Maailmalla on käynnissä kymmeniä pienydinvoimalahankkeita, jotka tähtäävät
aikataulu- ja kustannushyötyjä tuovaan sarjavalmistukseen. Sähkön lisäksi
pienydinvoimalat voivat tuottaa lämpöä, mikä kiinnostaa Suomessa.
Kuuntele artikkeli
VIIMEISIMMÄN COP28-ilmastokokouksen yhteydessä 30 ydinvoimaa tuottavaa maata päätti kolminkertaistaa ydinvoimakapasiteettinsa vuoteen 2050 mennessä. Poliittisen päätöksen toteuttaminen käytännössä edellyttää, että isojen laitosten rinnalle ja sijaan rakennetaan paljon pieniä ydinreaktoreita.
Teollisten valmistusmenetelmien ja materiaaliteknologian kehityksen myötä pienet ydinreaktorit kiinnostavat nyt ennennäkemättömän paljon. Niitä mietitään niin fossiilisia polttoaineita käyttävien voimalaitosten tilalle kuin säätövoimaksi tuuli- ja aurinkosähkön rinnalle.
Ydinvoimalan hyötysuhde on noin yhden suhde kolmeen, ja reaktorin lämmöstä saadaan siis samassa suhteessa sähköä. Nyrkkisäännön mukaan pienreaktorin lämpöteho jää alle 1 000 megawattiin ja sähköteho alle 300 megawattiin.
Samaan laitokseen voidaan asentaa rinnakkain useita vaikkapa 50 megawatin yksiköitä. Yhden reaktorin vuosihuolto tai polttoaineenvaihto ei tällöin lopeta kaikkea tuotantoa.
ENSIMMÄISET pienydinvoimalat ovat jo toiminnassa Venäjällä ja Kiinassa. Argentiinassa sellaista rakennetaan ja Kanadassa käsitellään Ontarioon suunnitellun voimalan rakentamislupaa.
Äskettäin julkaistun konsulttiyhtiö Ernst & Youngin raportin mukaan eri puolilla maailmaa on käynnissä noin 90 pienydinvoimalahanketta.
Konsulttiyhtiö ennustaa, että vuoteen 2050 mennessä globaalisti voisi toimia 400–700 pienydinvoimalaa. Niistä runsaat puolet rakennettaisiin teollisuuden prosessilämpöä, vedyn tuotantoa tai kaukolämpötuotantoa varten. Loppuosa tuottaisi pelkästään puhdasta sähköä.
LUT-yliopiston ydinvoimatekniikan professori Juhani Hyvärinen pitää ennustetta realistisena – ja mullistavana.
– Ydinvoimala oman tontin nurkalla olisi isoille tuotantolaitoksille ilmasto- ja ympäristömielessä tehokkain tapa varmistaa energiansaanti.
KEHITTEILLÄ on monenlaisia pienreaktoreiden teknologiakonsepteja.
Toiminnallisesti yleisin ja teknologisesti kypsin konsepti on kevytvesireaktori, joka on Suomessa tuttu isoista ydinvoimaloista. Sen lisäksi kaavaillaan muun muassa sulasuolareaktoreita, metallijäähdytteisiä reaktoreita ja kaasujäähdytteisiä reaktoreita.
– Kevytvesireaktori voi tuottaa noin 300-asteista höyryä, joka soveltuu sähkön ja lämmön yhteistuotantoon. Sitä kuumempaa höyryä tarvitaan muun muassa kemianteollisuuden prosesseissa, viileämpi 120-asteinen vesi puolestaan riittää esimerkiksi kaukolämpötuotantoon, Hyvärinen selittää.
Vain sähköä tuottavissa ydinvoimaloissa lämpimän veden aikaansaama vesihöyry ohjataan pyörittämään turbiineja ja tuottamaan sähköä. Korkea lämpö ja kovat paineet asettavat teknologialle tiukkoja vaatimuksia, mutta prosessin hyötysuhde jää noin 33 prosenttiin.
Reaktorien aikaansaamaa sähköä voidaan hyödyntää osana hajautettujen tuotantojen pienverkkoja ja vaikkapa vedyn tuottamiseen. Lisäksi pienydinvoimalat vahvistavat inertiaa, joka auttaa sähköverkkoa vastustamaan nopeita taajuuden muutoksia.
JOS YDINREAKTORILLA tuotetaan sähkön lisäksi lämpöä, yhteistuotannon
hyötysuhde nousee yli 90 prosenttiin. Samaan yltävät myös pelkästään kaukolämpöä tuottavat reaktorit, joiden tuottama lämpö voidaan kokonaisuudessaan myydä.
Koska kaukolämpöverkoissa kiertää maksimissaan 120-asteinen vesi, sen tuottamiseksi ydinreaktorin sisälle tarvitaan 150-asteista vettä. Perinteiseen kevytvesireaktoriin – joka toimii 300 asteen lämpötilassa – verrattuna tämä vähentää merkittävästi reaktorin käyttöpainetta ja edelleen paineastioiden seinävahvuuksia sekä laitostekniikkaa.
”Nyrkkisäännön mukaan pienreaktorin lämpöteho jää alle 1 000 megawattiin ja sähköteho alle 300 megawattiin.
Samalla yksinkertaisempi teknologia riittää vaaditun turvallisuustason saavuttamiseen ja monipuolistaa laitoksen sijoituspaikan mahdollisuuksia.
Hyvärisen arvion mukaan alkuvaiheessa yksi kaukolämpötuotantoon
tarkoitettu 50 megawatin pienydinvoimayksikkö maksaisi 75–100 miljoonaa euroa. Siitä ehkä vain viidennes aiheutuisi ydinteknisistä ratkaisuista.
Pienreaktoreiden rakennusajaksi ilmoitetaan usein 2–3 vuotta, käyttöajaksi 50–60 vuotta.
PIENTEN YDINREAKTOREIDEN houkuttelevuus perustuu pitkälti niiden rakentamisen edullisuuteen. Avainasioiksi nousevat monistettavuus, skaalautuvuus, standardoinnit ja tyyppihyväksynnät – ylipäätään koko konseptin kaupallistaminen.
Laitoksia kaavaillaan koottaviksi tehdasvalmisteisista moduuleista paikan päällä. Tehtailla voitaisiin valmistaa sarjatuotantona voimantuotantomoduuleita, kompakteja kokonaisuuksia yhden säiliön sisällä ja jopa kokonaisia voimalaitoksia.
Tavoitteena onkin kehittää kohtuullisen yksinkertaisia laitoksia. Siksi suurin osa suunnitelluista pienydinvoimaloista perustuu olemassa oleviin teknologioihin, esimerkiksi Suomessakin käytettyihin painevesi- ja kiehutusvesiteknologioihin. Tarvittavia painelaitteita, putkistoja ja turbiineja osataan varmasti valmistaa.
– Tunnettuja ja hyväksi havaittuja ratkaisuja yksinkertaistetaan prosessiteknisesti ja rakenteellisesti, pienennetään ja paketoidaan sarjatuotantoon sopiviksi, Hyvärinen kiteyttää.
Toteutuksen edullisuutta edistää myös isoja ydinvoimaloita suurempi vapaus sijoituspaikan suhteen. Suojakuoreen pakattu kompakti kokonaisuus pienentää ydinvoimalaitoksilta vaaditun suojavyöhykkeen suuruutta.
KAUPALLISTAMISEN suurimmat haasteet pienreaktoreissa koskevat laitetuotannon luotettavuutta ja toiminnan turvallisuutta. Sovitusta toteutusaikataulusta ei saisi lipsua. Homma helpottuisi alusta alkaen, jos teknologiat saataisiin tyyppihyväksynnän piiriin. Tällöin jo kertaalleen aiemmin tai muualla tyyppihyväksytty pienreaktori voitaisiin hyväksyä sellaisenaan käyttöön myös muualla.
Ydinturvallisuus tarkoittaa muun muassa laitoksen toimintaa sekä ydinpolttoaineen hallintaa ja laitoksen sijaintia. Vaikka pienissäkään ydinreaktoreissa ei voi tinkiä turvallisuudesta, lähtökohdat sen toteuttamiselle ovat helpommat kuin suurissa ydinvoimaloissa.
– Pienessä ydinreaktorissa on paljon helpompi luotettavasti toteuttaa kaikki tärkeät turvallisuustoiminnot. Tämä tarkoittaa esimerkiksi enemmän fysiikkaan perustuvia passiivisia ominaisuuksia kuin sähköä vaativia aktiivisia komponentteja, Hyvärinen huomauttaa.
– Alle 100 megawatin ydinreaktori on mahdollista toteuttaa passiiviseen turvallisuuteen perustuvana. Jos lämmin pääsee nousemaan ylös ja kylmä valumaan alas, saadaan reaktori jäähdytettyä ilman sen suurempia toimenpiteitä tai laitteita.
SUOMESSA pienydinvoimaloiden kehitystyö keskittyy kahdelle taholle.
LUT-yliopisto on allekirjoittanut aiesopimuksen yhdysvaltalaisen Ultra Safe Nuclear Corporationin kanssa kaasujäähdytteisen reaktorin rakentamiseksi prosessiteollisuuden käyttöön. LUT-yliopiston reaktori pystyisi tuottamaan myös sähköä tai vetyä hyvällä hyötysuhteella.
Teknologian tutkimuskeskus VTT puolestaan on kehittänyt matalan lämpötilan pienydinreaktoria kaukolämpökäyttöön. VTT:n spin-off-yrityksenä kesällä 2023 syntynyt Steady Energy tähtää konseptin kaupallistamiseen ja myyntiin.
Mutta miksi Suomessa kannattaisi tuottaa kaukolämpöä pienreaktoreilla?
VTT:N TUTKIMUSPROFESSORI Jaakko Leppänen esittää kolme perussyytä ydinvoimapohjaiselle kaukolämpötuotannolle.
– Sähkönkäyttö ja siihen liittyvä kilpailu kasvavat huimasti. Pienydinvoimalat vähentäisivät sähkön tarvetta verrattuna lämpöpumppujen ja sähkökattiloiden kaltaisiin muihin pitkäaikaisiin lämmitysratkaisuihin.
Toinen syy pohjautuu päästöihin.
– Sähköntuotantomme on ydin-, vesi- ja tuulivoiman ansiosta jo pitkälti vähäpäästöistä tai päästötöntä. Sen sijaan vielä paljon fossiilisiin polttoaineisiin perustuva lämmöntuotanto aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä.
– Ydinenergian hyödyntäminen lämpöenergian tuotannossa sekä pienentäisi päästöjä että vapauttaisi raaka-aineina käytettyä puuta ja muuta biomassaa joko arvokkaampaan käyttöön tai lisäämään luonnon monimuotoisuutta.
”Sähköntuotantomme on ydin-, vesi- ja tuulivoiman ansiosta jo pitkälti vähäpäästöistä tai päästötöntä.
Leppänen muistuttaa myös, että lämpöä tuottavat pienydinvoimalat lisäävät huoltovarmuutta. Voimalat voivat sijaita lähellä kaukolämpöverkkoa, ja ydinpolttoainetta pystyy varastoimaan laitospaikoilla useiden vuosien tarpeiksi.
LDR (Low-temperature District heating Reactor) on nimilyhenteeltään VTT:n kehittelemä kaukolämpöreaktorin peruskonsepti, jonka suunnittelutyö käynnistyi keväällä 2020.
Työn tavoitteeksi asetettiin Suomen tarpeisiin räätälöity pienreaktori, joka suurimpien kaupunkien lisäksi voisi palvella myös pienempien kuntien kaukolämpöverkkoja ja joitakin teollisuusprosesseja.
Perinteisistä ydinvoimalaitoksista poiketen reaktori suunniteltiin tuottamaan vain lämpöä. Prosessissa ei tällöin tarvita turbiinikiertoa eikä sähköä tuottavaa generaattoria. Myös maamme lämpöverkot puoltavat ratkaisua.
– Jotta pienreaktori olisi kilpailukykyinen sekä sähkö- että lämmitysmarkkinalla, tarvittaisiin aika iso lämpöverkko. Esimerkiksi Suomessa sellaisia on vain muutama, Leppänen mainitsee.
– Lisäksi energia-alan trendinä on sähkön- ja lämmöntuotantojen erkaantuminen toisistaan, kun vanhat yhteistuotantolaitokset poistuvat käytöstä.
LDR-reaktorimoduulin lämpöteho on 50 megawattia, mikä riittää pienempien kaukolämpöverkkojen tarpeisiin. Koska pienydinvoimala voi koostua yhdestä tai useammasta itsenäisestä reaktoriyksiköstä, tuotanto saadaan skaalattua palvelemaan myös suurempia verkkoja.
Useasta reaktoriyksiköstä muodostuva laitos vastaisi kapasiteetiltaan tyypillistä nykyisin käytössä olevaa kaukolämpölaitosta.
KAUKOLÄMPÖREAKTORIHANKE etenee nyt Steady Energyn vetämänä.
Reaktorista ja siihen kytkeytyneistä järjestelmistä ollaan parhaillaan suuntautumassa muun muassa rakennesuunnitteluun sekä reaktorin päivittäiseen käyttöön ja määräaikaishuoltoihin liittyviin toimintoihin ja apujärjestelmiin.
VTT tekee Steady Energylle teknistä suunnittelua asiakastoimeksiantona. Steady Energy aikoo saada ensimmäisen kaupalliseen kaukolämpöön keskittyneen pienydinvoimalansa käyntiin vuoteen 2030 mennessä.
Lokakuussa 2023 Helen ja Steady Energy kertoivat tähtäävänsä ydinlämpötuotannon käynnistämiseen Suomessa. Sekä Helen että Kuopion Energia suunnittelevat useiden reaktoriyksiköiden hankkimista.
Jos suomalaiset onnistuvat kehittämään pienydinvoimaloista hyvän
tuotteen, sille saattaa avautua vientimahdollisuuksiakin. Kaukolämmön piirissä asuu Euroopassa noin 60 miljoonaa ihmistä lähinnä Pohjois- ja Itä-Euroopassa sekä Baltian maissa.
Taloudellisesti ja turvallisuudesta tinkimättä
Pienydinvoimaloiden yleistymistä ja konseptien kaupallistamista halutaan vauhdittaa uudistamalla kansainvälistä ja kansallista sääntelyä.
Vaikka pienydinvoimaloiden teknologiat ovat jo pitkällä, niiden toteuttaminen voi vielä tökkiä monesta syystä. Sääntely kun kehittyy aina hitaammin kuin teknologia.
Energiateollisuus ry:n asiantuntija Annina Alasaaren mukaan kansallisten ydinturvallisuusviranomaisten tulisi tehdä entistä enemmän yhteistyötä.
– Esimerkiksi eurooppalaisten ydinturvallisuusviranomaisten pitäisi harmonisoida ydinturvallisuuteen liittyviä vaatimuksia.
Alasaari toivoo myös tyyppihyväksyntää erilaisille laitoskonsepteille. Vasta sitten ne voisivat edetä sarjavalmistukseen ja yhteiselle markkinalle tuulivoimaloiden tapaan.
Hyvänä askeleena eteenpäin Alasaari mainitsee Euroopan komission käynnistämän European Industrial Alliance on Small Modular Reactors -hankkeen. Tässä allianssissa alan teollisuus ja yritykset voivat miettiä muun muassa toimitusketjujen ja osaamisen haasteita.
– Pienydinvoimaloiden toteuttamiseen tarvitaan monenlaista teknistä osaamista. Ilman tarvittavaa koulutusta osaajista tulee pula.
Suomen ydinvoimalainsäädäntö on tehty suuria yksittäisiä laitoksia varten ja alkuaan 40–50 vuotta sitten.
– Nykyiset luvituskäytännöt eivät kunnolla ota huomioon pienreaktoreiden erityispiirteitä, kuten kokoa ja passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Luvituksen jatkuminen ennallaan tekisi pienreaktoreista tarpeettoman monimutkaisia ja kalliita
ratkaisuja, arvioi VTT:n tutkimusprofessori Jaakko Leppänen.
Hallitus haluaa vauhdittaa ydinvoiman lisärakentamista valmistelemalla ydinenergialain kokonaisuudistusta. Uuden lain on määrä astua voimaan viimeistään vuonna 2028.
Ydinenergialain kokonaisuudistuksen yhtenä tavoitteena on sujuvoittaa ydinvoimaloiden luvitusta. Ajatuksena on, että monen peräkkäisen vaiheen sijaan luvitus voisi jatkossa edetä limittäin ja luvituksen osia eriytettäisiin. Tämä säästäisi aikaa ja rahaa.
– Prosessista pitää saada sellainen, että selvityksiä pystyy tekemään hankekehityksen kannalta oikea-aikaisesti. Heti alkuvaiheessa saatetaan tietää pienydinvoimalan sijaintipaikka, mutta ei välttämättä vielä laitosteknologiaa –– tai toisinpäin, Alasaari toteaa.
Osana pakettia Säteilyturvakeskus (STUK) uudistaa ydinturvallisuussäännöstöään.
Ydinvoimalaitosten suojavyöhykkeitä koskevat määräykset ovat jo keventyneet.
– Radioaktiivisen materiaalin määrä voi pienreaktoreissa jäädä kymmenes- tai sadasosaan perinteiseen suureen laitokseen verrattuna. Tämä yhdistettynä erittäin korkeaan turvallisuustasoon mahdollistaa laitoksen sijoittamisen kaupungin kaukolämpöverkon alueelle tai teollisuuslaitoksen kylkeen, Leppänen selittää.
Jatkossa ydinvoimaloiden suojavyöhykkeet ja varautumis-
alueet määritellään tapauskohtaisesti. Kaavoitus helpottuu huomattavasti, kun kaikkien ydinvoimaloiden ympärille ei enää lähtökohtaisesti vaadita 5 kilometrin suojavyöhykettä eikä 20 kilometrin varautumisaluetta.
Termit tutuiksi
SMR-reaktori (SMR = Small Modular Reactor) on pienreaktoreiden sateenvarjokäsite.
SMR-reaktorit voidaan karkeasti jakaa neljään kategoriaan: kevytvesireaktoreihin (Light Water Reactor = LWR), nopeisiin neutronireaktoreihin (Fast Neutron Reactor = FNR), korkean lämpötilan kaasujäähdytteisiin reaktoreihin (High Temperature Gas Reactor = HTGR) ja sulasuolareaktoreihin (Molten Salt Reactor = MSR).
Kategoriat perustuvat reaktorissa käytettyyn neutronimoderaattoriin ja reaktorin jäähdytysmenetelmään.
Viime vuosina on ruvettu puhumaan myös mikroreaktoreista (MMR = Micro-Modular Reactor) ja seuraavan sukupolven AMR-reaktoreista (AMR = Advanced Modular reactor).
Yhden karkean jaottelun mukaan SMR-reaktorit suunnitellaan puhtaan sähkön tuotantoon, AMR-reaktorit myös muun muassa kaukolämpöä, teollisuuden prosessilämpöä ja vedyntuotantoa varten. MMR-reaktorit ovat lämpöteholtaan muutamasta megawatista muutamaan kymmeneen megawattiin, siis selvästi pienempiä kuin yleisimmät SMR-reaktorit.
Pienydinvoimala on kattotermi erilaisille laitostyypeille.
Vesa Ville Mattila, teksti
Juttu on ilmestynyt Sähkömaailma Extran numerossa 4/2024.
