Ydinvoiman 4. sukupolvi: Edullisempaa, puhtaampaa, turvallisempaa

Tiede-fiktioista pysähtymiseen

Sanan, että ydinenergia on kiistanalainen, on aliarviointi. Monet pitävät sitä äärimmäisen vaarallisena ajatuksena, tuoden esiin Tšernobylin ja Fukushiman varjon todisteena, ja ydinjätteen ongelmaa ratkeamattomana. Toiset näkevät sen mahdollisena sivilisaatiota pelastavana teknologiana sen kyvyn ansiosta tuottaa peruskuormitusenergiaa erittäin alhaisilla hiilidioksidipäästöillä ja pienellä maankäytöllä.

Tämä jakautuminen oli olemassa jo ennen kuin ilmastonmuutos oli edes keskustelunaihe.

Maailma sai ensimmäisen kerran tietää ydinvoiman poikkeuksellisesta voimasta Hiroshiman ja Nagasakin atomipommituksen myötä, jota seurasi H-pommin keksintö ja kylmä sota. Näistä alkuperistä oli selvää, että atomien hallinnan tuoma tuhoisa potentiaali oli merkittävä.

Lyhyen ajan kuluttua myös rauhanomaisen käytön idea otti jalansijaa. Ensin “Atom For Peace” -aloite, sitten massiivinen ydinvoimalaitosten rakennusaalto maailmanlaajuisesti. Ajan myötä vaikutti siltä, että tulevaisuus olisi ydinvoimaa ja että hiilen, öljyn ja kaasun polttaminen vanhenee pian, kuten Alankomaiden idylliset tuulimyllyt.

Käytännössä ydinvoiman tuotanto pysähtyi 1990‑luvun lopulla Tšernobylin jälkeen, ja se on sen jälkeen maailmanlaajuisesti pysähtynyt, Kiinan kasvavan tuotannon kompensoidessa Euroopan ydinalan vähenemistä.

Lähde: Nuclear Energy – Our World in Data

Monien vuosien ajan vain Kiina ja Venäjä vaikuttivat halukkailta kehittämään ydinenergiaa.

Erityisesti Kiina, jonka The Economist on kuvannut näin: “rakentaa ydinreaktoreita nopeammin kuin mikään muu maa”.

Lähde: The Economist

Tänään ydinenergia tekee maailmanlaajuisen paluun mittakaavassa, jota ei osattu kuvitella muutama vuosi sitten, ja monet uutiset viittaavat politiikan muutokseen lähes kaikkialla maailmassa:

• Japani tehostaa pyrkimyksiään käynnistää maailman suurin ydinvoimalaitos
• Yhdysvaltain energiaministeri Jennifer Granholm vaatii ydinvoiman kolminkertaistamista Yhdysvalloissa
• Uusi ydinvoima sisällytetty Korean energiasuunnitelmaan
• Ranska luopuu uusiutuvan energian tavoitteista ja asettaa ydinvoiman etusijalle uudessa energialainsäädännössä
• Iso-Britannia suunnittelee uutta ydinreaktoria Skotlannissa
• Intia aikoo rakentaa 18 ydinreaktoria, yhteiskapasiteetilla 13,8 GW vuoteen 2032 mennessä

Puuttuva hiilineutraaliuden linkki?

Turvallisuushuolenaiheet ovat edelleen voimissaan, ja ne ovat perustelu Saksan päätökselle sulkea ydinvoimalaitoksensa.

Kuitenkin hiilidioksidipäästöjen ja ilmastonmuutoksen huolenaiheet kasvavat, ja ydinenergia on itse asiassa vähiten päästöjä tuottava energialähde, jopa parempi kuin tuuli- ja aurinkovoima, jotka vaativat paljon enemmän maata ja raaka-aineita.

Lähde: Our World In Data

Vaikka ydinvoima on vaikuttavaa ja sillä on pitkäkestoisia seurauksia, se on käytännössä yhtä turvallista kuin uusiutuvat energialähteet kuolleisuuksien mittaamisessa, jopa ottaen huomioon suuret katastrofit.

Kun tarkastellaan asiaa objektiivisesti, ydinvoiman tulisi todennäköisesti olla yksi työkalu, jota käytetään sähköverkon ja koko talouden hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Tämä on erityisen totta, kun tarvitsemme yhä enemmän energiaa liikenteen sähköistämiseen (sähköautot) ja lämmitykseen (lämpöpumput), sekä uusia tarpeita kuten tekoälydatakeskuksia.

Korvattavan hiilen, öljyn ja kaasun määrä on valtava. Vaikka uusiutuvien energialähteiden ja sähköautojen käyttöönotto on edistynyt, ne muodostavat edelleen suurimman osan nykyisestä energiankulutuksestamme.

Lähde: Our World In Data

Mitä ydinjätteestä?

Ydinvoiman todellinen turvallisuusprofiili kuitenkin jättää ydinjätteen kysymyksen avoimeksi.

Ajatus siitä, että jätämme tuleville sukupolville myrkyllistä jätettä, joka on vaarallista paljon pidempään kuin Suuri pyramidi on seissyt, on vähintäänkin huolestuttavaa.

Pitäisikö myrkyttää tulevaisuus ilmaston pelastamiseksi? Onneksi vähintään kaksi ratkaisua on nousemassa teknologisen kehityksen myötä tähän dilemmaan.

Ensimmäinen vaihtoehto on ydinjätteen kierrätys, ja toinen on lähes nollajätteen tuotanto. Molemmat kuuluvat niin kutsuttuun 4^th sukupolveen ydinvoimalaitoksia.

Lisätietoja löydät alta nopeista reaktoreista ja toriumireaktoreista.

Tietenkin myöhemmin voidaan omaksua muita ratkaisuja, kuten jätteiden vieminen avaruuteen ultra‑luotettavien rakettien avulla. Mutta toistaiseksi on epätodennäköistä, että ydinjätteen roiskauttaminen puolelle mannerta laukaisun epäonnistuessa katsottaisiin hyväksyttäväksi.

Ydinvoimalaitosten sukupolvet

Ensimmäisen sukupolven ydinvoimalaitokset olivat periaatteessa prototyyppejä, joilla ei ollut kaupallista hyödyntämistä.

Toisen sukupolven ydinvoimalaitokset muodostavat suurimman osan nykyisestä laivastosta. Ne rakennettiin vuosina 1965–1996.

Kolmannen sukupolven ydinvoimalaitokset rakennettiin oppien toisen sukupolven opeista ja pyrkien korjaamaan harvinaisiin, mutta katastrofaalisiin ydinonnettomuuksiin johtaneita puutteita. Ne rakennettiin vuosina 1996–2016. Joskus 3+‑sukupolveksi kutsutaan 2017–2021 rakennettuja reaktoreita, joissa painotetaan lisääntynyttä turvallisuutta.

Neljäs sukupolvi ydinvoimaa on vasta alkamassa, ja se poikkeaa aikaisemmista suunnittelemalla uusia konsepteja ja mahdollisesti muuttamalla ydinpolttoainetta perinteisten parannusten sijaan.

Myös viidennen sukupolven ydinvoimalaitoksesta keskustellaan. Nämä suunnitelmat ovat teoreettisesti mahdollisia, mutta niitä ei ole aktiivisesti tutkittu, yleensä taloudellisten kannattavuusongelmien, puuttuvien teknologioiden tai turvallisuushuolten vuoksi.

4^th sukupolven ydinvoimalaitokset

Mitä tekee ydinvoimalaitoksesta 4^th sukupolven, on kiistanalaista asiantuntijoiden keskuudessa.

Tässä artikkelissa keskitymme lähinnä reaktoreihin, jotka poikkeavat radikaalisti 3^rd sukupolven suunnitelmista.

Ja pyrimme pitämään selityksen mahdollisimman yksinkertaisena, ohittaen tarpeettomat yksityiskohdat.

Erittäin korkean lämpötilan reaktori (VHTR)

Tämä malli on luonnehdittu erittäin korkeilla lämpötiloilla, noin 1 000 °C. Tämä on ainoa 4^th sukupolven ydinvoimalaitos, joka on jo toiminnassa, kaupallinen käynnistys tapahtui vuonna 2023 Huaneng Shandong Shidao Bay -ydinvoimalaitoksessa Itä-Kiinassa.

Suunnitelma perustuu usein “kiviaineskerrokseen”, jossa keraamiset pallot, jotka ovat kädessä pidettävän kokoisia, suojaavat uraanikesettä; yhdessä reaktorissa on kymmeniä tuhansia näitä palloja.

Lähde: CGTN

X-Energy (XE )  kehittää myös samankaltaista teknologiaa Yhdysvalloissa.

Koska reaktio vaatii korkean lämpötilan ja se on passiivisesti jäähdytetty, tämä malli on luonteeltaan turvallisempi kuin 3^rd sukupolven ydinvoimalaitokset.

Pebble‑mallin etu on mahdollisuus vaihtaa polttoainepallot keskeyttämättä reaktorin tuotantoa, ja keraaminen materiaali estää radioaktiivisen materiaalin vuotamisen riskin.

Sulamis-suolareaktori (MSR)

Näissä reaktoreissa jäähdytysaineena on sulanut suolaseos veden tai kaasun sijaan. Joissain tapauksissa polttoainekin on sulassa suolassa.

Sulamis‑suolareaktorit ovat yleensä tehokkaampia, polttavat polttoainetta taloudellisemmin ja tuottavat vähemmän ydinjätettä. Koska ne toimivat korkeammissa lämpötiloissa, ne luokitellaan joskus VHTR‑luokkaan “lämpöreaktori” -kategoriaan.

Kuitenkin sulavat suolat ovat korroosiota aiheuttavia, ja radioaktiivisuuden mahdollinen rakenteiden heikentäminen pahentaa ongelmaa. Tämä vaatii äärimmäisen tarkkaa huoltoa ja putkistojen, pumppujen ym. tarkistuksia.

Torium

1950‑luvuista lähtien lähes kaikki reaktorit ovat käyttäneet uraania polttoaineena. Tämä on saanut ihmiset olettamaan, että se on ainoa ratkaisu.

Mutta tämä oli pitkälti poliittinen valinta, sillä uraanireaktorit tuottavat plutoniumia. Silloin sitä pidettiin hyödyllisenä, koska se auttoi ydinmahteja kehittämään ydinaseita.

Vaihtoehto, jonka resurssit ovat kolme kertaa enemmän kuin uraanin, on torium‑alkali. Torium‑reaktorin sivutuotteet ovat myös hyvin epätodennäköisiä ydinaseiden materiaaliksi muuttumisessa.

Lähde: ACS

Toinen merkittävä toriumin etu on mahdollisuus tuottaa jopa 100‑kertaisesti vähemmän jätettä, ainakin kun käytetään nestefluoridi‑toriumireaktoria (molten‑salt‑toriumireaktori).

Tässä Kiina on myös edelläkävijä toriumireaktorilla, joka toimii ilman vettä, mikä tekee siitä sopivan aavikkoalueille. Lisäksi konttialukset, jotka saavat voiman toriumireaktorilta, on paljastanut China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Nopeat / Breeserit / Polttoreaktorit

Nopeat reaktorit perustuvat “nopeisiin neutroneihin”, jotka eivät hidastu moderaattorien avulla kuten perinteisissä ydinreaktoreissa. Tämä mahdollistaa reaktorin suunnittelun siten, että nopeita neutroneja käytetään aktiiniiden (joihin kuuluvat uraani ja plutonium) kuluttamiseen.

Lähde: Sciences Notes

Koska perinteisen reaktorin polttoaine muuttuu monimutkaiseksi pitkäikäisten aktiiniiden seokseksi, tämä alkuaineiden ryhmä on ydinjätteen pääongelma.

Polttoreaktorit muuntavat suurimman osan ongelmallisista aktiiniideista käytetystä ydinpolttoaineesta, jolloin prosessoitu jäte on vähemmän aktiivista, 90‑98 % pienempiä tilavuudeltaan ja ongelmallista vain vuosikymmeniä tai vuosisatoja, ei tuhansia vuosia.

Tämä reaktorityyppi luokitellaan yleensä jäähdytysjärjestelmän mukaan, joka voi olla kaasu, natrium tai lyijy.

Vaikka se luokitellaan 4^th sukupolveksi, kyseessä ei ole uusi tai testaamaton teknologia. Esimerkiksi Ranskan Phénix ja Superphénix polttivat ydinjätettä 1970‑1990‑luvuilla, ennen kuin ne suljettiin käyttökustannusten ja Vihreän puolueen poliittisen paineen vuoksi.

Nykyiset nopeat breeder‑reaktorit sisältävät esimerkiksi suunnitellun, mutta rakentamattoman PRISM by GE‑Hitachi.

Pienet modulaariset reaktorit (SMR) & Mikroreaktorit

Useimmat ydinreaktorit on suunniteltu perinteisiksi suuriksi voimalaitoksiksi, joita ajattelemme ydinvoimaloina.

Uusi suunnittelutyyppi pyrkii pienentämään ydinvoimaloita niin, että ne mahtuvat rekkaan (SMR) tai jopa tavalliseen konttiin (mikroreaktorit).

Lähde: Nuscale

Yleisesti SMR‑teknologiaa odotetaan käytettävän sähköverkon tai suurten teollisuusprosessien virittämiseen, kun taas mikroreaktoreita todennäköisemmin käytetään syrjäisillä alueilla, militäriasemilla ja avaruustutkimuksessa.

Pienempi koko ja standardoitu suunnittelu helpottavat myös pienten maiden omaksumista.

Toinen SMR‑etu on, että ne voidaan valmistaa sarjassa, kuten rekkoja tai aluksia, sen sijaan että jokainen olisi ainutlaatuinen räätälöity suunnittelu. Teoriassa tämä tuottaisi mittakaavaetuja ja kustannusten alenemista.

Käytännössä kustannukset voivat olla odotettua korkeammat, ainakin prototyypeissä. Tämä on aiheuttanut hieman innostuksen laskua SMR‑teknologiaa kohtaan, kun se on ehkä hieman ylihypetetty.

Silti SMR‑teknologia todennäköisesti laajenee nopeasti, esimerkiksi projekteja on käynnissä Suomessa, Norjassa, Puolassa, USA:ssa, Kanadassa ja Argentiinassa.

Lisätietoja SMR‑tekniikan tilanteesta löydät artikkelista “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power”

Kelluva ydinvoimala

Vaikka se ei ehkä teknisesti ole 4^th sukupolvi, kelluvat voimalaitokset ovat uusi konsepti, joka poikkeaa radikaalisti perinteisestä ydinvoimalaitosmallista.

Enimmäkseen Venäjän Rosatomin edistämä konsepti eroaa ydinvoimalla varustetuista aluksista, kuten esimerkiksi joidenkin lentotukialusten.

Tässä koko aluksen tarkoitus on toimia voimalaitoksena, vaikka se onkin liikkuva kelluva yksikkö. Koon rajoitteiden vuoksi sitä voitaisiin myös luokitella SMR:ksi, vaikkakin erittäin suureksi.

Lähde: Power Technology

Sovelluksia on alun perin suunniteltu Venäjän arktiselle alueelle, jossa ne tarjoavat sähköä rannikkokaupungeille, jotka keskittyvät kaivostoimintaan sekä öljy‑ ja kaasuntuotantoon. Tässä ympäristössä laitoksen “jäte‑lämpö” ei mene hukkaan, vaan sitä voidaan käyttää kaukolämmitykseen.

Laajempi sovellus voisi tuoda ydinvoimaa kehittyville maille, joilla ei ole kokemusta ydintekniikan operoinnista. Laitosta voi ylläpitää sen valmistaja, ja sähkö myydään mantereelle yksinkertaisesti “kytkemällä” se sähköverkkoon.

Konsepti voisi myös tarjota sähköä saarille ja syrjäisille alueille sekä toimia nopeasti mobilisoituna katastrofihiljaisjärjestelmänä.

Esimerkiksi Guinea on jo neuvottelemassa Venäjän kanssa tällaisesta projektista.

Westinghouse ja Prodigy tutkivat myös ideaa, samoin kuin Korean KSOE & Kepco, tai Denmarkin Seaborg yhdistäen sulavan suolan teknologiaa merellä toimiviin voimalaitoksiin.

Kustannukset

Viimeinen ydinvoimaa vastaan kohdistuva kritiikki koskee kustannuksia.

Tämä johtuu pitkälti siitä, että Yhdysvalloissa ja Euroopassa toteutuneet viimeisimmät ydinprojektit ovat kärsineet massiivisista kustannusylityksistä. Esimerkiksi Georgian Vogtlen voimalaitos päätyi maksamaan 37 miljardia $, joista 20 miljardia $ on ylityksiä. Tai 11 miljardia € Olkiluoto‑3‑laitos Suomessa, alun perin odotettu 3 miljardia €.

Se, että Vogtlen rakentamiseen kului 14 vuotta ja Olkiluoto otettiin käyttöön 12 vuotta alkuperäisen arvion jälkeen, on suurimmaksi osaksi syynä kustannusten nousuun.

Mutta tämä ei ole kohtalokas este. Samana ajanjaksona Bloomberg paljasti, että Kiina rakensi 6 ydinreaktoria vain 17 miljardia $:lla.

Lännessä kustannusten kasvu johtuu pääosin kolmesta tekijästä:

1. Sääntelyn kasvava taakka.
   1. Vaikka osa tästä johtuu turvallisuuden lisääntyneestä tarkastelusta, jotkut pitävät sitä byrokraattisena byrokratiavana ja poliittisesti motivoituna esteenä alalle.
2. Pääoman kustannusten nousu.
   1. Koska ydinvoimalaitosten kustannukset ovat enimmäkseen etukäteisiä rakennusvaiheessa, alhaiset pääomakustannukset vähentävät lopullista hintaa merkittävästi. Kiinan ydinprojektit saavat yleensä valtion tarjoamia matalakorkoisia lainoja.
3. Liian vähän projekteja.
   1. Jos useampia laitoksia rakennetaan peräkkäin, valmistajat voivat standardoida tuotannon ja valmistaa laitteita sarjassa, sen sijaan että jokainen olisi ainutlaatuinen räätälöity suunnittelu.
   2. Jatkuva projektivirta auttaa myös kouluttamaan ja pitämään yllä osaavaa henkilöstöä.

Jokainen näistä ongelmista on ratkaistavissa.

Sääntelyn taakkaa voidaan pienentää, pääomaa mobilisoida hallituksen toimesta. Enemmän projekteja ja vakaa energiapolitiikka palauttavat toimitusketjun.

Ydinenergia‑yritykset

1. Cameco Corporation

Ydinvoima riippuu uraanin saatavuudesta. Uraani ei ole erityisen harvinainen resurssi, vaikka korkean konsentraation malmit eivät ole helposti löydettävissä.

Markkinan hallitsevat Kazatomprom Kazakstanissa ja Cameco Kanadassa. Muita uraanin tuottajia on, mutta nämä kaksi ovat selvästi suurimmat ja niillä on alhaisemmat tuotantokustannukset. Tämän seurauksena Cameco on keskeisessä roolissa toimittamassa raaka-aineita nykyisille ja tuleville ydinvoimalaitoksille.

Lähde: Cameco

Kuitenkin Camecon kaivospuoli on vain puolet tarinasta. Tämä johtuu siitä, että vuonna 2022 Cameco päätti hankkia enemmistöomistuksen Westinghouse‑yrityksestä, Yhdysvaltojen johtavasta ydinvoimalaitosten rakentajasta, yhdessä suuren investointiyrityksen Brookfieldin kanssa.

Tämä antaa Camecolle pääsyn Westinghouse‑yrityksen vakaaan tulojen virtaan, joka syntyy olemassa olevien laitosten huollosta, sekä hallinnan suuren osan ydinhuoltoketjusta. Tiukkojen säädösten vuoksi tällaiset osat ja laitteet ovat pakollisia kaikille uusille voimalaitoksille, perinteisille tai SMR‑laitoksille.

Hyvä esimerkki Westinghouse‑yrityksen innovaatiopotentiaalista on sen äskettäin paljastama AP300 SMR‑suunnitelma, jonka odotetaan toteutuvan Slovakiassa, Suomessa,  ja Ruotsissa.

Niinpä Cameco on sekä panostus uraanin hintaan että Westinghouse‑yrityksen vahva asema ydinvoimalaitosten rakennusmarkkinoilla. On syytä huomata, että yhteisomistus Brookfieldin kanssa saattaa myös auttaa, sillä yrityksellä on massiivinen uusiutuvan/alan hiilineutraali sähkön tuotantoyksikkö, jonka arvo on 19 miljardia $ Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )  (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Reaktoreiden ja polttoaineteknologioiden lisäksi ydinvoiman tuotanto on vahvasti riippuvainen monista kaappareista, osista ja muista “pienistä” laitteista, jotka kuitenkin täytyy toimia moitteettomasti.

Yksi tällainen luokka on säteilyn havaitseminen, Mirionin (USA) ydinliiketoiminnan ydin. Ydinvoiman sääntely vaatii erittäin tiukkaa säteilyn altistuksen tarkkailua henkilöstön, ympäristön ja mahdollisten vuotojen tai kontaminaatioiden varhaisessa havaitsemisessa. Sama koskee myös lääketieteellistä radioaktiivisten yhdisteiden käyttöä, kuten syöpähoitoja ja kuvantamista.

Lähde: Mirion

Yritys on myös aktiivinen fyysisissä mittauksissa tieteelliseen analyysiin ja tutkimukseen, sekä dekomissio‑ ja dekontaminaatiolaitteissa puolustusalan, kyberturvallisuuden ja koulutuspalveluiden parissa. Yritys listautui pörssiin vuonna 2020.

Mirionin liikevaihto on kasvanut tasaisesti, tasaisesti tukien sekä lääketieteellistä että teollista segmenttiä.

Mirion on vähemmän “glamour” –tyyppinen osa ydinhuoltoketjua, valvoen ja mittaen säteilyä sen sijaan, että se loisi uusia reaktorisuunnitelmia, korkean tiheyspolttoainetta tai sotilaallisia sovelluksia. Tämä ei tee siitä vähemmän kiinnostavaa taloudellisesta näkökulmasta.

Niinpä Mirion on enemmän “pick‑and‑shovel” –tyyppinen osake, joka hyötyy ydinvoiman uudesta kiinnostuksesta ja investoinneista. Se hyötyy myös edelleen korkeasta julkisesta skeptisyydestä ydinvoimaa kohtaan, vahvistaen vaatimuksia kaikkialle läsnä oleville, tehokkaille ja luotettaville säteilysensoreille ja -monitorille, jotka toimittavat testatut toimittajat.