Reaktorin sähköteho on 300 megawattia, ja sen turvallisuus perustuu passiivisiin ratkaisuihin. Sähköyhtiö Ontario Power Generation haki lokakuussa 2022 rakentamislupaa BWRX-300-reaktorille Darlingtoniin Kanadan Ontarioon. Helmikuussa 2023 virolainen yhtiö Fermi Energia valitsi BWRX-300-reaktorin rakennettavaksi Viron ensimmäiseen ydinvoimalaan 2030-luvulla.

SMART 
SMART (System-integrated Modular Advanced Reactor) on korealaisten suunnittelema, sähköteholtaan 100 megawatin reaktori. Samaan tapaan kuin CAREM- ja NuScale-reaktoreissa, SMARTissakaan ei ole erillistä primääripiiriä, vaan höyrystimet ja paineistin ovat reaktorin paineastian sisällä. Reaktorin turvallisuusjärjestelmät perustuvat passiivisiin ratkaisuihin. Etelä-Korean ydinturvallisuusviranomainen hyväksyi SMART-reaktorin suunnitelmat vuonna 2012, mutta yhtään reaktoria ei ole rakennettu.

Suomalaiset SMR-hankkeet

LDR-50 
Teknologian tutkimuskeskus VTT:n tutkimushanke tähtää siihen, että kokonaisen pienen ydinreaktorin rakentaminen alusta loppuun Suomessa tulisi mahdolliseksi. VTT:n konseptissa lämpöteholtaan 50 megawatin laitos tuottaisi kaukolämpöverkkoon noin sata-asteista vettä, mikä riittäisi parinkymmenentuhannen asunnon lämmittämiseen. Reaktorin leveys olisi noin neljä ja korkeus kymmenen metriä, ja se olisi sijoitettu suojaan maan alle. Voimalasta syntyisi vuodessa noin 1 500 kiloa ydinjätettä. Voimala maksaisi 150–200 miljoonaa euroa.

Reaktorityypin nimi tulee sanoista Low-temperature District heating Reactor. Reaktori hyödyntää tavallista painevesireaktorien teknologiaa, mutta se toimii tavanomaista matalammassa lämpötilassa ja alle kymmenen barin paineessa. Matala paine ja lämpötila yksinkertaistavat reaktorin suunnittelua ja valmistusta. Koska reaktori ei tuota sähköä, se ei tarvitse turbiinia eikä generaattoria. Lämpö siirretään reaktorista kaukolämpöverkkoon kahden lämmönvaihtimen kautta. Samaan laitokseen voidaan sijoittaa yksi tai useampi reaktori.

Reaktorin turvallisuustoiminnot perustuvat passiivisiin, ilman sähköä toimiviin ratkaisuihin. Reaktori sijoitetaan suunnilleen pystyyn nostetun linja-auton kokoiseen suoja-astiaan, joka on upotettu vesialtaaseen. Häiriötilanteessa reaktorissa syntyvä lämpö siirtyy vesialtaaseen ilman sähkötoimisia pumppuja tai venttiilejä.

Reaktorin kehitys käynnistyi keväällä 2020. Tammikuussa 2023 kehitys siirtyi konseptivaiheesta perussuunnitteluun. Tavoitteena on saada ensimmäinen demonstraatiolaitos valmiiksi vuonna 2030.

Reaktori olisi mahdollista valmistaa kokonaan Suomessa. Laitoksessa tarvittavaa luonnonuraania olisi mahdollista saada Talvivaarasta, mutta valmis polttoaine jouduttaisiin hankkimaan esimerkiksi Ruotsista.

Useita pienydinvoimalahankkeita on käynnissä maailmalla. VTT:n hankkeen kehittäjät uskovat kuitenkin löytäneensä voimalalleen markkinaraon, sillä vain harva suunnitelluista SMR-voimaloista on suunniteltu pelkästään lämmöntuotantoon. Esimerkiksi Suomessa on 20−30 kaupunkia, joissa VTT:n suunnittelemaa reaktoria voitaisiin käyttää, yhdestä neljään kappaletta kussakin. Lisäksi reaktorilla olisi markkinoita ulkomailla Itämeren ympäristössä ja Baltian maissa, joissa on pienet asukasmäärät ja valmiit kaukolämpöverkot, joihin olisi helppo liittyä.

Suomalainen startup-yritys Steady Energy on kerännyt VTT:ltä ja pääomasijoittajilta kahden miljoonan euron rahoituksen LDR-50-voimalaitosten kehittämiseen ja rakentamiseen.

MMR 
Yhdysvaltalainen Ultra Safe Nuclear Corporation suunnittelee mikrokokoista MMR (Micro Modular Reactor) reaktoria. Se on heliumjäähdytteinen ja grafiittihidasteinen reaktori, jonka lämpöteho on 15 megawattia ja sähköteho 5 megawattia. Reaktorin polttoaine on pieninä hiukkasina, jotka on pakattu piikarbidin sisään. Polttoaineen rikastusaste on tavallista reaktoria korkeampi 19,75 prosenttia. Reaktorin polttoaine vaihdetaan uuteen vasta 20 vuoden käytön jälkeen. Reaktoria jäähdytetään heliumilla, josta lämpö siirretään sekundääripiirissä kiertävään sulaan suolaan, joka kuumenee korkeaan 560 celsiusasteen lämpötilaan. Reaktori on suunniteltu tuottamaan sähköä syrjäisiin paikkoihin, joita ei ole kytketty laajempaan sähköverkkoon. Se voi tuottaa myös lämpöä teollisuusprosesseihin tai vedyn tuotantoon. Reaktorin turvallisuus perustuu passiivisiin ratkaisuihin, jotka eivät tarvitse sähköä eivätkä liikkuvia osia.

MMR on ydinturvallisuusviranomaisen arvioitavana Kanadassa. Joulukuussa 2022 LUT-yliopisto ja Ultra Safe Nuclear Corporation allekirjoittivat yhteisymmärrysmuistion yhteistyöstä MMR-reaktorin suunnittelussa. Lappeenrantaan aiotaan rakentaa MMR-reaktori tutkimus- ja koulutuskäyttöön. Reaktori tuottaisi kaukolämpöä.

Lähteet 

Ydinreaktorityypit