Ensimmäinen SMR voidaan rakentaa vuoteen 2026 mennessä…

…jos halutaan. Mistäkö tiedän? Koska se on tehty ennenkin. Aloitetaanpa alusta.

Otto Hahn ja Fritz Strassmann havaitsivat vuonna 1939, että uraanin pommittaminen neutroneilla tuottaa bariumia. Tämän perusteella Lise Meitner ja Otto Frisch esittivät samana vuonna, että uraaniydin halkeaa kahteen lähes yhtä suureen osaan. Täysin uusi ilmiö, uraaniatomin fissio, oli näin keksitty.

Kuva 1. Chicago Pile-1.

Ilmiön mahdollisuudet ymmärrettiin varsin nopeasti tämän jälkeen. Enrico Fermi teki kuuluisan Chicago Pile-1 -kokeensa vuonna 1942. Kokeessa todistettiin, että hallittu fissio on mahdollista aikaansaada. Seuraavana vuonna rakennettiin Chicago Pile-2 ja -3.

Ensimmäinen sähköä tuottanut reaktori, Experimental Breeder Reactor I, rakennettiin Idahoon 1951. Se oli nopea hyötöreaktori, joka tuotti sähköä neljään 200 watin lamppuun. Ei paljon, mutta se todisti, että tekniikalla voidaan tuottaa sähköä. EBR-I:n tärkeämpi saavutus oli kuitenkin todistaa oikeaksi teoria, jonka mukaan hyötöreaktori on mahdollista rakentaa ja saada toimimaan.

Ensimmäinen käytännön sovellus, ydinsukellusvene Nautilus, laskettiin vesille 1954. Alus jatkoi palveluskäytössä aina vuoteen 1980, jonka jälkeen se museoitiin.

Kuva 2. Nautilus.

Vuonna 1953 Yhdysvaltain laivaston ydinsukellusveneprojektin vetäjää, amiraali Hyman Rickoveria pyydettiin rakentamaan yksi sukellusveneen koneisto kuivalle maalle. Potkurikoneiston tilalle luonnollisesti asennettiin sähköä tuottava turbogenerattori. Syntyi yksi maailman ensimmäisistä ydinvoimaloista, Shippingport Atomic Power Station. Laitoksen rakentaminen kesti 32 kuukautta ja se aloitti toimintansa 1957. Laitos suljettiin vuonna 1982 ja on sittemmin jo purettu maan tasalle ja alue on vapautettu muuhun käyttöön ilman rajoituksia. Näin todistettiin samalla, että voimala on mahdollista purkaa. Shippingportissa demottiin myös toriumin käyttäminen polttoaineena.

Tässä oli lyhyesti kuvattuna Yhdysvalloissa toteutunut kehityspolku. Samaan aikaan kehitystä tapahtui Neuvostoliitossa, jossa ensimmäinen voimala, vain viiden megawatin Obninsk kytkettiin ensimmäisen karran verkkoon jo vuonna 1954. Isossa Britanniassa Calder Hall vihittiin käyttöön 1956.

Yhdysvaltain kehityspolku:

1939 – fissio keksitään
1942 – ensimmäinen koereaktori, Chicago Pile-1 rakennetaan
1951 – ensimmäinen sähköä tuottanut reaktori, EBR-I rakennetaan
1953 – Shippingport tilataan
1954 – ensimmäinen käytännön sovellus, sukellusvene Nautilus lasketaan vesille
1957 – Shippingport valmistuu

Näiden lomassa muualla:

1954 – Obninsk Neuvostoliitossa, Moskovan lähellä valmistuu
1956 – Calder Hall Isossa Britanniassa vihitään käyttöön

Yhdisvalloissa oli myös Borax-testisarja jossa valmistettiin muutamia kiehutusvesilailaitoksia pääasiassa testikäyttöön. Sarjan kolmas versio vuonna 1955 tuotti jonkin aikaa pari megawattia sähköä paikalliseen sähköverkkoon.

Opitaan historiasta

Kuva 3. Shippingportin voimalan paineastian asennus 1956.

Itse ilmiön keksimisestä ensimmäiseen käytännön sovellukseen, sukellusvene Nautilukseen, kului siis aikaa vain 15 vuotta. Shippingportin laitos tilattiin vuonna 1953 ja se valmistui neljä vuotta myöhemmin.

Shippingportin voimala perustui alun perin sukellusveneen voimalähteeksi kehitettyyn painevesireaktoriin, joka yhä nykyäänkin on eniten käytetty tekniikka. Aikaa laitoksen tilauksesta käyttöönottoon tarvittiin neljä vuotta.

Shippingportin koko oli nykymittapuun mukaan pieni, vain 60 megawattia sähköä, mutta se oli juuri samaa kokoluokkaa kuin nykyiset suunnitteluasteella olevat SMR-voimalat.

Verrattuna 50-luvun suunnittelu- ja valmistustekniikkaan, meillä on nykyään käytettävissä erittäin kehittyneet CAD-ohjelmistot ja kaikki tarvittavat muut mallinnusmenetelmät ja tehokkaat tietokoneet, joilla vastaavan laitoksen suunnittelu onnistuu nopeammin kuin silloin. Sekä materiaali- että valmistustekniikka ovat kehittynyeet huimasti, ja monia tarvittavia osia, kuten polttoaine-elementtejä moiseen laitokseen saa ”valmiina kaupasta”. Mitään perussuunnittelua ei enää tarvita. Periaatteessa riittää, että päätetään millainen laitos halutaan rakentaa, suunnitellaan se, ja sen jälkeen rakennetaan.

Amiraali Ricover 50-luvulla tarvitsi siihen neljä vuotta aikaa. Jos nyt päätämme rakentaa vaikkapa jonkin kaupungin kaukolämmitykseen kytkettävän, pelkkää lämpöä tuottavan fissiosovelluksen, se on teknisesti aivan hyvin tehtävissä neljässä tai viidessä vuodessa. Puheet siitä, että SMR-tekniikka olisi käytettävissä lämmityksen CO2-päästöjen vähentämiseen vasta hiilikiellon jälkeen joskus 2030-luvulla, ovat kerta kaikkiaan potaskaa. Niin voi kyllä ollakin, jos tähän mahdollisuuteen ei uskota ja tyydytään vain puuhastelemaan jotakin ja katsomaan mitä muut tekevät.

Jos sen sijaan päätetään, että kaikkinainen polttaminen kaupunkiemme lämmittämisessä lopetetaan mahdollisimman nopeasti, ensimmäinen SMR-lämpölaitos saadaan valmiiksi ja toimimaan noin viidessä vuodessa. Se voidaan tehdä, koska se tehtiin jo yli 60 vuotta sitten.

Suomalaiset hankkeet

Kuva 4. VTT:n kaukolämpö-SMR vuonna 2021.

Tekniikka osataan Suomessa. Meneillään on kaksikin hanketta lämpölaitoksen suunnittelemiseksi.

Varsinkin VTT:n konseptin mukaisen laitoksen koko rakentaminen voidaan tehdä Suomessa. LUT on vähän eksoottisempi. Kanava-tyyppinen reaktori on valmistattava zirkoniumista, eikä siihen löydy valmiiksi osaamista Suomesta. Täysin vastaavaa ei itse asiassa ole tehty missään aiemmin, vaikkakin rakenne muistutaa jonkin verran kanadalaista CANDU:a. Sen sijaan VTT on periaatteessa aivan samanlainen kuin maailman kaikki muutkin kevytvesilaitokset, pienemmällä paineella ja lämpötilalla vain, mikä tekee rakenteesta huomattavasti kevyemmän ja yksinkertaisemman.

Polttoainetta meillä ei valmisteta, eikä tarvetta siihen ei olekaan, koska valmistajia maailmalla on useita ja polttoaineen tarve on hyvin vähäinen. Esimerkiksi VTT:n moduulin lämpötehoksi on kaavailtu 50 MW, mikä on vain noin 1% (yksi prosentti!) Olkiluoto 3:n lämpötehosta. Polttoaineen tarve on lähes suorassa suhteessa tehoon, samoin kuin monet muutkin suunnitteluun vaikuttavat lähtökohdat.

Suomalaisen säästä riippumattoman ja polttoon perustumattoman kaukolämpölaitoksen rakentaminen on vain ja ainoastaan tahdosta kiinni. Teknisesti se voidaan toteuttaa helposti tämän vuosikymmenen puolella, koska vastaava on tehty ennenkin. Meillä on jo julistettu ilmastohätätila, joten nyt olisi aika toimia sen mukaisesti. Siis NYT, eikä vasta 30-luvulla.

Suomalainen kaukolämpöreaktori vuonna 2028?

VTT yllätti eilen ja julkaisi tiedotteen, jonka mukaan se käynnisti kaukolämmön tuotantoon tarkoitetun pienydinreaktorin kehitystyön. Lappeenrannan Teknillinen Yliopisto on vastaavasta puhunut jo aiemmin.  Minkälainen laite on kyseessä, sitä emme vielä tiedä, mutta haluan tässä artikkelissa esittää yhden skenaarion siitä, millainen se voi olla, ja miksi sellaisen voi sijoittaa kaupunkialueelle, lähelle kaukolämmön kuluttajia.

Vaikka erilaisia reaktoritekniikoita on tulossa perinteisen kevytvesireaktorin lisäksi muitakin, on kevytvesitekniikka edelleen toistaiseksi ainoa, jota käyttämällä ydinkaukolämpölaitos voidaan rakentaa vaikka heti. Mitään perustutkimusta ei tarvita, ei tutkimista sopivien materiaalien löytymiseksi yms. koska kaikki osataan ja tiedetään jo vuosikymmenien kokemuksella.

Jos tarvitaan lämpöä, reaktorin ei tarvitse tuottaa höyryä, ja jos ei tarvita yli sadan asteen lämpötilaa, ei tarvita myöskään painetta, joten ei tarvita paineastiaakaan. Mahdollisia rakenteita on kaksi: perinteinen paineastia, mutta hyvin pienellä paineella, sekä allas. Oma suosikkini on allas, ja syy selviää tästä artikkelista.

Kuva 1. Allasreaktorin periaate.

Yritetään ensin hahmottaa mittasuhteita. Vertailukohdaksi otetaan tietenkin surullisen kuuluisa Olkiluoto 3. Sen sähköteho on 1600 MW ja sen reaktori tuottaa 4300 MW lämpötehon. Tästä tehosta 4300-1600=2700 MW päätyy lauhdutushäviönä mereen. Reaktori tuottaa siis vuodessa 34 terawattituntia (TWh) lämpöenergiaa. Koska Helsingin kaukolämmityksessä käytetään vuodessa n. 7 TWh, lämmittäisi Olkiluoto 3:n tuottamalla lämpömäärällä viisi Helsinkiä!

Alla olevasta kuvasta voidaan hahmottaa, mistä pienessä kaukolämpöreaktorissa pohjimmiltaan on kysymys.

Kuva 2. Olkiluoto 3 EPR verrattuna pieneen kaukolämpöreaktoriin.

Taustalla on Olkiluoto 3. Kuvasta on helppo ymmärtää, miten suuri ja monimutkainen laitos se on. Me otamme siitä pelkän reaktorisydämen. Sen, mikä on reaktoripaineastian sisällä, ja siirrämme sen avonaiseen vesialtaaseen, nuoli 1. Sen jälkeen pienenämme sitä sata kertaa pienemmäksi, nuoli 2. Päädymme n. 50 megawatin lämpötehoon. Teho voi olla periaatteessa mitä vain välillä 20…200 MW, oleellista kuitenkin, että se on enintään vain muutaman prosentin OL3:n tehosta. Mitään muita härveleitä emme esikuvasta tarvitse.

Reaktorin lämpötilaa voidaan jopa nostaa hieman yli sadan asteen rakentamalla niin syvä allas, että sen pohjalla on riittävästi hydrostaattista painetta estämään veden kiehuminen. Vesi eristää toimivan reaktorin tuottaman säteilyn niin hyvin, että altaassa voi sen puolesta turvallisesti vaikka uida. Allas on myös helppo mitoittaa niin suureksi, että siinä oleva vesi riittää jäähdyttämään reaktorin kaikissa mahdollisissa häiriötilanteissa. Jäähdytykseen ei tarvita minkäänlaista automatiikkaa, pumppuja, venttiileitä, tai edes sähköä, koska vesi on siinä altaassa jo valmiiksi ja se pystyy sitomaan kaiken reaktorin sulkemisen jälkeen tuottaman jälkilämpötehon.

Ihan pelkkä sydän ja allas eivät sentään riitä. Tarvitsemme lisäksi muutaman pumpun, vähän putkistoa ja lämmönsiirtimiä, sekä lentokoneen törmäyksen kestävän kaasutiiviin rakennuksen ympärille. Lopullinen kokonaisuus voisi näyttää suunnilleen samalta, mikä tässä Lappeenrannan Teknillisen Yliopiston hahmotelmassa kaukolämpöreaktoriksi.

Kuva 3. LUT-konseptireaktori.

Sijoittamalla laitos maan alle, se saadaan suojatuksi lentokoneen törmäykseltä ja muulta ulkoiselta väkivallalta. Tässä julkaisussa

Design of SES-10 Nuclear Reactor for District Heating

on esitetty hahmotelma 10 MW kaukolämpölaitoksesta, allasreaktorilla toteutettuna. Julkaisu on Sveitsistä vuodelta 1991. Nämä eivät siis ole uusia ideoita.

Näitä allas-tyyppisiä reaktoreita on rakennettu satoja kappaleita tutkimuskäyttöön. Se on tutkimusreaktorin yleisin rakenne, koska avoimeen altaaseen on helppo sijoittaa erilaisia tutkimusvälineitä. Polttoainetta voidaan helposti vaihtaa, sydämeen voidaan asettaa koekappaleita säteilytettäväksi, niissä voidaan helposti valmistaa lääketieteessä tarvittavia radioaktiivisia isotooppeja, jne. Sellainen reaktori on Suomessakin, Otaniemessä Espoossa. Nyt jo käytöstä poistettu Triga-tutkimusreaktori otettiin käyttöön vuonna 1962 ja se on siitä asti sijainnut keskellä kaupunkirakennetta. Se on toki pieni, vain 250 kW, mutta laitteena periaatteessa hyvin samanlainen kuin nyt suunnitelmissa olevat kaukolämpöreaktorit.

Maailmalla näitä tutkimusreaktoreita on satoja ja useimmat niistä sijaitsevat yliopistojen yhteydessä asutuksen keskellä. Tässä kuva Alankomaissa sijaitsevasta Delft-yliopiston tutkimusreaktorista.

Kuva 4. Delftin yliopiston koereaktori.

Kuten nähdään, allas on päältä avoin, pohjalla on sinisenä hohtava reaktorisydän. Sen teho on 2 MW ja se sijaitsee keskellä asutusta, Haagin ja Rotterdamin kaupunkien välissä.

Kuva 5. Delftin yliopostin reaktorin sijainti.

Toisena esimerkkinä MIT Nuclear Research Reactor, Massachusettsin teknillisen yliopiston koereaktori. Se sijaitsee Cambridgessä, Massachusettsissa, aivan kaupunkirakenteen keskellä, vain kolmen kilometrin päässä Bostonin keskustasta.

Kuva 6. MIT kuuden megawatin koereaktorin sijainti.

Tästä reaktorista löytyy myös erittäin hyvä ja mielenkiintoinen esittelyvideo, jossa pääsemme katsomaan laitoksen sisään.

Tämän reaktorin teho on 6 MW. Se on pienempi kuin kaukolämmitykseen kaavaillut koot, mutta tehon kasvattaminen esimerkiksi nelinkertaiseksi olisi jo 24 MW, mikä on hyvin moneen kaukolämpöverkkoon täysin riittävä koko. Isompiin verkkoihin niitä voisi asentaa useampia. Tai sitten kokoluokka voisi olla n. 100 MW, jolloin esimerkiksi Hanasaaren lämpötehon korvaamiseksi riittäisi neljä reaktoria.

Vastaavia esimerkkejä löytyy vaikka kuinka paljon. Tutkimusreaktoreita on rakennettu useita satoja eri puolille maailmaa.

Suosikkini fossiilittoman kaukolämmön tuotantoon on siis allasreaktorilla toteutettu, maan alle rakennettu, miehittämätön, kauko-ohjattu, kotimaassa suunniteltu ja valmistettu ydinlämpölaitos. Se on yksinkertainen ja suhteellisen edullinen rakentaa. Vastaavista on kokemuksia vuosikymmenien ajalta ja niitä on jo nyt sijoitettu suurkaupunkien alueille asutuksen keskelle. Voimme soveltaa samaa tekniikkaa lämmitykseen kuin aiemmin on käytetty tutkimustarkoituksessa, sen kummemmasta tästä ei ole kysymys. Kaikki tietämys ja osaaminen on jo olemassa, täytyy vain laatia suunnitelma, joka täyttää asetetut vaatimukset ja rakentaa se laadukkaasti. Kun rakennamme laitosta, jonka teho on vain muutaman prosentin perinteisen, suuren ydinvoimalan tehosta, se on teknisenä haasteenakin vain murto-osan aiemmista projekteista.

Kuinka paljon sitten tarvitaan aikaa tällaisen suunnitteluun ja rakentamiseen? Ydinvoimala perustuu uraanin fissioon. Tämä ilmiö löydettiin vasta vuonna 1938 ja sitä selittävä teoria esitettiin vuotta myöhemmin. Ensimmäiset ydinreaktoriin perustuvat käytännön sovellukset, Obninskin ydinvoimala Neuvostoliitossa ja sukellusvene Nautilus Yhdysvalloissa, aloittivat molemmat toimintansa 1954. Aikaa laboratoriosta valmiiseen sovellukseen tarvittiin 16 vuotta, mikä on todella lyhyt aika minkä takansa tekniikan kohdalla itse ilmiön keksimisestä käytännön sovellukseen. Nyt meillä on tekniikasta yli 60 vuoden kokemus, yli 2000 toiminutta reaktoria on rakennettu ja 52 on rakenteilla, meille pitäisi hyvin riittää puolet tuosta edellä mainitusta kuudestatoista vuodesta. Jos nyt päätämme tuollaisen suunnitella ja rakentaa, se on toiminnassa kahdeksan vuoden kuluttua. Teknistä estettä tälle aikataululle ei ole.

Two questions about new generation of nuclear power

I was asked about the new generation of nuclear power. I decided to publish the answers here so others can benefit from them too.

The new generation of nuclear power is widely accepted to be the same as the Small Modular Reactors, or SMR’s. So I will answer assuming this is the case.

Question one:

What is the stage of planning new generation nuclear power plants? Where the planning/building of them has been the most advanced?

The first SMR plant is almost ready. China has built FOAK (First of a Kind) helium cooled pebble bed reactor called HTR-PM (High Temperature Reactor – Pebble bed Modular). It was meant to start within 2018 but difficulties in manufacturing the steam generators have led to some delays. They are now ready and the startup should happen any time soon.

The first modular reactor in the USA is the design of NuScale. Licensing process with the local authorities is almost ready. Construction works of the first 12 module power plant in Idaho will start within a few years and it should achieve commercial operation in 2026. Relatively short construction time will be achieved by doing most of the manufacturing works in a factory instead of on the site as usual.

Canadian based Terrestrial energy is designing a molten salt reactor called IMSR, Integral Molten Salt Reactor. Terrestrial energy have told entering the markets within two years.

I gave here three examples of the recent stage of SMR technology. There are several more vendors aiming to enter the market within the next decade. Here are two links I recommend to read if you want to find more information about SMR’s.

World Nuclear Association: Small Nuclear Power Reactors

Wikipedia: Small modular reactor

Question two:

What are the risks of next generation nuclear power?

The most important thing to understand about advanced nuclear is the difference in safety principles compared with traditional nuclear power plants. A big nuclear power plant is safe. The safety has been achieved with many different safety systems which are all designed to cool down the core in a case of emergency. For example, the new Olkiluoto 3 has four different emergency cooling systems. One system out of four is enough to keep the core in a safe condition. So three out of four systems could fail and the plant will still remain in a safe condition.

Small SMR’s are inherently safe without any extra safety systems. They rely on passive systems to cool the core. For example, NuScale will place the reactor modules in a large pool of water. In a case of emergency, the water already in place is enough to keep reactor cores safe. This happens with no efforts from the plant personnel and even without electricity or any active safety systems.

At some point, the water in the pool starts to boil. Outgoing steam transfers the heat produced by decay heat of the core. When all of the water has boiled off, decay heat has reached a level low enough to be air-cooled for an indefinite amount of time.

Conclusion: Both traditional big nuclear power plants and SMR’s are safe. However, the small size of SMR’s makes it possible to design them to be inherently safe without any separate safety systems. This is better in a situation when all power at the plant is lost. For example, the Fukushima accident would not have happened with an inherently safe nuclear power plant. What happened was that electricity at the site was lost so cooling water pumps did not work and the reactor cores melted.

Inherently safe is often called ”walk away safe”. It means that the personnel could walk away from the plant and it remains safe by its own.

I think the biggest risk with next-generation nuclear power is, that it will not be built fast enough. That we don’t succeed to make people and politicians understand, that we really don’t have enough alternatives to produce low carbon electricity and heat in a reliable way without nuclear power. A total climate change is a far more serious risk than nuclear power could ever be.

  1. HTR-PM steam generator passes pressure tests
  2. Current status and technical description of Chinese 2 × 250 MW th HTR-PM demonstration plant
  3. NuScale
  4. NuScale: ENHANCED SAFETY
  5. Terrestrial energy