Pienet modulaariset reaktorit

Transkriptio

1 TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Pienet modulaariset reaktorit Aalto Ville Tulkki, erikoistutkija, VTT

2 Ydinvoima tulevaisuudessa Suuret kevytvesireaktorit Puhtaan sähköntuotannon työhevonen Nykyisin ~10 GW uutta kapasiteettia vuodessa IEA:n 2 asteen skenaario vaatisi 20 GW vuodessa Hyötöreaktorit ja suljettu polttoainekierto Suuria kansallisia hankkeita Venäjällä BN800 toiminnassa, Ranskassa Astrid suunnitteilla Vaihtoehto suoralle loppusijoittamiselle Pienet modulaariset reaktorit Uusi näkökulma ydinvoimaan Potentiaali laajentaa ydinvoiman käytettävyyttä huomattavasti

3 Mitä ovat pienet modulaariset reaktorit?

4 Mitä nämä pienet modulaariset reaktorit ovat? SMR = Small Modular Reactors Pieniä Teho kymmeniä tai muutamia satoja megawatteja toisin kuin nyt rakennettavat gigawattiluokan reaktorit Saavutetaan nth-of-kindin edut nopeasti Modulaarisia Suuret komponentit kootaan tehtaalla Rahdattavissa paikan päälle Standardisoitu tuote Samassa laitoksessa voi olla useita reaktorimoduuleja Reaktoreita Yhä pohjimmiltaan ydinreaktoreita, monia designeja suunnitteilla tämä voi mennä hyvinkin hämmentäväksi

5 Monenlaisia ydinreaktoreita Ydinreaktoriin tarvitaan uraanin lisäksi kahta asiaa: Tapa saada lämpö pois reaktorista (Jäähdyte) Tapa ylläpitää ketjureaktiota (Korkea uraanin väkevöintiaste tai hidastimen käyttö)

6 Monta tapaa hajottaa atomi Jäähdyte voi olla Vettä Kaasua Sulaa suolaa Sulaa natriumia Sulaa lyijyä Sulasuolareaktori Kevytvesireaktori Korkean lämpötilan reaktori Hyötöreaktori Hidastin voi olla Vettä Grafiittia (ei mitään)

7 Eri designeja riittää? Miksi? Suuri määrä eri reakto

8 Turvallisuus Ydinvoiman kohdalla puhutaan paljon turvallisuudesta Varsinkin uusia konsepteja perustellaan paljon sillä Mutta mitä tarkoitamme kun puhumme turvallisuudesta ja sen lisäämisestä?

9 Turvallisuus kuolemina ja sairastuvuutena per tuotettu TWh The Lancet Volume 370, No. 9591, p , 15 September

10 Turvallisuuden lisääminen Uusien ydinvoimaloiden sanotaan olevan turvallisempia kuin vanhojen Kuinka monta henkeä on Suomessa menetetty ydinonnettomuuksien vuoksi? Miten voimme parantaa tästä uusilla konsepteilla?

11 Turvallisuus kun puhutaan ydinvoimasta Turvallisuus juuri ydinvoiman turvallisuuteen kohdistuvaa Sydänvauriotaajuus Laskennallinen Kuvaa riskiprofiilin kehittymistä Onnettomuuden hallinta Työntekijöiden suojelu Yms Jatkuvan kehittämisen periaate, ALARA

12 Tapahtuneet onnettomuudet Ydinonnettomuuksia on tapahtunut Onko laitoksissa tehty systemaattista riskien arviointia? Olivatko riskit yleisesti tiedossa? Organisaation rooli? Ovatko nämä asioita, jotka voidaan ratkaista teknologialla?

13 Mitä eroa verrattuna isoihin (turvallisuus) Pienuus mahdollistaa Helpommin todennettavat turvallisuuden takaavat ratkaisut Pienet asiat jäähtyvät nopeammin Passiivisesti toimivat ratkaisut Monet perinteistä kevytvesiteknologiaa mutta: Lauttareaktorimahdollisuus? Puhtaasti kaukolämpöä tuottava olisi helpompi Kaasu- ja metallijäähdytteet mahdollistavat aivan uudet ratkaisut A V ~ r2 r 3 = 1 r

14 Pienreaktorit tällä hetkellä Hypeä vai konkretiaa?

15 Canada: Reactor designs in pre-licensing pipeline Aims to be SMR technology hub Russia: Movable barge SMRs RITM-200 ship reactor usable on land also United States: NuScale SMR under licensing process First plant to be finished mid-2020s United Kingdom: SMR competition on-going China: HTR-PM dual unit SMR (200 MWe) high temperature reactor ready in 2018 Aims for strong domestic and international expansion South Korea: SMART light water SMR

16 Konkreettisia esimerkkejä: Kolme erilaista projektia NuScale Yhdysvaltalainen kevytvesireaktori, 1-12 moduulia per voimalaitos HTR-PM IMSR Kiinalainen kuulakekoreaktori Kanadalaisen startupin sulasuolareaktori Edustavat kolmea erilaista teknologiaa

17 NuScale Tehdasvalmisteisia reaktorimoduuleja 160 MWth kevytvesireaktori Lämmönvaihdin moduulin sisällä Jokaisella reaktorilla oma 50 MWe turpiininsa Voi käyttää myös lämpöä Ulostulevan höyryn lämpötila max 300 C 1-12 moduulin laitos Seinät tehdään ensin, sitten reaktorimoduulit tuodaan laitokselle Lisensointiprosessi käynnissä USAssa Ensimmäinen laitos USAan 2020-luvun puolivälissä Source: free to use wikimedia figure Diagram_of_a_NuScale_reactor.jpg

18 HTR-PM High Temperature Reactor Pebble bed Modular Kaasujäähdytteinen kuulakekoreaktori Grafiittipalloja, heliumjäähdyte Demoreaktorin pitäisi käynnistyä vuoden sisään Shangdongin provinssissa Kiinassa Reaktorin ulostulo 750 C Lämmittää sekundaaripiirin höyryä 565 C 250 MWth per reaktori 2 reaktoria tuottaa höyryä yhteen 200 MWe turbiiniin 2018 tarkoitus aloittaa seuraava vaihe 3 x 2 reaktoria 600 MWe turpiiniin Feasibility study petrokemian sovelluksista Saudi-Arabiaan, yhteistyö Indonesian kanssa, mahd. Puola Figure under CC-Zero public license ebble_bed_reactor_scheme_(english).svg

19 IMSR Integral Molten Salt Reactor Sulasuolareaktori Polttoaine liikkuu suolan seassa reaktoripöntön sisällä Hyvin skaalautuva design Perinteisellä sulasuolareaktorilla haasteita materiaalin kestävyyden, asekelpoisen materiaalin suhteen IMSR väistää nämä vaihtamalla reaktoripöntön 7 vuoden välein Ulostulon lämpötila C Sähkö, prosessiteollisuus Kanadassa esilisensiointiputkessa Ensimmäinen kaupallinen laitos luvun puolivälissä Image CC-BY-SA-4.0 licensed by Terrestial Energy at lications.png 19

20 Hyödyt ja haasteet Mihin pienreaktoreita voi käyttää?

21 SMRiä voi käyttä sähköntuotantoon Sopivat pienempiin verkkoihin Off-grid -sovellukset Verkon tukitoiminnot Pienemmät yksikköhinnat Enemmän yksiköitä helpottaa toimitusketjuja Nopeampi rakentaminen

22 mutta mitä se vaatisi? Taloudellisuus? Suuruuden ekonomia vs sarjatuotanto? Lisensointi Kansainvälinen yhteistyö? Käyttökohteet

23 mutta ne myös mahdollistavat ydinenergian laajemman käytön Matalan lämpötilan sovelluksista Jalostamot Bioprosessien lämpö Synteettiset polttoaineet Suolanpoisto Kemian prosessit Kaukolämpö Vedyntuotanto korkean lämpötilan sovelluksiin IEA Energy Technologies Perspectives 2017: Nuclear energy is also a low-carbon source of heat and can play a relevant role in decarbonising other parts of the energy system where heat is being consumed, e.g. district heating, seawater desalination, industrial production processes and fuel synthesis

24 Ydinvoimalla on ollut monia käyttökohteita sähkön lisäksi jo pitkään Tutkimusreaktori tuottaa höyryä paperikoneelle Haldenissa, Norjassa Kaukolämpöä ydinvoimalla Suolanpoistoa merivedestä ydinvoimalla Ydinkäyttöisiä laivoja Siviilipuolella rahtilaivoja, jäänmurtajia IEA Energy Technologies Perspectives 2017: On board nuclear energy storage and power generation could be a clean and relatively cheap solution to decarbonise shipping

25 Kaukolämpö ydinvoimalla Ydinlaitoksen rakenteiden kestävyyden ja turvallisuuden varmistamisen haasteet pitkälti korkeasta paineesta ja lämpötilasta Jos tuotetaan vain kaukolämpöä haasteet pienempiä

26 NuScale lämmöntuotannossa 160 MWth moduulit soveltuvan kokoisia yksiköitä kaukolämpöverkkoihin SMRien sijoitus voi olla joustavampaa kuin isojen laitosten Alustavia hinta-arvioita julkisiin lähteisiin perustuen Hintaan lisätty kustannuksia ensimmäisestä maassa tehdystä laitoksesta, pienestä yksiköstä Verrattu 2016 TEMille tehtyyn arvioon ison kaupungin kaukolämmön kustannuksista

27 Assumed DH consumption and electricity spot price Other assumptions Emission permit price Natural gas price Biomass price Heat tax - CHP (gas) Heat tax - boiler (gas) Grid cost (HP) 20 /ton 27 /MWh 35 /MWh 12.1 /MWh 17.4 /MWh 35 /MWh Minimum heat load of 80MW models hot water consumption. Average electricity spot price ranges from 15 /MWh (factor 0.4) to 52 /MWh (factor 1.4). Assumptions based on public sources as per earlier work reported in /VTT-R pdf 27/02/

28 DH production NGCC and BioCHP have summer maintenance shut-outs. Heat plants (bio and gas) have no limits in terms of flexibility or minimum load. Small heat storage (50 MWh) is used in the model to represent storage properties of DH pipeline. 27/02/

29 Utilisation rates Role of natural gas fired power plants decreases in NuScale scenarios. Heat pump utilisation remains in high level due to high efficiency. Even with high level base load supply by NuScale high utilisation of biomass fired heat plant is required. 27/02/

30 Utilisation rate of DH production units Utilisation rate of NuScale is not sensitive to DH demand or electricity price. DH demand and electricity price variation affects strongly average DH production cost. High electricity prices are necessity for higher NGCC operation. 27/02/

31 Duration curves of DH production In DH mode NuScale operates at low load during summer due to high DH capacity, whereas in CHP mode capacity is more compatible with DH load. Number of peak load hours of biomass fired heat plant relatively high. 27/02/

32 Production cost of DH Production cost of DH in NuScale scenarios is 58-62% of BAU scenario. Fuel cost and electricity trading affect most production cost. Taxes are low since natural gas fired untis are operated at relatively low level. 27/02/

33 Marginal cost of DH production Marginal cost in NuScale CHP scenario is negative during summer hours due to sold nuclear electricity. 27/02/

34 Investment payback period Discount rate of 5% is used. Fixed OM cost of M /MW is used for NuScale in annual costs. 27/02/

35 Sensitivity of investment Licensing costs are assumed to be part of the CAPEX 27/02/

36 Haasteet kaukolämpökäytössä? Tekniset haasteet? Lisensointi? Yhteiskunta? Muut?

37 Muut kuin kevytvesireaktorit Nyt käsitelty lähinnä kevytvesireaktoreita Muiden sovelluskohteet Suljettu polttoainekierto Hyötyjä ja haittoja verrattuna nykyiseen Polttoaineen riittävyys, loppusijoituksen vaatimukset Tekninen valmius, työntekijöiden turvallisuus Korkean lämpötilan sovellukset Parempi CHP-mahdollisuus Teolliset sovellukset Mahdollisesti halvemmat ratkaisut Tekninen kypsyys, käytännön kokemus!

38 Kehittyneiden reaktoreiden lämpösovellukset Kehittyneillä reaktoreilla prosessilämpöä 600 C, 800 C, mahd. jatkossa 1000 C Alustava hintaluokka samaa kuin vesireaktoreilla per tuotettu MWth Riippuu sovelluksen koosta Lupaus halvemmasta, epävarmuuksia johtuen teknologiasta Petrokemia, teollisuuden prosessit, tulevaisuudessa vedyn tuotanto korkean lämpötilan elektrolyysilla Tulevina vuosikymmeninä polttamisesta pitää luopua SMR-luokan ydinreaktorit yksi mahdollisuus ratkaista ongelma

39 Yhteenvetona Ydinvoima oleellinen osa vähäpäästöistä energiapalettia Pienet modulaariset reaktorit tulossa Valmis, taloudellinen periaatteessa täydellisen lähtökohdan sijaan Uudet sovellusmahdollisuudet Varsinkin lämmöntuotanto hyvin lupaava jo nyt Kaukolämmössä kilpailukykyinen Teolliset sovellukset Tulevaisuudessa myös vedyllä kova potentiaali Vähäpäästöinen taloudellinen vety käytännössä vaatimus teollisuuden dekarbonisointiin Teknologia demonstrointivaiheessa VTT:n ja Fortumin kehittämä APROS-ohjelma teollisten prosessien simulointiin

40 TEKNOLOGIASTA TULOSTA