Oppdatering om SMR-er (Små modulære reaktorer) – Fortsatt fremtiden for kjernekraft

Kjernefysiske drømmer og frykt

Kjernekraft er et kontroversielt tema.

Først, av rasjonelle grunner, på grunn av sikkerhetsaspektet, med katastrofen i Tsjernobyl eller Fukushima som en påminnelse om hva som kan skje når den svikter.

Deretter, på grunn av den mindre rasjonelle assosiasjonen med atomvåpen, samt en frykt for enhver stråling, ofte drevet av populær kultur og science fiction.

Den har også blitt sett på som en konkurrent til «ekte» fornybare energier som vind og sol, og som et dårlig alternativ til dem.

Den er likevel en svært kraftig energikilde; faktisk er den den tetteste som er tilgjengelig for menneskeheten, med en liten uranpellet som kan erstatte hundrevis av liter olje, ett tonn kull eller 17 000 kubikkfot gass.

Kilde: Energy.gov

Den er også en svært lavkarbon energikilde, noe som får noen klimaaktivister til å revurdere sitt syn på kjernekraft. Dette er spesielt sant ettersom kjernekraft kan levere baseload‑kraft uavhengig av værforhold eller tid på dagen, noe fornybare kun kan oppnå med massive batteriparker.

Den nye kjernekraften

Nylig har en ny generasjon av kjernekraftforkjempere og ingeniører dukket opp, klare til å kritisere veien industrien har tatt så langt. Deres klager på kjernekraft i dagens form er todelt: størrelse og drivstoff.

Er lite vakkert?

Kjernekraftverk har en tendens til å være massive prosjekter. Produksjonen er i gigawatt, investeringene krever titalls milliarder, og byggetiden er i år, om ikke tiår. Dette medfører noen problemer:

• Vanskeligheter med å skaffe penger utenfor offentlige midler, på grunn av den enorme tidsforsinkelsen mellom prosjektstart og første kraftproduksjon.
• Det er ikke en god løsning for små land eller avsidesliggende områder, og krever i noen grad at hele strømnettet tilpasses kjernekraftverket.
• Når noe går galt, kan det i stedet for en lokalisert hendelse bli en katastrofe på kontinentnivå.
• Hvert massivt prosjekt er et skreddersydd eksperimentelt design, som hindrer industrien i å utvikle noen form for standardisering i produksjonsprosessen.

Dette siste punktet fremheves spesielt etter sviktet av store sentraliserte kraftverk de siste tiårene, som hadde den effekt at industrien ble effektivt fryst. Det førte til dens totale (og sannsynligvis permanente) ødeleggelse i land som Tyskland.

Jo større et kraftverk er, jo mer energi produseres på ett sted. Dette gjør kjølingen av reaktoren ekstra vanskelig og ekstra farlig hvis noe går galt.

Derfor vender oppmerksomheten seg nå mot små reaktorer kalt SMR (Small Modular Reactors). De vil produseres i serie, som skip eller maskineri, og transporteres med lastebil til kraftstedsområdet. Den modulære delen kommer av at et SMR-basert kjernekraftverk vil inneholde 4–20 «modulære» kraftgeneratorer, som alle er identiske.

Det er til og med en trend med å utvikle mikroreaktorer for nisjeapplikasjoner som industriell varme, militærbaser, avsidesliggende samfunn, eller til og med månebaser.

Kilde: IAEA

Feil design og drivstoff?

Design

En annen diskusjon er designet av selve anleggene. Noen spesialister hevder at vannkjølte design er iboende mindre sikre, da de krever en konstant vannstrøm, avhengig av et komplekst system av pumper og rør, akkurat det som sviktet i Fukushima‑hendelsen.

Ulike kjølesystemer utvikles, med mål om passiv sikkerhet, som sikrer at en reaktor kjøles ned uten ekstern inngripen dersom noe går galt.

Drivstoffvalg

Andre kritiserer fokuset på uran som drivstoff. Av grunnleggende fysikkårsaker ble dette drivstoffet foretrukket fremfor alternativer fordi energien som produseres med uran skaper plutonium. Og plutonium er en nøkkelkomponent i atomvåpen.

I perioden 1950–1980, da mesteparten av kjernekraftindustrien ble født, ble dette sett på som en kvalitet. Dette var etter den kalde krigen, og behovet for materialer til atomvåpen ble av mange nasjoner ansett som et krav for egen sikkerhet. Dette er i dag mye mindre akseptert av opinionen, spesielt med trusselen om atomspredning og terrorisme.

I tillegg er uran i grunnleggende sett et risikofylt drivstoff, med større risiko for ukontrollerte kjedereaksjoner. Derfor går mange kjernekraftentusiaster og oppstartsbedrifter nå inn for å utforske thoriumreaktorer i stedet.

Et lite knep i innovasjon

Hvis du hadde spurt noen spesialister for bare 1–2 år siden, ville de fleste ha sagt at de følte at SMR-er ville være fremtiden for kjernekraftindustrien.

«Med SMR-er har vi åpnet opp et helt spekter av kunder.»

Rolls Royce CEO

Men med den nylige avlysningen av Nuscale sitt Carbon Free Power Project, reiste dette spørsmålet om SMR-er kan være kostnadskonkurransedyktige med fornybar energi og konvensjonell kjernekraft. Eller kjernekraft som helhet, med tanke på titalls milliarder dollar i kostnadsoverskridelser for de nyeste «tradisjonelle» kjernekraftverkene i Finland og USA.

Denne kostnadsøkningen kan være bekymringsfull hvis den ikke er en lik situasjon for hele energibransjen, inkludert fornybar energi.

Dette undersøkte vi i større detalj i artikkelen vår «The 2023 Renewable Energy Crash». For å oppsummere kort, har vindturbin- og solcelleprodusenter, samt byggherrer av kjernekraftverk, lidd under en kombinasjon av problemer:

• Økende kostnader for råvarer som metall, betong og energi, som alle er nødvendige for industrielle prosjekter.
• Generell inflasjon, som øker kostnadene for kvalifisert arbeidskraft.
• Forstyrrelser i forsyningskjeden, på grunn av pandemien, problemer i internasjonale handelsruter, og handelskrig og sanksjoner fra Vesten mot Russland og Kina.
• Stigende rentenivåer, som kraftig øker kostnadene for kapitalintensive prosjekter som kraftproduksjon.

Alle disse fenomenene svekker evnen til energiprodusenter, ALLE energiprodusenter, til å levere kraftverk til en så billig pris som tidligere planlagt. Men med mindre vi planlegger å slutte å bruke energi fra nå av, er dette noe som må prises på nytt.

Fossilt brensel, fornybar energi eller kjernekraft vil alle koste mest i et høy‑inflasjons‑ og høyrenteøkonomisk miljø. Så markedets reaksjon på å «velge» fornybar energi og SMR på grunn av økende kostnader i denne konteksten er ikke særlig rasjonell.

Bare i gang

Bekymringer om avlysning av pilotanlegg går sannsynligvis glipp av poenget. Carbon Free Power Project var per definisjon et pilotprosjekt.

Kostnadsreduksjonene for SMR-er sammenlignet med andre kjernekraftprosjekter forventes å komme fra to kilder:

1. Amortisering av FoU‑kostnader over titalls og hundrevis av identiske kraftverk.
2. Stabil arbeidsflyt på samlebåndet, som tillater optimalisering og stordriftsfordeler.

Derfor er det sannsynlig at enhver SMR vil være noe dyr i sine første 5 eller til og med 10 kraftverk. Først når den når full hastighet vil de økonomiske fordelene fra designet bli tydelige. Det er på samme måte som en prototypebil koster mer per enhet enn en veletablert og masseprodusert modell.

Dette er også et velkjent fenomen i innovative industrier, kalt «dødsdalene». Mellom hver fase er det en topp av entusiasme, etterfulgt av en topp av pessimisme. Langsiktige investorer og offentlige investeringer bærer innovative industrier gjennom disse negative periodene og fremmer langsiktig fremgang.

Kilde: ThirdDerivative.org

Også hvis Nuscale sitt spesifikke design viser seg å være for kostbart, sier dette noe om smeltet salt, thorium, HALEU‑drivstoff eller kjernekraftbåter (se mer nedenfor).

Alt i alt ser det ut til at industrien har begynt å innovere igjen, sannsynligvis drevet av energikrisen utløst av krigen i Ukraina. Med spenninger som øker i Midtøsten, er en gjentakelse av energikrisen på 1970‑tallet ikke usannsynlig og vil gjenta sin effekt på kjernekraftindustrien, slik at land som Frankrike genererer 70 % av sin elektrisitet med kjernekraft.

Et utvalg av SMR-innovatører

Denne artikkelen ser på noen av SMR-innovasjonsdesignene, en komplett liste kan finnes på nettstedet til World Nuclear Association.

NuScale Power Corporation (SMR)

SMR Prisdiagram

NuScale er en leder innen en ny type kjernekraftreaktordesign kalt Small Modular Reactors (SMRs).

NuScales hoveddesign kan transporteres med lastebil og vil produsere 77 MWe per modul, med opptil 12 moduler per ferdig kraftverk for nesten 1 GW nominell effekt.

Kilde: Nuscale

Dette designet er så lite at det kan implementeres på stedet til et avviklet kullkraftverk, slik at det kan gjenbruke all sikkerhets- og nettinfrastruktur som allerede er bygget. NuScale var også den første SMR som ble sertifisert av USAs Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Selskapet har allerede sikret kontrakter i Romania. Det ser også på 15+ andre potensielle kunder som er forpliktet til å implementere SMR-er og 120+ potensielle kunder. I tillegg kommer industrielle kunder som stålsmelter som ønsker å dekarbonisere sine operasjoner og sikre billig, pålitelig kraft.

Den er imidlertid i sentrum av spørsmål om den økonomiske levedyktigheten til SMR-er, etter at Carbon Free Power Project med Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) ble avlyst på grunn av kostnadsøkninger. Selskapets aksjekurs har falt kraftig på nyheten, selv om den har kommet seg noe siden.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

GE Prisdiagram

GE, i samarbeid med Hitachi, utvikler den lille modulære reaktoren BWRX-300. Den utnytter de to selskapenes erfaring innen kjernekraft for å skape denne 300 MW-reaktoren.

Kilde: GE

GE har blitt valgt for pilot‑SMR‑prosjekter i Canada av Ontario Power Generation og av SaskPower i Saskatchewan.

I USA har den en avtale med Tennessee Valley Authority (TVC ) og er i diskusjon med flere andre kraftselskap.

Globalt har den blitt valgt for en flåte på 79 SMR-er i Polen, som skal implementeres av selskapet Orlen innen 2038. Den er også valgt i Estland, Chech Republic og Sverige, og er i diskusjon i Storbritannia og resten av verden for ytterligere salg.

Sucessen til GE/Hitachi med å promotere BWRX-300 er imponerende og kan være den beste internasjonale suksessen i SMR‑industrien. Det er sannsynlig at populariteten til designet ikke kun er basert på ingeniørkunsten, men også på omdømmet til morselskapene, deres påvirkningsnettverk, samt sikkerheten i tilgjengelig finansiell støtte, sammenlignet med små oppstartsbedrifter.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls‑Royce er ikke bare en produsent av luksusbiler, men også en leder innen luftfart (spesielt jetmotorer) og avansert ingeniørteknologi.

Selskapet ser etter å bli den britiske lederen innen SMR‑teknologi. Designet gir 470 MW per modul.

Kilde: Rolls Royce

Rolls Royce diskuterer utplasseringen av sine SMR-er i Nederland. Den er også i diskusjoner i Sverige og Finland, samt Tsjekkia (inkludert med bilprodusent Skoda), og Polen.

Rolls‑Royce ser mest ut til å fokusere på de europeiske markedene og industrielle applikasjoner, sannsynligvis et smart valg med tanke på den pågående energikrisen kontinentet opplever. En krise som kan forverres med den potensielle stengingen av Suezkanalen for energiimport, noe vi diskuterte i artikkelen vår «Fossil Fuel Supplies Troubles – Looming Shipping And Energy Crisis».

Westinghouse: Cameco (CCJ) og Brookfield Renewable Partners L.P. (BEP)

BEP Prisdiagram

Westinghouse Nuclear har vært en pioner innen amerikansk kjernekraft siden bransjens begynnelse. Den har nylig blitt ervervet i fellesskap av uranminereren Cameco (49 %) og den massive lavkarbon‑leverandøren BEP (51 %), en del av den enda større investeringskonsernet Brookfield (BN), med 850 milliarder dollar under forvaltning.

Westinghouses AP300 SMR-design er en nedskalert versjon av deres konvensjonelle AP1000-reaktorer. For øyeblikket er 4 AP1000 i drift i Kina, med 6 flere under bygging i Kina og 2 i Georgia, USA (Georgias Vogtle‑prosjekt har også blitt beryktet for forsinkelser og kostnadsoverskridelser), samt et prosjekt for 3–6 reaktorer i Polen og 6 i India.

Med en effektkapasitet på 990 MW går dette SMR-designet på grensen mellom konvensjonelle og «små» reaktorer.

Kilde: Westinghouse

Siden den ikke er direkte notert, må investorer som ønsker en del av Westinghouse bestemme om de er mer interessert i eksponering mot BEPs fornybare energivirksomhet, eller Camecos uranminingaktivitet.

Likevel er Westinghouse en gigant innen kjernekraft, med en lang historie med å sette standarden for industrien, spesielt det trykkvannbaserte designet som dominerte kjernekraftindustrien i flere tiår.

TerraPower

Det privatnoterte selskapet er notorisk støttet av Bill Gates. Mens større selskaper og Nuscale hovedsakelig ser på å forbedre det konvensjonelle designet av kjernekraftverk gjennom endring av størrelse og produksjonsmetode, ser TerraPower på å endre det radikalt.

Hovedinnovasjonen er en smeltet‑salt‑reaktor, som selskapet utnytter i et partnerskap med GE‑Hitachi for å utvikle Natrium‑reaktoren, en 345 MWe‑reaktor. Teknologien skal implementeres på et avviklet kullkraftverk i Wyoming. De jobber også med designet Molten Chloride Fast Reactor (MCFR).

Smeltet salt fungerer både som drivstoff, som inneholder de radioaktive elementene, og som kjølemiddel. Dette kan gjøre den iboende sikrere, da for høye temperaturer får saltet til å utvide seg, noe som spontant reduserer den nukleære reaksjonen og fører til lavere temperaturer.

Den vil også tillate kontinuerlig påfylling i stedet for å måtte stenge reaktoren hver 18–24. måned. Den kan også akseptere urandrivstoff med ulike berikelsesgrader, noe som gjør den mer fleksibel.

Siden nøytronene ikke blir sakte ned som i en konvensjonell kjernekraftreaktor, bør reaksjonen bli mye mer effektiv.

Kilde: Terrapower

Selv disse radikale innovasjonene i en svært konservativ og forsiktig industri er ikke nok for TerraPower. De utvikler sitt «langsiktige mål» med Traveling Wave Reactor (TWR®)-designen, som kan operere på ikke‑beriket uran i århundrer, og være 30 ganger mer effektiv enn konvensjonelle design.

Kjernekraftindustrien, som er forsiktig for å ikke gjenta feilene fra tidligere reaktormeltdowns, er for tiden ekstremt skeptisk til radikale nye design. Dette kan både spille til fordel og ulempe for TerraPower.

På den ene siden kan deres radikale og innovative tilnærming skape et unikt og mye sikrere design. På den andre siden kan de møte en vanskelig kamp for å overbevise bekymrede nukleære reguleringsmyndigheter om å akseptere den eksperimentelle lanseringen av deres kjernekraftreaktorer.

Terrestrial Energy

Et annet selskap med smeltet salt er Terrestrial Energy (IMSR ), med sin Integral Molten Salt Reactor.

Selskapet hevder å løse et viktig problem med smeltet‑salt‑reaktordesign som er relatert til levetiden til grafittmoderatoren. Ved å gjøre reaktorkjernen til en fullt integrert enhet, gjør den den lett utskiftbar, med en levetid på 7 år.

Dette designet drar også nytte av de samme fordelene som andre smeltet‑salt‑reaktorer, som bedre sikkerhet og høyere effektivitet takket være høyere temperaturer.

Moltex Energy

Moltex er et britisk selskap som utvikler en kjernekraftavfalls‑reaktor, en type reaktor også kjent som Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR‑W) i Point Lepreau i Canada.

Designet kan raskt endre sin energiproduksjon, noe som gjør det til en perfekt match for å supplere intermittente fornybare energikilder.

«Denne avanserte kjernekraftteknologien har fleksibiliteten til gasskraftverk, men den genererer elektrisitet til lavere kostnad og uten karbonutslipp,» MoltexFLEX

Reaktoren har ingen bevegelige deler og kjøles passivt, noe som krever mye mindre tilsyn enn en konvensjonell reaktor.

Fordi Moltex er avhengig av nukleært avfall, kan den aldri fullt ut erstatte standard- eller SMR-designene. Den kan imidlertid fylle en unik nisje ved å produsere billig energi samtidig som den reduserer nukleært avfall og gir en svært reaktiv og fleksibel kilde til lavkarbonenergi på etterspørsel.

Rosatom

Det russiske statlige kjernekraftselskapet har vært en leder i industrien i flere tiår. Det var en av de første til å utvikle noe som ligner på en liten reaktor. For øyeblikket ser det ikke ut til å være sterkt fokusert på SMR‑utvikling, bortsett fra sjøbasert kjernekraft.

Den allerede implementerte ideen er å installere på et skip et mindre kjernekraftverk likt det som driver atomubåter eller hangarskip. Dette flytende kraftverket kan deretter settes i områder som trenger det, i Russlands tilfelle hovedsakelig byer og industrielle anlegg på Arktisk hav.

Dette designet kan også produseres i serie ved dedikerte verft som allerede har erfaring med å bygge atomdrevne krigsskip.

Kilde: Power Technology.com

Med 80 % av verdens befolkning som bor i kystområder, kan dette designet bli populært. Foreløpig er forretningsmodellen som er tenkt at Rosatom eier og driver kraftbåten, og selger elektrisiteten, også i utenlandske land.

Den gir også et visst nivå av fleksibilitet, med muligheten til å flytte et kraftverk til områder rammet av katastrofer som en orkan, eller til avsidesliggende regioner med lite energiinfrastruktur.

Seaborg

Rosatoms konsept med en atombåt / flytende kraftstasjon er ikke unikt for Russland, og med tanke på den geopolitiske situasjonen er det lite sannsynlig at det russiske designet vil bli populært i vestlige land og deres allierte i overskuelig fremtid.

Her kommer det danske selskapet Seaborg inn. Selskapet utvikler en kompakt smeltet‑salt‑reaktor som også er et flytende kraftverk på opptil 800 MW.

Kilde: Seaborg

Det havbaserte designet av Seaborg-reaktorer gjør det godt egnet for kystnasjoner, med pågående diskusjoner med Indonesia og Norge.

Seaborg samarbeider også med den globale lederen innen skipsbygging, Samsung Heavy Industries, for å utvikle flytende kjernekraftverk kombinert med hydrogen- og ammoniakkanaler.

Derfor kan Seaborg bli en integrert del av en atomdrevet hydrogen‑ og ammoniakekonomi, som beskrevet i artikkelen vår «The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks».

X-Energy

X-Energy (XE ) sin innovasjon innen kjernekraft er å bruke en annen type drivstoff enn konvensjonelt beriket uran, TRISO‑X‑drivstoffet.

TRISO‑X‑drivstoffet bruker «High Assay Low Enriched Uranium» (HALEU), som tillater lengre driftsperioder, noe som bør redusere kostnadene. Designet skal også integrere innkapslingssystemet i selve drivstoffet, noe som dramatisk øker sikkerhetsprofilen.

Xe‑100‑reaktoren er en High‑Temperature Gas‑cooled Reactor (HTGR), et 80 MWe‑design som anses som en del av den fjerde generasjonen av kjernekraftverk. Slike reaktorer hevder en sikkerhetsperimeter på 400 m (versus 10 miles for konvensjonelle design).

X‑Energy‑designene kan ha tekniske fordeler, men kan også være sårbare for geopolitiske problemer. HALEU‑drivstoffet leveres hovedsakelig til USA av Russlands Rosatom, og dette kan være i fare på grunn av krigen i Ukraina. Alternative leveranser fra USAs Centrus eller Frankrikes Orano kan ta 5–10 år å utvikle, noe som setter selskapets forsyning av kjernekraftstoff i fare.

Selskapet kunngjorde i oktober 2023 at de avsluttet avtalen med SPAC Ares Acquisition Corporation for at X‑Energy skulle bli børsnotert.

China

I lang tid har Kina vært en importør av kjernekraftteknologi fra Russland og Vesten, men landet blir raskt en ledende innovatør i industrien.

Landet har 55 aktive kjernekraftverk, 22 under bygging og 70 andre planlagt. Totalt , kunngjorde i 2021 sin ambisjon om å bygge 150 nye kraftverk. Det oppnådde også verdens første kommersielle produksjon for en 4^th generasjons kjernekraftverk i desember 2023.

I tillegg til konvensjonelle store kraftverk utvikler kinesiske selskaper også en luftkjølt thoriumreaktor som vil passe godt i tørre områder uten nok vann til tradisjonelle trykkvannsdesign.

Det er også utviklingen av et kompakt thorium‑smeltet‑salt‑design for å drive containerskip uten karbonutslipp eller behov for påfylling. Dette kan realisere drømmen om kommersielle atomskip som først ble forestilt i “atom for Peace”-programmet på 1960‑tallet, den amerikanske Savannah. Kanskje symbolsk ble US Savannah ble kunngjort for avvikling i januar 2023

US Savannah – Kilde: ANS

Copenhagen Atomics

Det danske selskapet ser på å bygge en thorium‑drevet smeltet‑salt‑reaktor som passer inn i standardiserte 40‑fot containere.

Selskapet hevder at muligheten for at reaktoren blir kommersielt tilgjengelig for $100 000 eller for leie, samtidig som den leverer 100 MW termisk kraft med en temperatur på 560 °C. Det første demoproduktet forventes i 2025.

Kilde: Copenhagen Atomics

Innen 2028 forventer selskapet også å ha bygget sin første avfallsforbrenner. Den vil kunne ta radioaktivt avfall som normalt ville vare i 100 000 år og redusere den farlige perioden til kun 300 år samtidig som den produserer kraft.

Med fokus på alle de mest avanserte kjernekraftinnovasjonene samtidig (thorium, smeltet salt, avfallsforbrenner, container‑størrelse reaktor), er Copenhagen Atomics sannsynligvis en av de mest ambisiøse oppstartsbedriftene i kjernekraftindustrien. Så mye av selskapets fremtidige suksess eller fiasko vil sannsynligvis avhenge av hvor raskt det regulatoriske rammeverket kan endres for å ta imot radikalt nye kjernekraftdesign, mer enn bare selskapets tekniske prestasjoner.