Den fjärde generationen av kärnkraft: billigare, renare, säkrare

Från science fiction till stagnation

Att säga att kärnenergi är kontroversiell är en underdrift. Många ser det som en extremt farlig idé, med hänvisning till spöket av Tjernobyl och Fukushima som bevis, och problemet med kärnavfall som något olösligt. Andra ser det som en potentiell civilisationräddande teknik, tack vare dess förmåga att generera baslastkraft med extremt låga koldioxidutsläpp och liten markyta.

Denna delning fanns redan tidigt, innan klimatförändring ens var ett ämne.

Världen blev först medveten om den extraordinära kraften i kärnkraft genom atombomberna över Hiroshima och Nagasaki, snart följt av uppfinningen av vätebomben och kalla kriget. Från dessa ursprung var den destruktiva potentialen i vår nyförvärvade atomkunskap tydlig.

Snart tog idén att utnyttja den för fredliga ändamål också fäste. Först kom initiativet “Atom For Peace”, sedan en massiv våg av byggande av kärnkraftverk världen över. En tid verkade det klart att framtiden var kärnkraft och att förbränning av kol, olja och gas snart skulle bli lika föråldrat som Nederländernas pittoreska väderkvarnar.

I praktiken slutade produktionen av kärnkraft växa i slutet av 1990-talet efter Tjernobyl och har sedan dess stagnerat globalt, med Kinas växande produktion som kompenserar för den minskande europeiska kärnkraftsindustrin.

Källa: Nuclear Energy – Our World in Data

Under många år var det främst Kina och Ryssland som verkade vilja utveckla kärnenergi.

Särskilt Kina, som enligt The Economist är \”building nuclear reactors faster than any other country\”.

Källa: The Economist

Idag gör kärnenergi ett återuppror globalt, i en skala som var otänkbar för några år sedan, med många nyheter som pekar på en förändring i politiken i större delen av världen:

• Japan ökar drivkraften för att återstarta världens största kärnkraftverk
• USA:s energiminister Jennifer Granholm uppmanar till tredubbling av USA:s kärnkraftsflotta
• Ny kärnkraft inkluderad i utkast till koreansk energiplan
• Frankrike släpper förnybara mål, prioriterar kärnkraft i ny energilag
• Storbritannien planerar att bygga en ny kärnreaktor i Skottland
• Indien ska bygga 18 kärnreaktorer med 13,8 GW kapacitet till 2032

Den saknade länken för avkolning?

Säkerhetsbekymmer är fortfarande mycket aktuella, och de är förklaringen bakom Tysklands beslut att stänga sina kärnkraftverk.

Dock blir bekymmer om koldioxidutsläpp och klimatförändringar allt mer pressande, och kärnenergi är faktiskt den minsta utsläpparen av alla energikällor, ännu bättre än vind och sol, som kräver mycket mer mark och råmaterial.

Källa: Our World In Data

Trots sin spektakulära natur och varaktiga konsekvenser är kärnenergi i praktiken lika säker som förnybara energikällor när man mäter antalet dödsfall den har orsakat, även när man inkluderar stora katastrofer.

Så, när man ser objektivt på det, bör kärnenergi förmodligen vara ett av verktygen för att avkolna elnätet och ekonomin i stort. Detta är särskilt sant då vi behöver mer och mer kraft för elektrifiering av transport (elbilar) och uppvärmning (värmepumpar), samt nya behov som AI-datacenter.

Mängden kol, olja och gas som måste ersättas är häpnadsväckande. Även med tanke på framstegen inom förnybar energi och elbilsadoption utgör de fortfarande den enorma majoriteten av vår energiförbrukning idag.

Källa: Our World In Data

Vad sägs om kärnavfall?

Den verkliga säkerhetsprofilen för kärnkraft lämnar dock frågan om kärnavfall.

Idén att lämna efter sig giftigt avfall för framtida generationer som kommer att vara farligt under en mycket längre tid än att den Stora pyramiden har stått är, för att säga det milt, oroande.

Ska vi förgifta framtiden för att rädda klimatet? Lyckligtvis framträder minst två lösningsuppsättningar från teknologisk utveckling för att besvara detta dilemma.

Det första alternativet är att återvinna kärnavfall, och det andra är att producera nästan inget kärnavfall. Båda är en del av den så kallade 4^th generationen av kärnkraftverk.

För mer detaljer, se nedan snabba reaktorer och toriumreaktorer.

Naturligtvis kan senare andra lösningar antas, som att ta bort avfallet från jorden med ultra‑pålitliga raketer. Men för närvarande är det osannolikt att risken att spruta kärnavfall över ett halvt kontinent vid en misslyckad uppskjutning anses acceptabel.

Generationer av kärnkraftverk

Den 1^st generationen av kärnkraftverk var i huvudsak prototyper utan kommersiell användning.

Den 2^nd generationen av kärnkraftverk utgör majoriteten av den nuvarande flottan. De byggdes under perioden 1965‑1996.

Den 3^rd generationen av kärnkraftverk byggdes efter de lärdomar som drogs från den 2^nd generationen och försökte åtgärda de brister som ledde till sällsynta men katastrofala kärnkraftsolyckor. De byggdes under perioden 1996‑2016. Ibland beskrivs en 3+‑generation som de generatorer som byggdes under 2017‑2021, med fokus på ökad säkerhet.

Den fjärde generationen av kärnkraft är bara i början och representerar ett avsteg från de tidigare, med mål om ny design, koncept och kanske till och med förändring av kärnbränslet istället för inkrementella förbättringar.

Det finns också en 5^th-generation av kärnkraftverk i diskussion. Dessa designer är teoretiskt möjliga men har inte aktivt forskats på. Detta beror vanligtvis på ekonomiska livskraftighetsfrågor, saknade teknologier eller säkerhetsbekymmer.

4^th generationens kärnkraftverk

Vad som gör ett kärnkraftverk till en del av 4^th generationen är hett omdiskuterat bland experter i branschen.

I den här artikeln kommer vi främst att diskutera anläggningsdesign som radikalt avviker från 3^rd generationens designer.

Och vi kommer att försöka hålla förklaringen så enkel som möjligt, med viss förenkling när det behövs.

Mycket högtemperaturreaktor (VHTR)

Denna design kännetecknas av mycket höga temperaturer, i intervallet 1 000 °C. Detta är det enda 4^th generationens kärnkraftverk som redan är i drift, med den kommersiella lanseringen 2023 av Huaneng Shandong Shidao Bay Nuclear Power Plant i östra Kina.

Designen förlitar sig ofta på en “pebble‑bädd”, där keramiska kulor, tillräckligt små för att hållas i handen, skyddar en kärna av uran, med tiotusentals av dessa kulor i en reaktor.

Källa: CGTN

X-Energy (XE )  är också utvecklar en liknande teknik i USA.

Eftersom reaktionen kräver hög temperatur och är passivt kyld, är detta en design som i grunden är säkrare än 3^rd generationens kärnkraftverk.

Fördelen med pebble‑designen är att möjliggöra byte utan att avbryta reaktorns produktion, där keramiken också undviker risken för läckage av radioaktivt material.

Smält saltsreaktor (MSR)

I dessa reaktorer är kylmedlet en smält saltsblandning istället för vatten eller gas. I vissa fall är bränslet också inneslutet i det smälta saltet.

Smält saltsreaktorer tenderar att ha högre verkningsgrad, förbränner bränslet mer effektivt och skapar mindre kärnavfall. Eftersom de är varmare samlas de ibland ihop med VHTR under kategorin “termiska reaktorer”.

Dock är ett problem med smälta salter att de är korrosiva, ett problem som förvärras av den potentiella försvagningen av strukturen av radioaktivitet. Detta innebär ett behov av extremt försiktig underhåll och kontroll av systemets rör, pumpar osv.

Torium

Sedan 1950-talet har nästan alla reaktorer använt uran som bränsle. Detta får människor att anta att det är den enda lösningen.

Men detta var faktiskt ett mestadels politiskt val, eftersom uranreaktorer skapar plutonium. Det sågs som positivt då, eftersom det hjälpte kärnmakter att skapa material för kärnvapen.

Ett alternativ med en resurs som är 3 × mer än uran är elementet torium. Biprodukterna från en toriumreaktor är också mycket osannolika att omvandlas till material för atomvapen.

Källa: ACS

En annan viktig fördel med torium är möjligheten att producera upp till 100 × mindre avfall, åtminstone när man använder a liquid fluoride thorium reactor design (en smält salts toriumreaktor).

Här är Kina också ledande med a thorium reactor that can run waterless, making it a good fit for desert regions. Och med container ships to be powered by a thorium reactor revealed by China State Shipbuilding Corporation (CSSC).

Snabba / Brukar / Brännare reaktorer

Snabba reaktorer förlitar sig på “snabba neutroner” som inte bromsas ner av moderatorer som i klassiska kärnreaktorer. Detta möjliggör att designa reaktorn så att den kan använda de snabba neutronerna för att förbruka element som är en del av aktinidfamiljen (som inkluderar uran och plutonium).

Källa: Sciences Notes

Eftersom klassiskt reaktorbensin blir en komplex blandning av långlivade aktinider, är denna klass av element det största problemet i kärnavfall.

Brännare-reaktorer transmuterar de flesta av de problematiska aktiniderna i använt kärnbränsle, vilket gör det bearbetade avfallet mindre aktivt, 90‑98 % mindre voluminöst, och problematiskt endast i årtionden eller århundraden istället för årtusenden.

Denna kategori av reaktorer klassificeras vanligtvis efter dess kylsystem, som kan använda gas, natrium, eller bly.

Även om den klassificeras som 4^th generation är detta inte egentligen en ny eller otestad teknik. Noterbart är att Frankrikes Phénix och Superphénix brände kärnavfall under 1970‑1990‑talen, innan de så småningom stängdes på grund av driftskostnader och politiskt tryck från gröna partiet.

Moderna versioner av snabba förbränningsreaktorer inkluderar till exempel den designade men inte byggda PRISM by GE-Hitachi.

Små modulära reaktorer (SMR) & Mikroreaktorer

De flesta kärnreaktorer är tänkta som de typiska stora kraftverk vi tänker på som kärnkraftverk.

En ny typ av design försöker minska kärnkraftverk till en storlek som kan transporteras av en lastbil (SMR) eller till och med i en standardcontainer (mikroreaktorer).

Källa: Nuscale

Generellt förväntas SMR:er användas för att driva elnätet eller stora industriella processer, medan mikroreaktorer sannolikt kommer att användas för avlägsna områden, militära anläggningar, och rymdforskning.

Den mindre storleken och standardiserade design bör också göra antagandet av SMR:er enklare för mindre länder.

En annan fördel med SMR:er är att de kan produceras i serie, som lastbilar eller fartyg, istället för den unika skräddarsydda design som vanligtvis föredras i branschen. I teorin bör detta ge stordriftsfördelar och kostnadsreduktion.

I praktiken kan kostnaderna vara högre än förväntat, åtminstone för prototyperna. Detta ledde till ett litet fall i entusiasmen för SMR:er efter att de kanske blivit lite överhypade.

Ändå är det sannolikt att SMR:er expanderar snabbt, med exempelvis projekt som fortskrider i Finland, Norge, Polen, USA, Kanada, och Argentina.

Du kan läsa mer om statusen för SMR‑teknik i vår artikel “Update on SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power”

Flytande kärnkraftstation

Även om de kanske inte tekniskt är 4^th generation, är flytande kraftstationer ett nytt koncept som ger ett radikalt avsteg från det vanliga konceptet för kärnkraftverk.

Främst förespråkat av Rysslands Rosatom är detta koncept annorlunda än kärnkraftdrivna fartyg, som till exempel vissa hangarfartyg.

Här är hela syftet med fartyget att vara en kraftstation, även om den är mobil och flytande. På grund av storleksbegränsningar kan detta också beskrivas som en SMR, dock en mycket stor sådan.

Källa: Power Technology

Tillämpningen av dessa koncept var i den ryska Arktis, där de förser städer på kusten med kraft, främst fokuserade på gruvdrift samt olje‑ och gasutvinning. I denna miljö slösas inte ”spillvärmen” från stationen bort utan kan användas för fjärrvärme.

En bredare tillämpning kan vara att föra kärnkraft till utvecklingsländer utan erfarenhet av att driva kärnteknik. Stationen kan drivas av sin tillverkare, och kraften säljs till fastlandet helt enkelt genom att ”ansluta” den till elnätet.

Konceptet kan också förse öar och avlägsna regioner med kraft, samt fungera som ett snabbt mobiliserat katastrofhjälpssystem.

Till exempel, Guinea redan ser på att samarbeta med Ryssland i ett sådant projekt.

Westinghouse and Prodigy undersöker också idén, liksom Koreas KSOE & Kepco, eller Danmarks Seaborg som kombinerar smält salts‑teknik med sjöbaserade kraftverk.

Kostnader

En sista kritik som riktas mot kärnkraft är kostnad.

Detta beror till stor del på att de senaste kärnprojekten i USA och Europa har drabbats av enorma kostnadsöverskridanden. Till exempel kostade Vogtle‑kraftverket i Georgia till $37 miljarder, varav $20 miljarder är kostnadsöverskridanden. Eller €11 miljarder Olkiluoto‑3‑verket i Finland, istället för de ursprungligt förväntade €3 miljarder.

Faktum att Vogtle tog 14 år att bygga och Olkiluoto gick i drift 12 år efter den ursprungliga uppskattningen är i stor utsträckning ansvarig för de ökande kostnaderna.

Men detta är inte ett dödsfall. Under samma period avslöjade Bloomberg att Kina byggde 6 kärnreaktorer för endast $17 miljarder.

Den ökade kostnaden i väst är främst kopplad till tre faktorer:

1. Ökande regulatorisk börda.
   1. Även om en del av detta beror på ökad granskning av säkerheten, har vissa kritiserat det som byråkratisk röd tråd och politiskt motiverade hinder för branschen.
2. Ökande kapitalkostnader.
   1. Eftersom kostnaderna för kärnkraftverk huvudsakligen är förhandskostnader för konstruktion, minskar låga kapitalkostnader slutpriset drastiskt. Vanligtvis får kinesiska kärnprojekt tillgång till lågräntelån från staten.
3. För få projekt.
   1. Om fler kraftverk byggs i rad kan tillverkare standardisera produktionen och producera utrustning i batch eller serie, istället för unika skräddarsydda designer varje gång.
   2. En jämnare ström av projekt hjälper också till att utbilda och behålla kvalificerad personal.

Varje av dessa problem kan lösas.

Överdriven regulatorisk börda kan minskas, kapital kan mobiliseras av regeringen. Och fler projekt samt en stabil energipolitik kommer att återuppbygga leveranskedjan.

Kärnkraftsbolag

1. Cameco Corporation

Kärnkraft beror på tillgången till uran. Uran är inte en särskilt sällsynt resurs, även om högkoncentrationsfyndigheter inte är lätta att hitta.

Marknaden domineras av Kazatomprom i Kazakstan och Cameco i Kanada. Andra uranproducenter finns, men dessa två är med hela vägen de största och de med något lägre produktionskostnader. Som ett resultat kommer Cameco att stå i centrum för leveransen av de råmaterial som krävs för befintliga och framtida kärnkraftverk.

Källa: Cameco

Dock är Camecos gruvverksamhet bara halva historien. Detta beror på att Cameco 2022 tog beslutet att förvärva majoritetskontrollen i Westinghouse, den ledande byggaren av kärnkraftverk i USA, tillsammans med ett stort investeringsföretag, Brookfield.

Detta ger Cameco tillgång till Westinghouses stabila intäkter från service av befintliga kraftverk och kontroll över en stor del av kärnkedjan. På grund av strikta regler kommer sådana delar och utrustning att krävas för alla nya kraftverk, både traditionella och SMR.

En bra demonstration av Westinghouses innovationspotential är dess nyligen avslöjade AP300 SMR-design, som sannolikt kommer att implementeras i Slovakien, Finland, och Sverige.

Så Cameco är både ett spel på uranpriser och Westinghouse som behåller en solid kontroll över marknaden för byggande av kärnkraftverk som de tidigare dominerade. Det bör noteras att samägandet med Brookfield också kan hjälpa, eftersom företaget har en massiv förnybar/låga koldioxidkraftgenereringsdivision i form av $19 miljarder Brookfield Renewable Partners (BEP.UN.TO ) (BEPC ) (BEP )  (BEP).

2. Mirion Technologies, Inc.

Förutom reaktorerna och bränsleteknologierna är kärnkraftsproduktion starkt beroende av många detektorer, delar och annan “mindre” utrustning som ändå måste fungera felfritt.

En sådan kategori är strålningsdetektion, Mirions (USA) kärnverksamhet. Kärnkraftsreglering kräver mycket noggranna kontroller av strålningsexponering för personal, miljö och tidig upptäckt av eventuella läckor eller föroreningar. Detsamma gäller för medicinsk användning av radioaktiva ämnen, såsom cancerbehandling och bilddiagnostik.

Källa: Mirion

Företaget är också aktivt inom fysiska mätningar för vetenskapliga analyser och forskning, samt avvecklings‑ och dekontamineringsutrustning för försvarsindustrin, cybersäkerhet och utbildningstjänster. Företaget börsnoterades 2020.

Mirions intäkter har vuxit stadigt, lika mycket drivet av dess medicinska segment och dess industriella kunder.

Mirion är en mindre “glamourös” del av kärnkedjan, som övervakar och mäter strålning istället för att skapa nya reaktordesigner, högdensitetsbränsle eller militära tillämpningar. Detta gör den inte mindre intressant ur ett finansiellt perspektiv.

Så, Mirion är mer av en “pick and shovel”-typ av aktie som kommer att gynnas av förnyat intresse och investeringar i kärnkraft. Den kommer också att tjäna på fortsatt hög offentlig skepsis mot kärnkraft, vilket stärker kraven på allestädes närvarande, effektiva och pålitliga strålningstestare och monitorer som levereras av beprövade leverantörer.