Pienreaktori. Mitä ne ovat? Ville Sahlberg Research Scientist VTT Technical Research Centre of Finland. Aalto University Reaktori.

Transkriptio

1 Pieni Reaktori Pienreaktorit. Mitä ne ovat? Pienreaktori Ville Sahlberg Research Scientist VTT Technical Research Centre of Finland?????? Aalto University /68

2 Jos ajatuksia, mietteitä, kommentteja: 2/68

3 3/68

4 Sisältö Pienreaktorit: Mitä ja Miksi Kansainvälinen tilanne Suurin osa esityksen kuvista: Pienreaktorit: Kuinka ydinenergian sovelluskohteita voidaan laajentaa Kysymykset ja keskustelu 4/68

5 Mitä? 5/68

6 MODULAR SMALL SMR - pienreaktori REACTORS VTT beyond the obvious 6/68

7 Ydinreaktoreita on monenlaisia Tehon tuotantoon tarvitaan kaksi asiaa itse polttoaineen lisäksi Lämmönsiirto pois reaktorista (Jäähdyte) Ketjureaktion ylläpito (Korkea polttoaineen väkevöintiaste tai moderaattori) 7/68

8 Monia tapoja ratkaista ongelma: Jäähdyte voi olla: Vettä Kevytvesireaktori Raskasvesireaktori Moderaattori voi olla: Vettä Raskasta vettä Kaasua Sulasuolaa Korkean lämpötilan reaktori Sulasuolareaktori Grafiittia 18/03/2019 Sulaa natriumia Sulaa lyijyä Hyötö- tai polttoreaktori (ei ole) 8/68 8

9 Konseptien monimuotoisuus Reaktorin koko/lämpöteho, jäähdyte, polttoaineen muoto Englanniksi SMR on kattotermi. Suomeksi pienreaktori on hyvä Kevytvesiteknologia kypsintä ja testatuinta 9/68

10 Miksi? 10/68

11 Suuruuden ekonomia /MWh Sarjatuotanto? Mahdollisimman suuret laitokset Yksikkökoko 11/68

12 Yksinkertaisempien järjestelmien mahdollisuudet Pienempi yksikkökoko (reaktorin lämpöteho) riittävä turvallisuuden saavuttaminen yksinkertaisemmilla järjestelmillä Tuotettu teho on verrannollinen reaktorin tilavuuteen. Lämmönjohtuminen on verrannollinen pinta-alaan. Innovatiivisia ratkaisuja: Komponentteja integroivat paineastiat (ipwr) poistavat suuren jäähdytevuodon (LBLOCA) mahdollisuuden Tulevaisuudessa uusia reaktoriteknologioita Turvallisempia? ~ = 1 12/68

13 Turvallisuus: Kuolemantuottamuksia tai vakavia sairauksia per TWh energiaa The Lancet Volume 370, No. 9591, p , 15 September 2007

14 Sovelluskohteet Tutut Uusien alueiden valtaus Sähkö Kaukolämpö Suolanpoisto (desalinaatio) Vedyn tuotanto Sähköverkon tuki Teollisuuden prosessilämpö Off-grid sovellukset VTT beyond the obvious 14/68

15 Pienreaktoreilla on useita etuja lämmöntuotossa Lämpö Hankalaa siirtää paikallinen tuotanto tarpeen Rajallinen kysyntä ei tarvetta gigawateille gigawattien perään tehoa Hyvin rajallinen määrä vähähiilisiä vaihtoehtoja Matalia lämpötiloja voidaan tuottaa kevyemmin komponentein Kaukolämpöreaktorit 15/68

16 Kansainvälinen tilanne 16/68

17 Kanada: Reaktorikonsepteja lisensointiputkessa Tähtää pienreaktori-hubiksi Yhdysvallat NuScale -SMR lisensointiprosessissa Arvio: Ensimmäinen NuScale valmiina 2027 Iso-Britannia: Kehittyneiden modulaaristen reaktorien tuki-instrumentti Kansallinen osaamisen luonti pienreaktoreiden rakentamiseksi Ranska: Ranskalainen pienreaktoria kehittävä konsortio muodostettu Osa kansainvälisestä kehityksestä tiivistettynä Venäjä: Siirrettävä lauttareaktori RITM-200 laivareaktori soveltuu myös maalle Kiina: HTR-PM: Kahden reaktorin SMR (200 MWe) korkean lämpötilan reaktori rakennettu, ei vielä käytössä Kaukolömpöreaktorien demonstraatioita Useita muita pienreaktorikonsepteja Tähtää vahvasti kansallisiin ja kansainvälisiin markkinoihin Etelä-Korea SMART kevytvesi-smr

18 Venäjä 18/68

19 Venäjä Useita konsepteja eri kehitysasteilla Lauttareaktorit Hinataan syrjäseuduille energianlähteiksi Hyödyntävät muokattuja jäänmurtajien reaktoreita KLT-40S, RITM-200 Screenshot from 19/68

20 Siirtymä: KLT-40S RITM-200 Perinteisestä ipwr:ään 20/68

21 Yhdysvallat 21/68

22 Yhdysvallat Useita aloituksia ja keskeytyksiä pienreaktoriprojekteilla (ja muuten kehittyneillä reaktoreilla) viime vuosikymmenenä NuScale parhaillaan lisensointiprosessissa, ensimmäinen laitos suunniteltu Idahoon Viime aikoina tuki uusien reaktorien kehittämiseen ja lisensointiin kasvanut GAIN-ohjelma ja muu R&D rahoitus Tavoitteena mahdollistaa kehittyneiden reaktorien mielekäs lisensointi 22/68

23 NuScale Modulaarinen ipwr lisensointiprosessissa Source: free to use wikimedia figure eactor.jpg VTT 2018

24 Kanada 24/68

25 Kanada pienreaktorihubina Kanadalla useita etuja: Pitkä ydinvoimaperinne Kokemusta oman ydinteknologian kehittämisestä alusta asti Erityisiä off grid sovelluskohteita pienreaktoreille Painopiste epätavanomaisissa pienreaktoreissa Share-alike image, license information 25/68

26 Kanada pienreaktorihubina Canadian Nuclear Laboratory Globaali keskittymä pienreaktoritutkimukselle Demonstraatiolaitos rakennetaan CNL:n laitospaikalle 2026 mennessä Kutsunnat demonstraatioprojekteille menossa Kolme projektia tiedossa IMSR, StarCore ja Global First Power:n konsortio Kanadan valvova viranomainen: Canadian Nuclear Safety Commission Lisensointireitti, joka soveltuu uuden teknologian kehittymiseen Useita pienreaktoreita esilisensointi-prosessissa 26/68

27 Kanadan esilisensointiprosessien status Vendor Name of design and cooling type Terrestrial Energy Inc. IMSR Integral Molten Salt Reactor 200 NuScale Power, LLC Ultra Safe Nuclear Corporation / Global First Power NuScale Integral Pressurized Water Reactor MMR-5 and MMR-10 High Temperature Gas 5-10 Approximate electrical capacity (MW electrical) Applied for Phase1 Phase 2 50 per module Phase 2* Phase 1 Phase2 Westinghouse Electric Company, LLC evinci Micro Reactor Solid core and heat pipes Various outputs up to 25 MWe Phase 2* LeadCold Nuclear Inc. SEALER Molten Lead 3 Phase 1 Advanced Reactor Concepts Ltd. ARC-100 Liquid Sodium 100 Phase 1 URENCO U-Battery High-Temperature Gas 4 Phase 1 Moltex Energy Moltex Energy Stable Salt Reactor 300 Series Phase 1 and 2 SMR, LLC. (A Holtec International Company) SMR-160 Pressurized Light Water 160 Phase 1 StarCore Nuclear StarCore Module High-Temperature Gas 14 Series Phase 1 and 2 27/68 Source:

28 Integral Molten Salt Reactor 28/68

29 Westinghouse evinci Heat pipet: Sama idea kuin NASA:n Kilopower reaktorissa esim. Mars-missioita varten 29/68

30 Kanadan pienreaktorien tiekartta julkistettu Suosituksia: Pienreaktorien demonstroinnille Viranomaisvaatimuksille, regulaatiolle, politiikalle Yhteisöjen huomioimiselle, yleisön osallistamiselle, yleiselle hyväksyttävyydelle Kansainvälisistä yhteistyökumppaneista ja kuvioista Oleellinen sanoma: Aika tehdä, ei jauhaa 30/68

31 Kiina 31/68

32 Kiina etenee usealla rintamalla Rakentaa suuria ydinvoimalaitoksia sähköntuotantoon Useita pienreaktoreita suunniteltu ja suunnitteluprosessissa, pääasiassa erityistarpeisiin Teollisuuden prosessilämpö Desalinaatio Kaukolämpö Laivat 32/68

33 Tarve puhtaalle kaukolämmölle Pohjois-Kiina lämmitetään kaukolämmöllä Hiili-CHP -laitoksia Paikalliset ilmansaasteet, sähköverkon pullonkaulat yhdistettynä kasvaneeseen tuulivoiman määrään Tarve puhdistaa lämmöntuotanto Image from W. Xiong et al., Energy Vol 81, 1 March 2015, Pages /68

34 HTR-PM High Temperature Reactor Pebble bed Modular Kaasujäähytteinen kuulakekoreaktori Teknologia alun perin Saksassa kehitetty Demontraatiolaitos lähes valmis Reaktorin ulostulossa: 750 C Sekundaaripiirin höyry: 565 C Kaksi reaktoria ajaa yhtä 200 MWe turbiinia HTR-PM:ää seuraa toinen vaihe: 3 x tupla-reaktoria ajaa 600 MWe turbiinia Plug-in korvaaja hiilivoimaloille, yhteistuotannolle. Tulevaisuudessa vedyn tuotantoon?

35 HTR-PM 35/68

36 Kiina: Kaukolämpöreaktorit Nykyiseen 4v energiasuunnitelmaan kuuluu demonstration of concept DHR-400 CNNC HAPPY200 SPICRI NHR200-II CGN Allasreaktori. Tuottaa 90 C vettä kaukolämpöverkkoon. Ensimmäinen laitos arvioitu valmistuvan VTT MPa paine reaktorissa, tuottaa ~120 C vettä Konsepti jonka suunnitelmia on iteroitu useita kertoja viimeisten vuosikymmenien aikana. Useita käyttökohteita nähtävissä. Soveltuvuustutkimus ensimmäisestä laitoksesta käynnissä.

37 DHR /68

38 Eurooppa 38/68

39 Pienreaktorit Euroopassa Useita lähestymistapoja Pienreaktorien kehittäjiä: Iso-Britannia, Ranska, Venäjä Mahdollisia hyödyntäjiä: Energoatom:lla (Ukraina) Memorandum of Understanding Holtec:n kanssa pienreaktoreista Puola mahdollinen VHTR -maa 39/68

40 Iso-Britannia Nuclear Sector Deal sisällyttää sekä kevytvesireaktorit että AMR:t (Advanced Modular Reactors) R&D tukea AMR:ien kehittämiseen 8 konseptin saamat apurahat julkistettiin 2018 puolessa välissä Uusi kehys pienreaktoreiden tuotannon mahdollistamiseen ja tukemiseen lähitulevaisuudessa Kantava idea: kotimaisen teollisuuden tukeminen ja uudelleen pystytys 40/68

41 Ranska Perinteisesti suosinut suuria ydinlaitoksia Konsortio ranskalaisen pienreaktorin suunnitteluun muodostettu Konseptisuunnitteluvaiheessa Ranskan ydinteollisuudelle strategic contract nyt tammikuussa Sisältää sitoumuksen uuden pienreaktorin kehittämiseen ranskalaisella teknologialla Nojaa vahvasti sukellusvenetekniikkaan 41/68

42 Entä Suomi? 42/68

43 Suomen sähkö on jo suhteellisen puhdasta ja puhdistuu koko ajan SUOMEN SÄHKÖN TUOTANTO 2016 Fossiilista 20% Noin kolmannes Suomessa tuotetusta sähköstä tuotetaan ydinenergialla Vähähiilistä 80% Muita vähäpäästöisiä: vesivoima ~20%, biomassa ~20%, tuulivoima ~10%

44 Suurimmat yksittäiset hiilidioksidin päästäjät TONNIA CO2 PÄÄSTÖJÄ

45 Lämpö ei ole vain Suomen haaste - täällä vain ollaan hitusen muita edellä Asuntojen lämmitys, teollisuuden prosessilämpö tulevat olevaan ongelma maailmanlaajuisesti. 45/68

46 Suomen vuosittaista sähkönkulutusta EUROOPAN LÄMMÖN KULUTUS C C C C Lämpötila

47 Suomen vuosittaista sähkönkulutusta EUROOPAN LÄMMÖN KULUTUS Rakennusten lämmitys, paperitehtaat, jne C C C C Lämpötila

48 Kaukolämpö Keskustelu lämmityksen päästöistä käynnissä paraikaa Ydinkaukolämpö ei ole mitenkään uutta ~50 ydinreaktoria tuottaa myös lämpöä lähialueen yhteisöille Olkiluodossa 1 & 2 laitosalueita lämmitetään reaktorien hukkalämmöllä. OL3 sähkölämmitys. Suunnitelmia lämpöreaktoreille 1970-luvulla VTT /68

49 Tekno-ekonomiset analyysit VTT:ltä alustavia soveltuvuusarvioita ydinlämmön integroimisessa kaukolämpöverkkoon Kesän kysyntä on alhainen, Periaatteessa pääkaupunkiseudulle mahtuisi useiden satojen megawattien edestä reaktoreita Syrjäyttää polttamista VTT 2018

50 Suomessa on useita pieniä kaukolämmän tuottajia Tarve muutaman kymmenen MWth suuruusluokan reaktorille? 50/68

51 Suomen vuosittaista sähkönkulutusta EUROOPAN LÄMMÖN KULUTUS C C C C Lämpötila Kemianteollisuus, jalostamot

52 HTR-PM Kaasujäähdytteinen reaktori Hiilikattiloiden korvaaminen Teollisuuden lämpö

53 Suomen vuosittaista sähkönkulutusta EUROOPAN LÄMMÖN KULUTUS C C C C Lämpötila Teräksen, sementin, lasin, jne tuotanto

54 EU: NC2I Nuclear Cogeneration Industrial Initiative

55 Haasteita Regulaatio Mahdollisuuksien ja rajoitteiden ymmärtäminen Kokonaisuuteen integrointi Pienreaktorit VTT 2018 Toimitusvalmius, alihankkijat Sidosryhmien aktivointi Yleinen hyväksyntä ja tiedon levitys

56 VTT:n projekti: Kasata suomalainen pienreaktoriekosysteemi Tarkoituksena määrittää pienreaktorien lähitulevaisuuden potentiaali Lämpöä erilaisiin käyttökohteisiin Suomalaisen teollisuuden kyvykkyys ja halukkuus Reactor concept Either existing commercial reactor or Finnish heat reactor Use case What is needed by user? Technical details, demands, limitations Business case What are commercial, regulatory, social requirements plant needs to fulfil Business case Global potential demand for the solution Finnish business Potential Finnish supply? Manufacturing, project management, etc

57 Kuinka tulevaisuuden energian saatavuus taataan? Paljon lisää ydinvoimaa Paikallinen tuotanto, vaihtelevat käyttökohteet ja/tai? Uusiutuvien ylituotanto Sekä keinoja kompensoida: Varastointi Power to X Lämpöpumput??? Kukaan ei oikein tiedä vielä. Jos minulta kysytään: molempi parempi 57/68

58 Pienreaktorit Laajentavat ydinenergian käyttökohteita Usein perinteisten, suurien ydinvoimaloiden rinnalle Lukuisia erilaisia konsepteja Tällä hetkellä menossa innovation death valley proof of conceptien ja kaupallistumisen välissä Auttaisivat tulevaisuuden vaikeissa haasteissa Vähähiilistä joustavaa sähköntuotantoa, asuinrakennusten lämmitys, teollisuuden prosessilämpö 58/68

59 Etukäteen tulleita kysymyksiä 59/68

60 Tsernobyl ja Fukushima Tsernobyl on huono verrokki nykyisiin ydinvoimalaitoksiin Tapahtui 1982 (32-33 vuotta sitten) Laitos rakennettiin Ikivanhaa tekniikkaa useammassa kuin yhdessä mielessä laitokset olivat muokattuja versioita Neuvostoliiton plutoniumin tuotantolaitoksista Fukushima mielenkiintoisempi vertailukohta pienreaktoreihin Tarkat Tsernobylin ja Fukushiman onnettomuuksien kuvaukset: Fissioreaktori-blogi Kirjoittajina blogissa: Reaktoriturvallisuuden tutkimusprofessori Jaakko Leppänen (VTT) Reaktorianalyysin tutkimusryhmän tiimipäällikkö Ville Tulkki (VTT) 60/68

61 Tsernobyl Tsernobylin yhdessä yksikössä oli tarkoitus tehdä (hieman kyseenalaisia) käyttökokeita iltapäivällä Reaktori ajettiin toisenlaiseen tilaan (vajaateholle 50%) ajallaan, mutta Kiovan sähköverkon päävalvomosta tuli käsky jatkaa sähköntuotantoa tällä 50% teholla kokeiden suorittamisen sijaan Vajaalla teholla ajo muutti reaktorin tilaa (ns. Ksenon-myrkytys) Yöllä 0:28, kokeiden valmistelu ja suorittaminen aloitettiin Reaktorin muuttuneen tilan vuoksi säätösauvoja piti vetää huomattavasti pois reaktorista, jotta koe pystyi etenemään 61/68

62 Tsernobyl Lisäksi: Tsernobylin reaktori oli suunniteltu väärin: Oli olemassa reaktorin tiloja, joissa reaktorin kuumentuessa, reaktorin teho alkaa kasvamaan positiivinen lämpötilan takaisinkytkentä Nyt reaktori oli sellaisessa tilassa Kokeen edetessä, loput on historiaa Suunnitteluvirheen ja reaktorin muuttuneen tilan vuoksi, säätösauvojen työntäminen takaisin reaktoriin sai tehon nousemaan Fissioteho nousi nopeasti hyvin suureksi ja reaktori räjähti Ainakin höyryräjähdys tapahtunut. Myös vetyä vapautunut. 62/68

63 Tsernobyl Jos mikä tahansa mainituista yksittäisistä ongelmista olisi korjattu, onnettomuutta ei olisi tapahtunut: Turvallisuuskulttuuri: ydinvoimalan operaattorin ei pidä kuunnella sähköverkon käskyjä pyyntöjä ensisijaisina Reaktorisuunnittelu: nykyään positiivisen takaisinkytkennän reaktorit ovat globaalisti laittomia suunnitella ja rakentaa Jos kokeet olisi tehty ajallaan ei onnettomuutta Jos laitoksen operaattorit olisi koulutettu paremmin, he olisivat tajunneet, että reaktorin tila on muuttunut iltapäivän ja yön välillä, ja koetta ei voi tehdä Tärkein opetus: turvallisuuskulttuuri ja ihmiset 63/68

64 Fukushima Moderneissa ydinvoimaloissa turvallisuuskysymykset tiivistyvät lähes aina jälkilämmön poistoon Reaktori ei sammutettua ole heti nollateholla (fissiotuotteiden hajoamislämpö ajan yli) Fukushimassa tsunamiaalto kasteli varavoima-dieselit, jotka olivat laitoksen kellarissa jälkilämpöä ei onnistuttu poistamaan ilman näitä diesel-generaattoreita Ratkaisuja jotka olisivat toimineet: varavoima ylempään kerrokseen tai korkeampi tulvamuuri Fukushima Daiichi oli laitoksena samalta aikakaudelta kuin Tsernobyl 64/68

65 Fukushima ja pienreaktorit Fukushiman onnettomuus johti globaalisti siihen, että nykyisten laitosten kyky poistaa jälkilämpö ulkoisen sähköverkon puuttuessa varmistettiin Pienreaktoreilla jälkilämmön poisto on paljon helpompi ongelma: Aiempi tilavuus vs. pinta-ala kysymys Passiivinen turvallisuus: lämpö johtuu pois riittävän nopeasti, tai esim. veden luonnonkierto ilman pumppuja riittää Jos reaktori on suuressa vesialtaassa Vesi voi esim. riittää poistamaan jälkilämpöä niin kauan, että veden loppuessa ilmajäähdytys riittää 65/68

66 Sukellusvenereaktorit, jäänmurtajat, satelliitit, luotaimet Sukellusvenereaktorit, muut sotilasreaktorit: Yleensä korkeaväkevöityä uraania polttoaineena latausvälit pitkiä Voivat olettaa enemmän käyttäjiltä: sotilaita Korkea hinta per tuotettu energia ei ole ongelma Yleensä ei mielekästä siviilienergiantuotantoon Jäänmurtajat: Muistuttavat hyvin paljon perinteisiä ydinvoimaloita, mutta pienempiä Katso myös: Venäjän lauttareaktorit Lähtökohtaisesti kalliimpaa kuin maalle tehdyt kiinteät laitokset Mutta siirrettäviä 66/68

67 Sukellusvenereaktorit, jäänmurtajat, satelliitit, luotaimet Satelliitit: Satelliiteissa ei nykyään hyödynnetä ydinreaktoreita Historiallisesti tätä on tehty pienimuotoisesti Luotaimet: Ydinreaktorin omaavia luotaimia ei ole Radioisotope Thermoelectric Generator, ydinparisto, Pu-238 Avaruudessa ongelma yleensä lämmönpoisto tai lämmitys Radioisotope Heater Unit (RHU) Ulommaksi aurinkokuntaan suuntaavissa aurinkopaneeliluotain konsepteissa tarvitaan yhä ydintekniikkaa lämpöparistoiksi 67/68

68 Keskustelua, kysymyksiä? 68/68