Kuva: Burak K/Pexels

Teksti: Antti Rantakaulio, Fortum Power and Heat Oy

Termi SMR on sangen lavea, ja yhdistävä tekijä kaikille konsepteille on teho. Yhden määritelmän mukaisesti SMR-laitoksen sähköteho on alle 300 MW.  Konsepteja on useita erilaisia riippuen muun muassa tehosta ja siitä, mikä on niiden jäähdyte. Tehot vaihtelevat paljon joistakin megawateista satoihin megawatteihin. Monet konsepteista ovat vasta suunnittelupöydällä, mutta ensimmäiset prototyyppilaitokset ovat lähellä käyttöönottoa tai jo käytössä.  Lisäksi joissakin konsepteissa SMR-laitokseen kuuluu useita reaktorimoduuleita, kun taas joissakin laitos koostuu vain yhdestä reaktorista. Pisimmällä olevat konseptit ovat pääasiassa niin sanottuja kevytvesireaktoreita. Pisimmällä projektit ovat tällä hetkellä Kiinassa, Venäjällä ja Yhdysvalloissa. Kanadassa on myös merkittävä valtiovetoinen SMR-ohjelma käynnissä.

Teknologialtaan SMR:t ovat isojen laitosten kaltaisia. Uudet innovatiiviset ratkaisut kohdistuvat pääasiassa modulaarisuuteen ja sarjatuotantoon sekä tiettyihin turvallisuusominaisuuksiin. SMR-laitoksilta edellytetään samaa turvallisuustasoa kuin nykyisiltä isoilta laitoksilta. Yksi SMR:n eduista on se, että ne voidaan toteuttaa uusin innovatiivisin ratkaisuin kuten esimerkiksi passiivisilla turvallisuusjärjestelmillä.

Ennustettavaa ja vakaata energiantuotantoa

SMR-teknologioille on asetettu monia tavoitteita. SMR:ien etu, kuten nykyisten isojen ydinvoimalaitostenkin, on tehokas, ennustettava ja vakaa energiantuotanto. Tämän lisäksi SMR:llä tavoitellaan pienempää tehoa ja parempaa säädettävyyttä, standardoituja ratkaisuja, mahdollisimman pitkälle vietyä tehdasvalmisteisuutta, nopeampaa käyttöönottoa sekä mahdollisesti monipuolisempaa käyttöä mutta ennen kaikkea kustannustehokkuutta.

Isot voimalaitokset ja niiden suuruuden ekonomia ei enää täysin päde energiamarkkinoilla, joten SMR:n yksi selkeä etu olisi pienempi teho ja sitä myöten parempi soveltuvuus esimerkiksi sähkömarkkinoille, joissa uusiutuvien tuotanto vaihtelee. Pienen tehonsa myötä SMR-laitokset sopivatkin jossain määrin isoja laitoksia paremmin säädettäviksi. Tähän soveltuvat erityisesti SMR-konseptit, joissa on useampi reaktorimoduuli – ja jokaisella on oma höyryturbiinigeneraattori – tai joita käytetään sähkön- ja lämmönyhteistuotantoon.

SMR:n yksi merkittävimmistä tavoitteista on pyrkiä mahdollisimman pitkälle vietyyn tehdasvalmistusasteeseen. Tarkoituksena on, että SMR-laitoksia ei varsinaisesti rakennettaisi paikan päälle kuten isojen laitosten kohdalla toimitaan, vaan ne asennettaisiin paikalle tuoduista tehdasvalmisteisista moduuleista. Konseptista riippuen yksi tällainen moduuli voi olla jopa niin pitkälle valmisteltu tehtaassa, että paikan päällä tarvitsee vain kytkeä laitos muuhun infraan, kuten sähkö- tai lämpöverkkoon, ja ladata polttoaine laitokseen. Tehdasvalmisteisuus vaatii kuitenkin standardisoituja rakenteita ja moduuleita. Tämä tarkoittaisi sitä, että sama ratkaisu käy eri maihin ja vaatisi joko viranomaisvaatimusten harmonisointia tai toisessa maassa hyväksytyn ratkaisun kelpaamista toisessakin maassa.  Nykyiset isot laitokset luvitetaan maakohtaisesti, ja viranomaisvaatimuksissa on eroja eri maiden välillä, vaikka eri viranomaiset tekevätkin yhteistyötä ja niin sanotut ylätason vaatimuksetkin ovat melko yhteneväisiä.

Standardisoiduilla ratkaisuilla ja sarjavalmisteisuudella tavoitellaan selkeää kustannus- ja aikatauluhyötyä, mikä osaltaan varmistaa, että SMR-laitosprojektit pysyvät aikataulu- ja kustannustavoitteissa. Toisin kuin viimeaikaiset isojen laitosten projektien aikataulut ja budjetit ovat valitettavasti venyneet länsimaissa. Toki on hyvä muistaa, että sarjatuotannon edut aikataulun ja budjetin osalta on jo havaittu laitosprojekteissa, kun uusia ydinvoimalaitoksia rakennettiin laajamittaisesti 1970- ja 80-luvuilla.

Pienemmän tehotason myötä SMR-laitoksia voidaan käyttää myös täysin uusiin ratkaisuihin, kuten kaupunkien ja teollisuuden lämmönlähteenä, makean veden valmistuksessa tai eristyksissä olevien paikkojen, kuten kaivoskaupunkien energiantuotantoon. Etenkin SMR:n käyttö lämmöntuotannossa on mielenkiintoinen ehdotus.  Aihe on puhuttanut Suomessa, ja useissa suomalaisissa kaupungeissa on jo tehty aloitteita liittyen SMR:n käyttöön kaukolämmön tuotannossa. Asiaa on tutkittu myös Kiinassa, ja siellä on kehitteillä useampi lämpöreaktorikonsepti, jotka tuottaisivat lämpöä kaukolämpöverkkoon. Pienemmän tehon myötä niitä voitaisiin myös mahdollisesti sijoittaa lähemmäs kaupunkeja, esimerkiksi teollisuusalueille. Tämän lisäksi kehitetään niin sanottuja korkean lämpötilan reaktoreita, joilla päästään yli 700 °C:n lämpötilaan. Tällaisia reaktoreita voitaisiin käyttää teollisuudessa lämmönlähteenä.

Tutkijoilla työsarkaa

Vaikka ensimmäiset SMR-projektit ovat jo varsin pitkällä, vielä on paljon tehtävää ennen kuin tavoiteltu kustannustaso saavutetaan.  Ne liittyvät ennen kaikkea tehdasvalmistukseen ja standardiratkaisuihin ja siihen, miten ne saadaan vietyä käytäntöön. Kustannushyötyjä ei vielä saavuteta ensimmäisten laitosten kohdalla vaan vasta, kun useampi voimalaitos on valmistettu.  Jokaiseen maahan ei välttämättä kannata rakentaa omaa moduuleja valmistavaa tehdasta ja hankintaketjua, vaan kysymykseen voisi tulla esimerkiksi maanosakohtaiset tehtaat ja niihin liittyvät toimitusketjut. 

Ydinvoimaan liittyy vahva viranomaisvalvonta. SMR:n myötä lisensiointiin on löydettävä uusia tehokkaampia keinoja, etenkin kun tarkoituksena on siirtyä sarjatuotantoon. Eri maiden viranomaisilta ja myös ydinvoiman luvanhaltijayhtiöiltä vaadittaisiin entistä laajempaa yhteistyötä. Luultavasti valvonnan painopiste siirtyisi entistä enemmän valmistuksen valvontaan ja jonkinlaisiin konseptien tyyppihyväksyntä- sekä tehdashyväksyntämenettelyihin. Tämä edellyttää vielä paljon töitä ja yhteistyötä kansallisella ja kansainvälisellä tasolla laitostoimittajien, energiantuottajien ja viranomaisten kesken.

Edellä mainittuja kysymyksiä tutkitaan paljon ja niihin on omalta osaltaan vastaamassa syyskuussa 2019 käynnistynyt VTT:n koordinoima EURATOM-projekti ELSMOR, jossa Fortum on mukana. ELSMOR:ssa on monia merkittäviä eurooppalaisia ydinvoima-alan organisaatioita mukana, kuten CEA, Framatome ja EdF. Reilut kolme vuotta kestävän projektin tarkoituksena on muun muassa kehittää uusia tapoja osoittaa turvallisuusvaatimusten täyttyminen. Näillä on osaltaan tarkoitus varmistaa, että laitosten lisensiointi on mahdollisimman läpinäkyvää ja sujuvaa, mikä edesauttaa projektien pysymistä budjetissa ja aikataulussa.

Fortumissa SMR on ollut usean vuoden ajan osa ydinvoiman T&K-ohjelmaa. Näemme SMR:t yhtenä osana ydinvoiman tulevaisuutta ja seuraamme aktiivisesti, mitä maailmalla tapahtuu, sekä osallistumme erilaisiin kansallisiin ja kansainvälisiin hankkeisiin. Osana SMR T&K -projektia olemme myös kehittäneet omaa osaamistamme ja työkaluja esimerkiksi SMR-laitosten simulointiin.

SMR:t ovat potentiaalinen ja kustannustehokas väline ilmastonmuutoksen torjunnassa. Ensimmäiset projektit ovat pitkällä, mutta silti riittää paljon tehtävää, jotta kaikki niille asetetut tavoitteet saavutetaan. Se edellyttää ennen kaikkea ennakkoluulotonta yhteistyötä ja valmiutta hakea uusia ratkaisuja eri ydinvoima-alan toimijoiden kesken.

Artikkeli on alun perin julkaistu Promaint-lehden numerossa 3/2019

Lue aiheesta lisää: 

https://promaintlehti.fi/Laite-ja-korjaustekniikat/VTT-kehittaa-pienreaktoria-kaukolampokayttoon

https://promaintlehti.fi/Laite-ja-korjaustekniikat/SMR-voimalat-trendaavat-ydinvoima-alalla