Small Modular Reactors (SMR)

I diskussionen om framtida kärnkraft förekommer ofta två begrepp som är lätta att förväxla och därmed ibland används felaktigt; nämligen Generation-IV och SMR. Låt oss i Sveriges Kärntekniska Sällskap bringa klarhet i dessa två begrepp. Denna artikel fokuserar på Små Modulära Reaktorer (SMR) och en kommande artikel behandlar Gen-IV.

Ända sedan den civila kärnteknikens barndom har trenden gått i en tydlig riktning – nya reaktorer har fått större och större effekt. Den första generationens reaktorer, exempelvis de brittiska MAGNOX hade en elektrisk uteffekt på omkring 200 MWe medan den efterföljande generationen, Gen-II, generellt hade effekter omkring 600–1000 MWe. Nästa evolutionära steg är den tredje generationen, Gen-III, vilket inkluderar konstruktioner med ytterligare ökad effekt, men fortfarande med ett begränsat antal passiva säkerhetsfunktioner. Dessa införs idag i vad som kallas för GenIII+, vilket generellt innebär reaktorer med en elektrisk effekt i storleksordningen 1000–1600 MWe (exempelvis EPR, VVER-1200, AP1000 och APR-1200). Det finns givetvis undantag till tidigare nämnda effektintervallen men de kan ses som en generell utgångspunkt. Varför är det då så att varje ny generation av kärnkraftsreaktorer generellt sett har ökat i effekt, och varför tycks industrin nu frångå denna trend för att istället skifta fokus mot mindre reaktorer? Dessa frågor skall vi försöka besvara i denna text.

Vad är en SMR och varför är de intressanta?

Enkelt uttryckt är SMR en kategori av reaktorer som det internationella atomenergiorganet (IAEA) har definierat till att vara reaktorer med en elektrisk effekt som understiger 300 MWe. Definitionen av SMR som sådan säger ingenting om vilken reaktorteknik som används, utan den har enbart att göra med elektrisk uteffekt och moduläritet. Vi kan alltså förvänta oss att se en myriad av olika reaktorkoncept som faller under paraplybegreppet SMR. Allt ifrån reaktorer baserade på dagens lättvattenteknik, t.ex. NuScales Power Module och GE-Hitachis BWRX-300, till avancerade snabbspektrumreaktorer såsom LeadColds SEALER eller Terrestrial Energys IMSR400.

Det finns många anledningar till det ökade intresset för mindre reaktorer. En drivkraft är säkerhetsfördelarna som följer med minskad resteffekt. Vad innebär då detta? Jo, ur ett säkerhetsperspektiv är det nödvändigt att fortsatt kyla härden även när reaktorn stängs av. Det kan verka kontraintuitivt, men så länge reaktorn är i normaldrift och härden genomströmmas av kylmedie så är marginalerna mot utsläpp av aktivitet höga.

Fortsatt cirkulation av kylmedie genom härden måste garanteras även om reaktorn stoppas. Anledningen till detta är att radioaktivt sönderfall i bränslet fortsätter även efter att den nukleära kedjereaktionen har avbrutits. Det kvarvarande radioaktiva sönderfallet ger upphov till värme i bränslet, kallat restvärme eller resteffekt, och kan något förenklat sägas motsvara omkring 5 % av reaktorns totala effekt vid tidpunkten för snabbstoppet. För en reaktor med totaleffekt på 3000 MWth (ca 1000 MWe) blir således resteffekten omkring 150 MWth vid tidpunkten för snabbstoppet. Om inte kylningen fortsätter kan detta leda till en allvarlig situation med bränsleskada eller härdsmälta som slutlig konsekvens. Byggs istället mindre reaktorer med en termisk effekt på omkring 150 MWth (ca 50 MWe) blir således resteffekten lägre, ca 7,5 MWth, vilket är enklare att hantera.

Två principer som många konstruktörer av SMR använder sig av för att hantera resteffekten är naturlig cirkulation och passiv strålning av värme till en slutlig värmesänka.

Naturlig cirkulation innebär att skillnader i densitet hos kylmediet, som uppkommer på grund av temperaturskillnaden mellan härden och värmesänkan, skapar ett flöde utan behov av pumpar. Detta fysikaliska fenomen kan användas på lite olika sätt, exempelvis har NuScale designat sin reaktor på så sätt att naturlig cirkulation används både vid effektdrift och vid bortledning av resteffekten efter ett snabbstopp. Fördelen med NuScales lösning är att det helt och hållet har eliminerat cirkulationspumpar i tryckkärlet och på så vis minskat antalet mekaniska komponenter som kan gå sönder. Nackdelen är att de behöver skapa en stor höjdskillnad mellan härd och ånggenerator för att kunna transportera bort tillräckligt med värme under normaldrift, vilket resulterar i att NuScales reaktormodul är väldigt hög i förhållande till effekten - omkring 25 m.

Det andra sättet som naturlig cirkulation vanligtvis används på innebär att reaktorn utformas för att använda cirkulationspumpar under normaldrift, men att den naturliga cirkulationen förmår att transportera bort resteffekten i händelse av ett totalt elbortfall eller annan förlust av cirkulationspumpar. Denna lösning används exempelvis av LeadCold i deras SEALER reaktor eftersom massan av bly i reaktorn blir för stor om naturlig cirkulation ska klara av att transportera bort all värme som produceras under normaldrift. Även dagens större kommersiella PWR kan i vissa fall tillgodoräkna naturlig cirkulation i primärsystemet.

Vi har nu konstaterat att naturlig cirkulation kan transportera bort värme från härden i händelse av ett snabbstopp, men denna värme måste i sin tur ledas någonstans. Om inte det görs kommer primärkretsens temperatur att öka proportionerligt med mängden restvärme som produceras. En lösning på detta problem är att låta värmen som produceras värma upp reaktorkärlet som sedan, genom värmestrålning, får leda bort värmen till den slutliga värmesänkan, som antingen kan vara den omgivande luften eller som i NuScales fall en stor bassäng med vatten.

Med de två ovan nämnda grundläggande fysikaliska principerna, naturlig cirkulation och värmestrålning, kan resteffekten hanteras helt passivt d.v.s. utan något agerande från operatörerna och utan behov av att aktiva system fungerar – vilket de kanske inte gör i händelse av totalt elbortfall. Denna förmåga är dock begränsad av storleken på resteffekten vilket innebär att många fullständigt passivt säkra reaktorer landar på en maximal termisk effekt på omkring 200 MW (ca 70 MW elektrisk effekt), högre effektnivåer blir svårt att helt passivt stråla bort.

Vi har nu diskuterat fördelen med en liten reaktor ur ett säkerhetsperspektiv, men det finns fler aspekter att studera. Bland annat ekonomi och konkurrenskraft på en avreglerad elmarknad.

För att öka lönsamheten hos en viss typ av produkt så används vanligen skalfördelar som i sin tur kan vara baserade på i huvudsak två olika principer – skalfördelar genom produktion av många enheter eller skalfördelar genom ökad storlek. I kärnkraftens fall har industrin historiskt sett använt sig av den senare metoden. Tanken är att kostnader för bland annat konstruktion, licensiering och drift minskar per enhet såld energi med ökad reaktoreffekt eftersom du kan sälja mer el per kontrollrumsoperatör etcetera. På senare tid har, åtminstone i väst, denna utveckling mot allt större reaktorer inte varit framgångsrik. Byggnationen av reaktorerna i Olkiluoto och Flamanville har blivit kraftigt försenade med stora kostnadsökningar som konsekvens. Detta är inte långsiktigt hållbart om kärnkraften vill kunna konkurrera på en fri elmarknad, och det finns olika förslag på hur industrin ska lösa detta.

En av de största kostnaderna vid byggnationen av en stor kärnkraftsreaktor är kostnader för kapital. På grund av svårigheten att göra långsiktiga prognoser om elpriser och politiska ingrepp på elmarknaden ställer privata investerare höga krav på avkastning för att kompensera de höga finansiella riskerna med projektet. Kombinationen av ett högt avkastningskrav och ett stort investeringsbelopp tillsammans med en lång byggnationstid resulterar i att en hög kostnad för kärnkraftsbygget uppstår under byggtiden när bolaget inte kan sälja någon el.

Tanken med SMR är att minska alla tre faktorer som orsakar höga kapitalkostnader. Eftersom reaktorn är mindre är den totala investeringen mindre. Avsikten är också att serietillverka reaktormodulerna i automatiserade fabriker för att på så sätt korta ner byggtiden. Kortare byggtider innebär i sin tur att tiden som ränta betalas på lånet utan att elektricitet kan säljas kan kortas ned. Kombinationen av allt detta bör då innebära att investerare inte längre ser lika stora risker med att investera i byggnationen av kärnkraftverk och kan därmed minska sina avkastningskrav. Serieproduktion innebär även att lärdomar och förbättringar från tidigare enheter kan återföras snabbare i produktionen, samt att kostnaden för barnsjukdomar kan spridas ut på en större mängd enheter.

Som en avslutande punkt bör vi beröra hur långt bort i tiden kommersiell drift av SMR ligger. Är det som mycket annat: ”bara 20 år bort”?

Nej, SMR är mycket mer i närtid. För militära tillämpningar har reaktorer sedan länge producerats enligt SMR-konceptet, och redan idag finns det två civila SMR i drift på det ryska flytande kärnkraftverket Akademik Lomonosov som förser staden Pevek i nordöstra Sibirien med elektricitet och värme. Dessutom förväntas gaskylda HTR-PM, som är under uppförande i Kina, nå första kriticitet under 2021, och i Argentina har byggnationen av CAREM-25 återupptagits med målet att vara i drift 2023. Flertalet andra civila reaktorkoncept genomgår i detta nu licensieringsförfaranden, där NuScales Power Module och GE-Hitachis BWRX-300 är bland dem som ligger längst fram i processen hos amerikanska NRC. De två företagen planerar att ha sina första reaktorer i drift någon gång mellan 2027–2030, beroende på intresset hos kraftbolagen.

SKS genom Fredrik Dehlin, M.Sc. Kärnenergiteknik