Kaksi uutta ydinvoimaratkaisua lähellä kaupallistamista

Ydinvoimasta kannattaa puhua, koska sen pontentiaali päästöjen vähentämisessä on aivan liian suuri, jotta se voitaisiin jättää huomioon ottamatta energia- ja ilmastokriisin ratkaisemisessa. Ydinvoimaa on opittu pitämään liian kalliina, vaarallisena, ja hitaana rakentaa, jotta siitä olisi mitään hyötyä. Osittain väitteet pitävät paikansa, osittain eivät. Ydinvoima on väärin käytettynä vaarallista, oikein käytettynä ei. Tämä pätee moneen muuhunkin teolliseen toimintaan. Ydinvoima on kallista rakentaa, mutta halpa käyttää. Investoinnit ovat kalliita, ja alkavat tuottaa selvästi hitaammin kuin useimmat uusiutuvan energian investoinnit. Siksi vapaa raha hakeutuu helpommin uusiutuvaan energiaan, vaikka ydinvoiman potentiaali on käytännössä niitä suurempi monistakin syistä.

kuva

Kuva 1. ThorCon reaktorilaitos on kokonaan maanpinnan alapuolella.

Nykyisin eniten käytetty ydinvoimalatyyppi perustuu painevesireaktoriin (PWR=Pressurized Water Reactor), joka alun perin kehitettiin sukellusveneen voimanlähteeksi. Se toimii hyvin, sen käytöstä on pitkä kokemus, ja se tuottaa tällä hetkellä vesivoiman jälkeen eniten päästötöntä sähköä maailmassa, ja neljä kertaa enemmän kuin tuuli- ja aurinkovoima yhteensä. Koska ydinvoiman turvallisuutta on haluttu parantaa, muodostuu suurin osa uuden PWR-voimalan kustannuksista erilaisista suojarakenteista ja – järjestelmistä, joilla on kaksi tarkoitusta: estää sydämen ylikuumeneminen ja sulaminen, sekä estää radioaktiivisten aineiden päästy ympäristöön, mikäli sydän kaikesta huolimatta sulaisi. PWR ei kuitenkaan ole ainoa vaihtoehto ydinenergian hyödyntämiseksi. Muista vaihtoehdoista on blogissa kirjoitettu ennenkin, esim. seuraavissa artikkeleissa:

Sulasuolareaktori – energiaa toriumista

IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?

Vaikka ydinvoimaa sanotaan vanhanaikaiseksi, se on käyttämistämme energiamuodoista uusin, ja ainoa, joka keksittiin 1900-luvulla. Kaikki muut on keksitty 1800-luvulla tai paljon ennen sitä. Alalla on kaikessa hiljaisuudessa tapahtumassa lähivuosina paljon. Kiina on päättänyt kaupallistaa sulasuolareaktorin (MSR=Molten Salt Reactor) kymmenessä vuodessa, koska hiilivoiman aiheuttamat ilmasaasteet ovat toden teolla alkaneet riivaamaan kansalaisia. Seuraavassa esittelemme kaksi hanketta Kiinan ulkopuolelta, joissa tavoitteena on tuoda MSR markkinoille lähimmän kymmenen vuoden kuluessa. Kanadalaiset Terrestrial Energyn suunnitelman nimi on Integral Molten Salt Reactor (IMSR). Se on kuvan mukainen, vähän kuplavolkkaria isompi moduuli, joka pitää sisällään kaikki aktiiviset osat.

teksti

Kuva 2. Terrestial Energy, Integtal Molten Salt Reactor (IMSR), vasemmalla 25 MWe ja 300 MWe mallit.

Kuvassa vasemmalla on pienin lämpöteholtaan 60 MW, toisena 650 MW malli. Kaiksi oikeanpuoleista ovat saman teholuokan painevesireaktoreita. Terrestial Energy tekee yhteistyötä Oak Ride Laboratoryn kanssa. Toinen yrittäjä on yhdysvaltalainen Martingale Inc, jonka suunnitelma kantaa nimeä ThorCon Power. Ratkaisuna on samankaltainen moduulirakenne kuin kilpailijalla. Teknisesti nämä ovat hyvin lähellä toisiaan, joten niiden erillinen esittely ei ole tarpeen. Molemmat perustuvat nestemäisen polttoaineen käyttöön. Tämä tekniikka kehitettiin ja testattiin Oak Ride Laboratoryssä kahdella toimivalla reaktorilla vuodesta 1946 vuoteen 1973, jolloin projekti keskeytettiin poliittisin perustein. Tästä enemmän artikkelissa Sulasuolareaktori – katsaus historiaan Nesteenä on suola, johon polttoaineena käytetty uraani on liuotettu. Neste toimii paitsi polttoaineena, myös jäähdytteenä, jolla reaktorin tuottama lämpö siirretään ja otetaan talteen. Tällä ratkaisulla on useita etuja. Itse asiassa kevytvesireaktorin ”isänä” tunnettu fyysikko Alwin Weinberg piti MSR:ää siviilikäyttöön PWR:ää parempana vaihtoehtona, mutta tämä kannanotto jäi aikanaan vaille sitä huomiota, minkä se olisi ansainnut. Tekniikan edut ovat huomattavat: Suurin kevytvesireaktorin riski, sydämen sulaminen, on eliminoitu täysin, koska polttoaine on jo sulassa muodossa. Nestemäinen polttoaine myös eliminoi tarpeen valmistaa polttoainesauvoja, mikä alentaa kustannuksia. Suolan sulamislämpötila on useita satoja asteita, ja kiehumispiste vielä huomattavasti tätäkin korkeampi. Reaktoria ei sen takia tarvitse paineistaa, se voi toimia ilmakehän paineessa. Reaktoria ei tarvitse rakentaa paineastiaksi, jonka seinämän vahvuus PWR:ssä voi olla parikymmentä senttimetriä. Tällainen paineastia on vaikea, hidas ja kallis valmistaa. MSR:n astia voidaan valmistaa parin sentin vahvuisesta teräksestä. Tällä hetkellä maailmassa on vain muutamia terästehtaita, jotka ylipäätään kykenevät valmistamaan PWR:n paineastian. MSR eliminoi tämän ongelman kokonaan. Koska rakenteissa ei ole paksuseinämäisiä teräsosia, MSR on tunteeton nopeille tehonmuutoksille. Sen tehoa voidaan säätää nopeasti, yhtä nopeasti kuin kaasuturbiinia, jollaiseen yhdistettynä se olisi käyttökelpoinen esim. tuuli- ja aurinkovoiman säädössä. Yksi kevytvesireaktorin tehonmuutosnopeutta rajoittava tekijä on ksenonin muodostuminen polttoainsauvoihin. Ksenon absorboi neutroneja, joten se voi tietyissä tilanteissa pysäyttää reaktorin kokonaan. Koska ksenon on kaasu, se poistuu helposti suolaliuoksesta, eikä käyttöä estävää ksenon-myrkytystä voi tapahtua. Koska reaktorissa ei ole painetta, eikä vettä, höyryräjähdys ei ole mahdollinen. Tämä eliminoi massiivisen, paineenkestävän suojarakennuksen tarpeen. PWR:ssä voi tietyissä onnettomuustilanteissa muodostua tulenarkaa vetyä. Näin kävi Fukushimassa, jonka seurauksena reaktorihallin yläosat räjähtivät. MSR:ssä ei voi muodostua vetyä, eli tämä riski eliminoituu kokonaan. MSR on passiivisesti turvallinen. Itse fissioreaktio voi tapahtua vain grafiittisydämen sisällä tietyssä lämpötilassa. Jos sydän lämpenee liiaksi, suolan lämpölaajeneminen ajaa osan suolasta ja polttoaineesta sydämen ulkopuolelle, jolloin jäljelle jäävä fissiilin polttoaineen määrä ei enää kykene ylläpitämään fissiota, vaan reaktio hidastuu itsestään. Säätösauvoja MSR:ssa on vain muutama, eikä niitä normaalisti tarvita tehon säätämiseen. Reaktorin pohjassa on kiinteästä suolasta muodostettu tulppa (alla olevassa kuvassa harmaalla). Se pidetään kiinteänä jäähdyttämällä sitä. Jos omakäyttösähkö laitokselta häviää, pysähtyy myös suolatulpan jäähdytys, jolloin se sulaa, ja reaktorissa oleva suola valuu alla olevaan varastosäiliöön. Se on rakennettu niin, että radioaktiivisen hajoamisen muodostama ns. jälkilämpö poistuu ympäristöön itsestään, ilman mitään aktiivisia jäähdytysjärjestelmiä, jotka tarvitsisivat sähköä tai muuta ulkopuolista toimenpidettä. Tämä ominaisuus eliminoi täysin PWR:n moninkertaisten ja kalliiden hätäjäähdytysjärjestelmien tarpeen.

loop_fdt_20141207

Kuva 3. Martingale Inc (ThorCon Power). Itse reaktori on kuvassa oranssi. Alhaalla vihreällä on säilö, johon polttoainesuola häiriötilanteessa tyhjennetään.

Näiden kahden ominaisuuden takia MSR on passiivisesti turvallinen. Käyttöhenkilökunnan ei tarvitse tehdään mitään, eikä mitään aktiivisia, sähkönsyötöstä riippuvaisia järjestelmiä tarvita. Turvajärjestelmää ei voi edes kytkeä pois päältä, koska turvallisuus perustuu suolatulpan sulamiseen ja painovoimaan, joka on aina ”päällä”. Käyttöhenkilökunta voi lähteä vaikka kotiinsa, ja laitos ajaa häiriön sattuessa itsensä turvalliseen tilaan ja jää siihen. Maanjäristyksen kestävä suolasuolareaktori olisi Fukushimassa ainoastaan pysähtynyt. Se olisi voitu käynnistää uudelleen heti kun tsunamin aiheuttamat muut sotkut olisi siivottu pois tieltä. Nämä molemmat reaktorimoduulit voidaan rakentaa tehtaassa sarjatuotantona. Martingale Inc:n strategiana on suunnitella, tuotteistaa ja tyyppihyväksyttää yksi ainoa 250 MWe:n kokoinen moduuli. Erikokoisia voimaloita voidaan rakentaa yhdistämällä näitä moduuleita. Esim. tuhannen megawatin laitokseen asennetaan neljä moduulia. Terrestrial Energyn suunnitelmissa on kehittää useampia kokovaihtoehtoja, joista pienin olisi lämpöteholtaan 80 MW. Sähköä siitä saisi n. 30 MW. Martingale Inc käyttää esimerkkinä Korealaista telakkaa, joka rakentaa sata laivaa vuodessa. Reaktorimoduulin materiaalit ja rakenne ovat sellaisia, että telakka voisi valmistaa niitä siinä missä laivamoduulejakin. Yksi suuri telakka kykenisi vuodessa valmistamaan reaktorimoduulit sataan tuhannen megawatin voimalaan. Voimala on täysin moduulirakenteinen. Moduulit rakennetaan sarjatuotantona ja kootaan paikan päällä. Alla oleva animaatio havainnostaa moduulirakentamisen.

shall_demo_20141113

Kuva 4. ThorCon moduulirakentaminen.

Yhteen tuhannen megawatin PowerCon Energy voimalan reaktorilaitokseen tarvitaan 17000 tonnia terästä. Vastaavan tehoisen tuulivoima-installaatioon (kapasiteettikertoimella 33 %) terästä tarvitaan 24-kertainen määrä, n. 400.000 tonnia. MSR voi toimia hyvin korkeassa lämpötilassa, selvästi korkeammassa kuin vesijäähdytteiset reaktorit. Niiden yhteydessä voidaan käyttää samoja höyryturbiinikoneistoja kuin hiilivoimaloissa. Niitä maailmassa on paljon jo valmiina. MSR voisi suoraan korvata hiilivoimalan kattilan ja muuttaa laitoksen nollapäästöiseksi voimalaksi. Molemmat yritykset ovat laskeneet, että tällä teknologialla sähköä voidaan tuottaa halvemmalla kuin tällä hetkellä halvimmalla, eli kivihiilellä. ThorCon Powerin sivuilta löytyvät tarkat kustannuslaskelmat, joiden mukaan reaktorilaitos olisi halvempi rakentaa kuin hiilivoimalan kattila. Tämä yhdessä hiiltä halvemman polttoaineen kanssa, tekisi sähkön hinnaksi 27,50 €/MWh, verrattuna hiilen hintaan 50 €/MWh. Hinnassa on otettu huomioon laitosten rakentaminen, käyttö, polttoaineet oletetulla 32 vuoden eliniällä ja 10 % diskonttauskorolla. Jos tässä esitetyt suunnitelmat hyödynnetään maailman päästöjen vähennyksessä ja rakennettaisiin 39 kpl tuhannen megawatin MSR-voimalaa vuodessa, ne voisivat korvata hiilivoimalat 40 vuodessa.

kuva

Kuva 3. Rakentamalla kolme ThorCon 250 MWe moduulia viikossa, hiilivoimalat voidaan korvata 40 vuodessa.

Kivihiili sähkön tuotannossa aiheuttaa yli 25 % kaikista energian tuotannon CO2-päästöistä. Hiilen voi syrjäyttää markkinoilta tehokkaimmin tuomalla tilalle vielä halvemman vaihtoehdon, jota toistaiseksi ei ole. MSR:n hyvä säädettävyys tekee siitä vaihtoehdon myös maakaasulle. MSR:n korkeaa lämpötilaa voidaan hyödyntää myös muuhun kuin sähkön tuotantoon. Sillä voidaan esimerkiksi valmistaa vedestä vetyä, joka voidaan edelleen muuntaa hiilivedyksi, ja näin korvata öljyä polttoaineena tai kemian teollisuuden raaka-aineena. Riittävän edullista lämmönlähdettä tähän tarkoitukseen ei kemian teollisuudella toistaiseksi ole käytettävissä. MSR:n polttoainetalous on vähän parempi kuin PWR:n. Martingale Inc ilmoittaa, että yksi 1000 MW:n laitos tarvitsee 208 tonnia luonnonuraania vuodessa, kun vastaavan tehoinen PWR tarvitsee 250 tonnia. Suolaan liuotetun polttoaineen jälleenkäsittely on helpompaa kuin PWR:n oksidipolttoaineen. Jälleenkäsittelyllä MSR:n uraaninkulutus voidaan puolittaa. Martingale Inc:n suunnitelmissa on käyttää toriumia uraanin seassa, joka vähentää uraanin kulutusta. MSR voi teoriassa hyötää kaiken käyttämänsä polttoaineen toriumista, mutta näissä molemmissa suunnitelmissa se mahdollisuus on jätetty pois, koska tekniikka siihen ei ole valmis. Näissä kummassakaan ei ole mitään sellaista uutta tekniikkaa, mitä ei olisi jo testattu. Siksi ne voivat olla valmiita ja kaupallisessa käytössä lähimmän kymmenen vuoden kuluessa. Tämä tekniikka on lupaava, että se tulee jossain muodossa käyttöön ennemmin tai myöhemmin. Kun se on käytössä, voidaan sitovia ja merkittäviä ilmastosopimuksiakin saada aikaiseksi, koska hiilelle on realistinen vaihtoehto tarjolla. Vielä toistaiseksi hiilen käyttö kasvaa joka vuosi enemmän kuin tuuli- ja aurinkosähköä tuotetaan.

  1. Molten Salt Reactors: The Future of Green Energy?
  2. Terrestrial Energy
  3. ThorCon Power
  4. Integral Molten Salt Reactor targeting blueprint stage in late 2016
  5. Eri energiamuotojen toteutuneita päästövähennyksiä
  6. Terrestrial Energy Announces Strategic Collaboration with University of Tennessee

9 thoughts on “Kaksi uutta ydinvoimaratkaisua lähellä kaupallistamista

  1. Hyvä teksti mutta unohdit mainita venäjän hyötyreaktori ohjelman. Venäläisillä on jo 40 vuoden kokemus metallijäähdytteisistä nopeista reaktoreista jo 1970 laukaistu Alfa luokan sukellusvene joka on nopein sukellusvene koskaan tehty käytti lyijy-vismutti jäähdytteistä OK-550 reaktoria. Toinen reaktori tyyppi mitä venäläiset ovat kehittäneen on BN sarjan reaktori joilla on paras käyttöhistoria kaikista mailmalla tehdyistä hyötyreaktoreista. Uusin version on BN-800 joka käynnistettiin viime kesällä ja suunitelmissa on jo 1200 malli.
    http://rt.com/news/168768-russian-fast-breeder-reactor/
    http://www.extremetech.com/extreme/186023-russia-bets-its-energy-future-on-waste-free-fast-breeder-nuclear-reactors

    Tykkää

  2. En varsinaisesti unohtanut. Kaikki ei mahdu samaan juttuun, ja noista olen kirjoittanut aikaisemmin:

    Ydinjäteongelman ratkaisu, sekä 1600 vuotta ydinsähköä ilman uraanikaivoksia

    Kuuluuko ydinvoima historiaan?

    IFR – menetetty mahdollisuus, vai tulevaisuuden pelastaja?

    Ydinvoimassa vielä paljon kehitettävää

    Belojarskin BN-800 tosiaan taitaa olla koekäytössä nyt. Kiina on ostanut niitä kaksi. Kiinan strategian tuntien, saattavat kopioida sen itselleen. Pienempi versio BN-600 on toiminut Belojarskissa vuodesta 2008, ja sillä on paras käytettävyys kaikista Venäjän y-laitoksista.

    Ranskan Super Phenix on luku sinänsä. Juuri kun lastentaudit oli saatu pääosin korjatuksi, Ranskan puna-vihreä hallitus sulki sen. Vieläkin vallalla on käsitys, että sulkemisen syynä olisivat olleet ylitsepääsemättömät tekniset ongelmat, mutta syyt olivat poliittisia. Prototyyppi Phenix toimi hyvin vuosina 1973..2009.

    Liked by 1 henkilö

  3. Pikkasen joudun korjamaan tossa pari juttua. BN-600 reaktori valmistu jo 1980 ja on vieläkin käytössä, sillä on paras hyötysuhde kaikista hyötyreaktoreista 74,61%. BN-800 valmistui kesällä 2014 ja on nyt koekäytössä ja kaupallinen tuotanto pitäisi alkaa tämän vuoden alkupuolella ja se on tähän asti pyörinyt hyvin. Suurin ero BN-600 ja BN-800 välillä on polttoaine, BN-800 on suuniteltu käymään plutoniumilla koska Venäläisten on päästävä eroon ydinkärjistään. Se on totta että Kiinalaiset ovat ostaneet 2kpl BN-800 laitosta ja melko tod.näk kopioivat sen. 2010 oman hyötyreaktori prototyyppinsä valmiiksi. BN-800 tulee olemaan vain välimalli BN-1200 tulee olemaan päämalli ja vientimalli ja sen rakentaminen on määrä alkaa parin vuoden päästä kun he ovat saaneet tarpeeksi dataa 800 mallista että voviat jatkaa projektia eteenpäin. Super Phoenix oli hyvä laitos mutta Ranskalaiseen tyyliin mentiin melkein suoraan piirustuspöydältä yli suureen malliin ja tietenkin se toi omat ongelmansa. IFR nyt oli menetetty mahdollisuus ja Monju taas oli erilaisten töppäilyjen ja kinastelun uhri ja Saksan SNR-300 ei koskaan saanut mahdollisuuttaan.

    Tykkää

  4. Kiitos infromatiivisesta artikkelistasi. Oikeastaan liikaakin tietoa hetkessä sulatettavaksi. Kysyn nyt kumminkin, että onko näiden uusien voimalatyyppien turvaetäisyydet asutuksesta lyhyempiä kuin nykyisten. Lähinnä ajattelen, että olisiko kaukolämpötuotanto helpommin toteutettavissa kuin perinteisillä ydinvoimaloilla. Siinä kaiketi tuo etäisyys on yksi ongelma, toinen sitten se, että lauhdelämmöt ovat turhan alhaisella tasolla.

    Tykkää

  5. Kiitos! Myönnän, että vähän liikaa asiaa, mutta voihan sen lukea moneen kertaan🙂 Toisaalta, mielestäni on tärkeää ymmärtää kokonaisuuksia, joten tiedon määrältä ei oikein voi karsiakaan menemättä ihan iltalehti-linjalle. En yleensä kirjoitakaan mistään mitä en ymmärrä, mutta jos sen teen, niin kerron kyllä senkin.

    Vesijäähdytteisten y-laitosten heikko kohta on alhainen lämpötila, joka tekee yhteistuotannosta melko epätaloudellista. Lämmön talteenotto vie sähkötehosta suhteessa selvästi enemmän kuin korkeamman lämpötilan hiili- ja muissa polttolaitoksissa. Suolareaktori voi toimia lähemmäs tuhannen asteen lämpötilassa, joten se soveltuu erinomaisesti yhteistuotantoon. Se sopii vaikka kaasuturbiinin yhteyteen, mutta siitä lisää myöhemmin.

    Turvaetäisyyksiä näille ei ole määritelty, koska tyyppihyväksyntäkin puuttuu. Prosessi vaihtelee maasta riippuen, ja vie länsimaissa luvattoman kauan. Siksi monet pitävät todennäköisenä, että ensimmäiset puhtaasti kaupalliset 4G ydinvoimalat nähdään Kiinassa tai muualla, jossa poliittiset kiemurat näiden asioiden ympärillä ovat huomattavasti jouhevampia kuin länsimaissa. Olen myös ymmärtänyt, että Kanadassa se olisi mahdollista suhteellisen pienin ponnistuksin, onhan Kanadalla aiempaa kokemusta oman ydinteknologian soveltamisessa Candu-laitosten kohdalta.

    Jos ei mitään yllättäviä onnettomuusskenaarioita löydetä, turvaetäisyyksien pitäisi kaiken järjen mukaan olla nykyistä pienempiä. Nyt olisi tärkeintä saada ensimmäiset prototyypit nopeasti valmiiksi, jotta teknologia voidaan demonstroida todellisuutta vastaavissa olosuhteissa.

    Liked by 1 henkilö

  6. Päivitysilmoitus: Puhdasta energiaa koko maailmalle – Petrus Pennanen eduskuntaan.

  7. Päivitysilmoitus: Energiasta ja sen tuotannosta - Gavia ArcticaGavia Arctica

  8. Päivitysilmoitus: Ydinvoimaa - Gavia ArcticaGavia Arctica

  9. Päivitysilmoitus: Torium ja fossiilihuippu | Roskasaitti

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

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

Twitter-kuva

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

Facebook-kuva

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

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s