Av Alarik Haglund
Det växande behovet av fossilfri energiproduktion innebär att kärnkraften skulle kunna ha en viktig roll i framtidens energisystem, men många av de nya reaktorer som byggs i Europa och USA har drabbats av stora förseningar och kostnadsöverskridanden. Intresset har därför ökat kraftigt för olika typer av minireaktorer, som har en rad fördelar jämfört med traditionella reaktorer. Bland annat kan de tack vare sin mindre storlek och modulära design byggas på kortare tid och till lägre kostnad, samtidigt som de är säkrare och mer flexibla.
Sedan de första kommersiella kärnkraftverken byggdes på 1950-talet har reaktorerna ökat kraftigt i storlek och de nya reaktorer som byggs kan idag ha en kapacitet på över 1 600 megawatt elektricitet. På grund av de stora och långsiktiga investeringar som krävs för dessa projekt har man emellertid på många håll i världen, inklusive Sverige, börjat satsa på att utveckla mindre reaktorer, som utgör en mycket mer lätthanterlig investering.
Dessa minireaktorer, som går under samlingsnamnet små modulära reaktorer, är designade som fristående moduler och har vanligtvis en kapacitet på cirka 300 megawatt elektricitet eller mindre per modul. Till skillnad från traditionella reaktorer, som måste byggas på plats, kan små modulära reaktorer tillverkas i en fabrik och sedan transporteras dit de behövs med båt, tåg eller lastbil. Resultatet blir en kortare byggtid och en lägre prislapp, som kan sänkas ytterligare om modulerna serietillverkas i stor skala.
Hög säkerhet
Små modulära reaktorer är inte är begränsade till en enskild reaktorteknik och variationen är stor bland de mer än 50 olika reaktordesigner som idag håller på att utvecklas eller byggas världen över. Många små modulära reaktorer är helt enkelt nedskalade versioner av traditionella lättvattenreaktorer. Tack vare att de bygger på befintlig reaktorteknik är dessa reaktorer ofta de som kommit längst i utvecklingen. Ett flertal reaktordesigner tillhör också kärnkraftens fjärde generation. Det rör sig om allt från grafitmodererade högtemperaturreaktorer till smältsaltreaktorer och olika typer av snabba neutronreaktorer.
Gemensamt för de flesta små modulära reaktordesigner är att de har en hög nivå av passiv eller inbyggd säkerhet. Till exempel kyls en del designer helt och hållet med hjälp av naturlig cirkulation och smältsaltreaktorer kan inte drabbas av härdsmälta eftersom bränslet redan befinner sig i flytande form. Många små modulära reaktorer är dessutom designade för att placeras under markytan, vilket ger dem ett extra skydd mot terrorattacker, naturkatastrofer och andra yttre hot.
Skalbarhet och flexibilitet
Oavsett reaktorteknik erbjuder små modulära reaktorer också stor skalbarhet och flexibilitet. Till exempel kan enskilda reaktormoduler användas för att förse avsides belägna platser eller små elnät med elektricitet samtidigt som ett antal moduler kan kombineras i ett större kraftverk, som stegvis kan utökas med nya moduler efter behov.
Även om kostnaden för en anläggning bestående av ett flertal små modulära reaktorer i slutändan är jämförbar med kostnaden för en enda större reaktor med motsvarande kapacitet betyder den förhållandevis låga investeringskostnaden för varje enskild modul att de ekonomiska riskerna blir mindre. Därutöver kan man redan när de första modulerna är på plats börja producera elektricitet för att hjälpa till att finansiera ytterligare moduler.
Små modulära reaktorer lämpar sig också väl för att ersätta avvecklade fossileldade kraftverk. Utöver den mindre storleken beror det bland annat på att den höga säkerheten och den mindre mängden kärnbränsle möjliggör för mindre beredskaps- och planeringszoner, vilket gör att reaktorerna kan placeras närmare övrig bebyggelse.
Medan traditionella kärnkraftverk i första hand används för produktion av baslastkraft kan små modulära reaktorer dessutom användas för en mängd olika tillämpningar. Till exempel kan de användas för att balansera förnybara energikällor genom att producera reglerkraft. De kan även användas för samproduktion av el och värme eller för ren värmeproduktion, antingen till processvärme eller fjärrvärme.
Förenklad tryckvattenreaktor
Ett företaget som ligger långt fram i utvecklingen av en liten modulär lättvattenreaktor är amerikanska NuScale, vars reaktordesign är en förenklad version av en tryckvattenreaktor som är både mindre och säkrare.
I NuScales minireaktor, som går under namnet NuScale Power Module, är komponenter som reaktorkärl och ånggenerator samlade i en enda integrerad modul. Många av de stora och komplexa system som krävs i dagens kärnkraftverk har dessutom kunnat elimineras tack vare att reaktorn vid normal drift utnyttjar naturliga fenomen som gravitation, konvektion och värmeledning.
Till exempel behövs inga kylpumpar för att cirkulera vatten genom reaktorn eftersom den använder sig av naturlig cirkulation. Det betyder att kylvattnet stiger till toppen av reaktorkärlet när det värms upp av reaktorhärden och sedan sjunker tillbaka till botten när det kyls ner i samband med att värme överförs till vattnet i ånggeneratorn och förvandlar det till ånga.
I kombination med andra passiva säkerhetsåtgärder, som att reaktorn är nedsänkt i en vattenfylld pool i en underjordisk byggnad som kan stå emot en flygplanskrasch, går det att garantera en stabil och långsiktig kylning av reaktorhärden under alla förhållanden, inklusive allvarliga olyckor. Vid strömförlust kan reaktorn stängas ner på ett säkert sätt och kyla sig själv under obegränsad tid. Det krävs varken någon åtgärd från operatörens sida, någon ström eller något ytterligare kylvatten.
Dessutom innehåller en av NuScales reaktormoduler bara omkring fem procent av det kärnbränsle som finns i en traditionell reaktor med en kapacitet på 1 000 megawatt elektricitet.
Första kraftverket
Efter att kapaciteten höjdes med 25 procent i slutet av 2020 kan varje NuScale Power Module producera 77 megawatt elektricitet. Den enkla och kompakta designen gör att de cylinderformade reaktormodulerna, som har en diameter på 4,6 meter, är 22 meter höga och väger omkring 700 ton, kan tillverkas i tre segment i företagets fabrik. Därefter kan modulerna installeras i företagets skalbara kraftverksdesign, som rymmer upp till 12 moduler med en sammanlagd kapacitet på 924 megawatt elektricitet.
Tack vare att produktionen i ett kraftverk med flera moduler lätt kan anpassas efter behov utgör NuScales kraftverk ett utmärkt komplement till förnybara energikällor med varierande produktion. Det kan även användas för flera olika tillämpningar samtidigt. Till exempel kan en del av modulerna producera elektricitet medan andra producerar värme till industriella processer som väteproduktion eller vattenavsaltning.
I augusti 2020 blev NuScale Power Module den först lilla modulära reaktorn att få grönt ljus av USA:s kärnkraftsmyndighet. Därmed kan företaget nu fortsätt med planerna att bygga sitt första kraftverk i Idaho Falls i USA. Kraftverkets första reaktormodul ska börja producera energi 2029 och kraftverket förväntas vara i full drift till 2030.
Fler på gång
Det finns även en mängd andra företag som utvecklar små modulära lättvattenreaktorer. Ett exempel är amerikanska Westinghouse, vars lilla modulär tryckvattenreaktor Westinghouse SMR kan producera från 225 megawatt elektricitet och använder sig av passiva säkerhetssystem och komponenter från reaktorn AP1000.
Det multinationella företaget GE Hitachi Nuclear Energys reaktor BWRX-300, som är baserad på företagets befintliga kokvattenreaktor ESBWR med en kapacitet på 1520 megawatt elektricitet, är omkring 90 procent mindre än sin föregångare och har en kapacitet på ungefär 300 megawatt elektricitet. Reaktorn planeras kunna rullas ut så tidigt som 2028.
I Storbritannien leder Rolls-Royce ett konsortium för att utveckla ett kraftverk som producerar prisvärd elektricitet med hjälp av en liten modulär lättvattenreaktor kallad UK SMR.
Nästa generations reaktorer
Utöver de fördelar som de delar med andra minireaktorer är de små modulära reaktorer som räknas till kärnkraftens fjärde generation även baserade på nya reaktordesigner, som bland annat utnyttjar bränslet mer effektivt än traditionella lättvattenreaktorer och undviker att lämna kvar något långlivat radioaktivt avfall.
Många av dessa nya designer är reaktorer med snabba neutroner. Det betyder att de kan omvandla den oklyvbara uranisotopen U-238, som utgör mer än 95 procent av det låganrikade uranbränsle som används i dagens lättvattenreaktorer, till den klyvbara plutoniumisotopen Pu-239, vilket gör att förbrukat kärnbränsle från dagens reaktorer kan användas igen. Därmed behöver inget nytt uran brytas, samtidigt som de långlivade restprodukterna i det förbrukade bränslet kan omvandlas till ämnen med kortare halveringstider.
Eftersom vatten bromsar de snabba neutronerna kan reaktorer med snabba neutroner, till skillnad från lättvattenreaktorer, inte använda sig av vatten som kylmedel. I stället används alternativa kylmedel som natrium, bly, helium eller smält salt.
En del reaktorer i den fjärde generationen, som grafitmodererade högtemperaturreaktorer och vissa smältsaltreaktorer, är emellertid, i likhet med lättvattenreaktorer, termiska reaktorer med långsamma neutroner.
Demonstrationsreaktor
Grafi tmodererade högtemperaturreaktorer, som använder bränslepartiklar inbäddade i grafi t och kyls med hjälp av till exempel gas, är bland de reaktorer av den fjärde generationen som kommit längst i utvecklingen.
Till exempel fick demonstrationsreaktorn HTR-PM, som utvecklas i Kina, sin första leverans av kärnbränsle i januari 2021. Den lilla modulära reaktorn är en grafitmodererad och gaskyld högtemperaturreaktor av så kallad pebble bed-typ. Det innebär att reaktorhärden består av tusentals sfäriska bränsleelement gjorda av pyrolytisk grafi t, som fungerar som moderator, och innehållande tusentals bränslepartiklar. Som kylmedel används helium, som inte kan reagera kemiskt med bränsleelementen.
Den demonstrationsanläggning som byggts vid kärnkraftverket Shidao Bay i Kina utgörs av två reaktormoduler som driver en gemensam ångturbin för att generera totalt 210 megawatt elektricitet. Efter att bränslet fyllts på är anläggningen redo för att tas i drift någon gång under 2021.
Hög driftstemperatur
När kärnkraftsmyndigheterna i USA och Kanada i december 2019 påbörjade sin första gemensamma tekniska granskning av en avancerad reaktordesign som inte är baserad på traditionell lättvattenteknik valde de den lilla modulär smältsaltreaktorn IMSR, som utvecklas av det kanadensiska företaget Terrestrial Energy. I oktober 2020 investerade den kanadensiska regeringen dessutom 20 miljoner dollar i Terrestrial Energy för att påskynda utvecklingen av företagets reaktor.
Även om de precis som lättvattenreaktorer är termiska reaktorer med långsamma neutroner har smältsaltreaktorer en mycket högre driftstemperatur och Terrestrial Energys reaktor kan leverera värme med en temperatur på 600 grader Celsius. Det innebär att reaktorn genererar elektricitet mer effektivt och därför kan producera cirka 50 procent mer elektricitet än en motsvarande lättvattenreaktor. Det betyder också att den värme som levereras av reaktorn utöver att producera elektricitet även kan utnyttjas för en rad andra ändamål.
Flytande bränsle
Det som i första hand skiljer smältsaltreaktorer från både dagens reaktorer och andra reaktorer i kärnkraftens fjärde generation är emellertid att de inte använder sig av fast bränsle. I stället används ett flytande bränsle bestående av uran upplöst i ett smält flouridsalt, som även fungerar som reaktorns primära kylmedel.
Tack vare sin höga kokpunkt gör det smälta saltet, förutom att det är bra på att leda bort värme från fissionsprocessen, att en smältsaltreaktor, till skillnad från en lättvattenreaktor, kan arbeta vid i stort sett normalt atmosfärstryck utan att kylmedlet kokar. I en nödsituation finns det därför inte något behov av att lätta på trycket i reaktorn för att förhindra en ångexplosion. Reaktorn riskerar inte heller att bli utan kylmedel då bränslet är kylmedlet och reaktorn helt förlitar sig på passiv kylning. Dessutom kan reaktorn inte drabbas av en härdsmälta eftersom bränslet redan befinner sig i flytande form.
Byts ut som ett batteri
Terrestrial Energys smältsaltreaktor skiljer sig även från de flesta andra reaktordesigner av fjärde generationen som utvecklas idag genom att den använder sig av låganrikat uran som bränsle. Eftersom det är samma bränsle som används i dagens lättvattenreaktorer är det en viktig egenskap när reaktorn ska kommersialiseras.
För att göra den redo för kommersiell drift har reaktorn också ett antal förbättringar jämfört med tidigare smältsaltreaktorer. Den största utmaningen när det gäller kommersialiseringen av smältsaltreaktorer har varit att den grafit som används som moderator för att bromsa neutronerna har en begränsad livslängd i en reaktorhärd och är svår att byta ut på ett säkert och ekonomiskt sätt. Terrestrial Energys reaktor löser detta problem genom att integrera reaktorns primära komponenter, inklusive grafitmoderatorn, i en sluten reaktormodul. När dess livslängd på sju år är slut kan hela modulen enkelt och säkert bytas ut som ett batteri.
Tack vare att modulerna, som var och en kan producera 190 megawatt elektricitet, kan massproduceras i en fabrik uppskattar Terrestrial Energy att ett kraftverk med deras småmodulära reaktorer kan byggas på bara fyra år och företagets första kommersiella kraftverk förväntas tas i drift någon gång i slutet av 2020-talet.
Snabba neutroner
Jämfört med termiska reaktorer är små modulära reaktorer med snabba neutroner, förutom att de kan återanvända förbrukat kärnbränsle, mindre och har en enklare design, samtidigt som bränslet inte behöver bytas lika ofta.
De reaktorer med snabba neutroner som vi har mest erfarenhet av och som därför ligger längst fram i utvecklingen är natriumkylda snabba neutronreaktorer. Till exempel utvecklas en kommersiell natriumkyld snabb neutronreaktor, som kallas för PRISM, av GE Hitachi. Det är en liten modulär reaktor, med en kapacitet på 311 megawatt elektricitet, som bygger på den experimentella reaktorn EBR-II, som var i drift i 30 år vid Argonne National Laboratory i USA.
Även bly har använts som kylmedel tidigare, bland annat i militära reaktorer, och blykylda snabba neutronreaktorer är tack vare att den värme som produceras av det radioaktiva sönderfallet i reaktorhärden förs bort genom naturlig konvektion i det flytande blyet passivt säkra. Dessutom skyddar blyet bra mot strålning och garantera att bara minimala mängder radioaktiva ämnen släpps ut i händelse av en härdsmälta.
Svensk blykyld reaktor
I Sverige arbetar företaget Blykalla med att utveckla en blykyld snabb neutronreaktor för kommersiell elproduktion i litet modulärt format. Blykalla grundades bland annat av Janne Wallenius, som är professor i reaktorfysik vid Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm, och förutom att företagets reaktordesign SEALER är passivt säker behöver bränslet inte bytas ut under reaktorns driftstid, vilket minimerar kostnaderna för bränslehantering.
Nyckeln till kommersialiseringen av Blykallas reaktor är emellertid den stållegering med aluminium som tagits fram i samarbete den svenska stålindustrin för att skydda de ytor som kommer i kontakt med det flytande blyet. Den första versionen av Blykallas reaktor, SEALER-Arctic, är designad för arktiska förhållanden i Kanada. Den kan grävas ner i marken och fungera som ett batteri med en eff ekt på mellan 3 och 10 megawatt i upp till 30 år.
SEALER-55 är en större version av reaktorn, som är designad för den brittiska marknaden. Reaktorn, som i stället för uranoxid använder urannitrid som bränsle, kan producera 55 megawatt elektricitet i 25 år.
Prototyp i Oskarshamn
Blykalla arbetar också med en version av SEALER för den svenska marknaden och i januari 2021 inledde företaget ett samarbete med Uniper Sverige och KTH. Tillsammans har de skickat in en ansökan till Energimyndigheten om medfinansiering av en icke-nukleär prototyp.
– Den teknik vi utvecklat i Blykalla är nu så mogen att vi tillsammans med Uniper kan börja uppföra en icke-nukleär prototyp för att i ett senare steg möjliggöra en kommersialisering av en ny reaktor. Det är ett stort och viktigt steg framåt för svensk reaktorteknologi, säger Janne Wallenius.
Under förutsättning att Energimyndigheten beviljar anslag och att finansieringen säkras kommer den eluppvärmda prototypen att byggas på OKG:s område vid Simpevarp utanför Oskarshamn. Genom att testa och verifiera material och teknik i en miljö med smält bly vid höga temperaturer ska prototypen, som planeras stå färdig 2024, bana väg för kommersialisering av Blykallas reaktorkoncept i Sverige under 2030-talet.
Bygger kompetens
Även Vattenfall har visat intresse för minireaktorer och företaget har bland annat deltagit i en förstudie med det nystartade estländska energibolaget Fermi Energia för att undersöka förutsättningarna för att bygga en eller flera små modulära reaktorer i Estland, som idag har EU:s högsta koldioxidutsläpp per producerad kilowattimme elektricitet.
I november 2020 tecknade Vattenfall och Fermi Energia dessutom en avsiktsförklaring för ett utökat samarbete.
– Avsikten med projektet och vårt fördjupade samarbete är att stötta Fermi i genomförandet av ett framgångsrikt europeiskt SMR-projekt, säger Torbjörn Wahlborg, chef för BA Generation inom Vattenfall. Han tillägger också att det kommer att ge Vattenfall värdefulla kunskaper inom ett område där de nu bygger kompetens.