VTT:llä harjoitetun pienydinvoimaloiden tutkimuksen spin-offina on toimintansa toukokuussa 2023 aloittanut Steady Energy Oy, jonka tuotteena on kaukolämmön tuotantoon erikoistunut pieni ydinvoimala LDR (Low temperature District heating Reactor). Kiinnostusta on jo löytynyt ainakin Helsingistä ja Kuopiosta. Pienreaktoriteknologiavetäjä Ville Tulkki VTT:ltä kertoi MAL-lehdelle LDR-kehityksen taustoista ja historiasta.
Mistä teholuokasta tässä puhutaan?
Pienreaktorit ovat sateenvarjotermi, jonka alle mahtuu paljon erilaisia teknologioita ja ratkaisuja. Perinteisesti niissä puhutaan ydinreaktoreista, joiden sähköteho per reaktori on 300 megawattia tai alle, ja joiden valmistuksessa pyritään hyödyntämään sarjatuotantoa ja modulaarisuutta. Käytännössä termistä on tullut suosittu ja sitä on haluttu käyttää alkuperäistä määritelmäänsä laajemmin, esimerkiksi brittiläisen Rolls Roycen SMR on sähköteholtaan 470 MW. Kun puhutaan tuotetusta lämmöstä, nuo sähkötehot pitää kertoa noin kolmella, jolloin on aika selvää, että pienreaktoreiden skaalan isommassa päässä olevat reaktorit ovat turhan suuria suureen osaan suomalaisia kaukolämpöverkkoja ainakin pelkässä lämmöntuotannossa. Kaukolämpöverkkojen mittakaavaa lähempänä ovatkin kymmenien megawattien mikroreaktorit.
Monet mikroskaalan reaktorit, joita maailmalla kehitetään, perustuvat jäähdytteisiin ja polttoaineen muotoihin, jotka ovat eri kuin nykyisin käytössä olevissa ydinvoimaloissa. Näillä uusilla teknologioilla mahdollistetaan korkean lämpötilan tuotanto esimerkiksi teollisuuden ja vedyntuotannon tarpeisiin. Kaukolämmön tuotannossa vaaditaan kuitenkin matalampia lämpötiloja kuin sähköntuotannossa, jolloin perinteinen kevytvesiteknologia on hyvin riittävä. Suomalaisten kaukolämpöverkkojen vaatima teho yksittäisessä tuotantopisteessä on kymmenistä megawateista muutamaan sataan kaupungin koosta riippuen.
VTT:llä kun aikanaan lähdimme selvittämään ydinenergian käyttöä kaukolämmön tuotannossa, niin nopeasti havaitsimme, että eurooppalaisiin kaukolämpöverkkoihin soveltuvaa reaktoria ei ole markkinoilla. Niitä oli kehitetty aiemmin, esimerkiksi suomalais-ruotsalainen SECURE 1970-luvulla, mutta konseptit olivat jääneet historiaan. Aloitimmekin työn LDR-reaktorin esisuunnittelussa vuoden 2020 alussa jotta voisimme tarjota jotain konkreettista aiheesta kiinnostuneille mahdollisille loppukäyttäjille ja alihankintaketjun toimijoille.
Missä suhteessa pienydinvoimalat ovat suuria yksinkertaisempia? Toisaaltahan usein puhutaan ”skaalaedusta”. Onko esimerkiksi reaktorin turvallisuus oleellisesti helpompaa taata?
Ydinenergian turvallisuuden peruspilarit ovat reaktorin tehon hallinta, jälkilämmön poistaminen, ja radioaktiivisten aineiden leviämisen estäminen. Monissa onnettomuustilanteissa jälkilämmön poistaminen on keskeistä, jotta voidaan välttyä reaktorin vahingoittumiselta. Pienreaktoreissa on pienemmät reaktorit, ja jo fysikaalisesti jälkilämmön poistaminen on helpompaa: reaktorin lämpöteho on suhteessa sen tilavuuteen, kun taas lämpö poistuu suhteessa ulkopinta-alaan. Lisäksi pienemmät tehot mahdollistavat niin kutsuttujen passiivisten, eli luonnonvoimiin kuten tilavuuseroihin ja painovoimaan perustuvien, turvallisuustoimintojen käytön. Tällöin pienreaktoreissa voidaan vaadittu turvallisuustaso taata periaatteessa yksinkertaisemmilla ratkaisuilla, joiden kautta pyritään saamaan kustannusetua.
Pienreaktoreilla on yhä haasteensa suuruuden ekonomiaa vastaan kilpaillessa pelkässä sähköntuotannossa. Siksi monilla pienreaktoreilla onkin tarkoitus tehdä myös muita energiapalveluita kuin pelkkää sähköntuotantoa verkkoon: paikallisen tehon ja lämmön tarve teollisuudelle, vedyntuotantoa, vedenpuhdistusta, tai kaukolämpöä. VTT:n ydinkaukolämpötarkastelut lähtivät aikanaan liikkeelle, kun teimme sisäisessä projektissa vuonna 2017 selvitystä siitä, mitkä olisivat pienreaktoreiden potentiaaliset käyttökohteet Suomessa. Silloisilla oletuksilla näytti siltä, että pelkkä sähköntuotanto ei Suomessa olisi pienreaktoreiden keskiössä, mutta kaukolämpö ja vedyntuotanto nousivat lupaaviksi käyttökohteiksi.
Onko lämpöydinvoimala pientä sähköntuotantovoimalaa yksinkertaisempi muutenkin,
kuin että turbiinit ym. sähköelementit vain puuttuvat?
Jos tuotetaan vain kaukolämmön vaatimaa vähän päälle sadan asteen lämpötilaista lämpöenergiaa sähkön sijaan, mahdollistuvat paljon sähköntuotantoa kevyemmät rakenteet. Ydinreaktoreissa jäähdytteenä toimiva vesi ei saa kiehua liikaa, jolloin sähköä tuottavissa reaktoreissa primääripiirin paineet ovat seitsemästä viiteentoista megapascaliin riippuen siitä onko kyseessä painevesi- vai kiehutusreaktori. Kaukolämpöreaktorissa vastaava primääripiirin paine on alle yhden megapascalin, jolloin rakenteiden rasitukset ovat paljon pienempiä ja ne voidaan valmistaa kevyemmiksi. Mittaluokan hahmottamiseksi: kaukolämpöverkossa käytettävien rakenteiden pitää mitoittaa 16 barin eli 1,6 megapascalin paineeseen – eli periaatteessa suurempaan kuin mikä olisi painetaso kaukolämpöreaktorissa.
Matala lämpötila mahdollistaa myös innovatiiviset turvallisuustoiminnot, ja LDR:n jälkilämmön poisto perustuu VTT:llä innovoituun ratkaisuun osittain vedellä täytetystä paineastian välitilasta, jolle on myönnetty patentti. Normaalitilan primääripiirin matalat lämpötilat pitävät välitilan veden nestemäisenä, mutta jos normaali lämmönpoisto estyy ja primääripiirin lämpö nousee, alkaa välitilan vesi kiehumaan ja lauhtuessaan ulkoisen altaan jäähdyttämään seinään muodostaa tehokkaan, ilman ulkoista voimaa tai aktivointia toimivan, lämmönpoistotoiminnon.
Mahtuisivatko lämpövoimaloiden ydinjätteet samaan loppusijoitukseen
Suomen isojen voimaloiden kanssa?
Yksi LDR-suunnittelun reunaehdoista oli se, että laitos käyttää kevytvesilaitoksen polttoainetta, jonka loppusijoitus on teknisesti ratkaistu. Jätemäärät lämpölaitoksissa ovat sellaisia, että kuvitteellisessa tilanteessa, jossa Suomen koko kaukolämpö tuotettaisiin ydinenergialla, niin jätemäärät olisivat verrannollisia yhden Olkiluodon reaktorin jätteisiin. Joten teknisesti ongelmaa ei ole. Suomessa nyt luvituksessa oleva Posivan loppusijoitusluola on tarkoitettu vain Posivan omistajien jätteille, ja jätehuolto mahdollisilla uusilla toimijoilla on asia mikä pitää ratkaista. •
Ilkka Norros
Kuva: Pixabay