Uppdatering om SMR (Små modulära reaktorer) – Fortfarande framtiden för kärnkraft

Kärnenergidrömmar och rädslor

Nuclear energy is a controversial topic.

För det första, av rationella skäl, på grund av dess säkerhetsaspekt, med katastrofen i Tjernobyl eller Fukushima som en påminnelse om vad som kan hända när den misslyckas.

För det andra, på grund av den mindre rationella kopplingen till kärnvapen, samt en rädsla för all strålning, ofta drivet av populärkultur och science fiction.

Den har också setts som en konkurrent till ”verkliga” förnybara energier som vind och sol, och ett dåligt alternativ till dem.

Den är dock en mycket kraftfull energikälla, faktiskt den mest täta som finns för mänskligheten, där en liten uranpellet kan ersätta hundratals liter olja, ett ton kol eller 17 000 kubikfot gas.

Källa: Energy.gov

Den är också en mycket lågkoldioxidenergikälla, vilket får vissa klimataktivister att ompröva sin syn på kärnkraft. Detta är särskilt sant eftersom kärnkraft kan leverera baslast oberoende av väderförhållanden eller tid på dagen, något förnybara energier bara kan göra med enorma batteriparker.

Den nya kärnkraften

På senare tid har en ny generation av kärnenergiförespråkare och ingenjörer dykt upp, redo att kritisera den väg som industrin hittills har tagit. Deras klagomål på kärnkraft i dess nuvarande form är tvådelade: storlek och bränsle.

Är litet vackert?

Kärnkraftverk tenderar att vara massiva projekt. Produktion ligger i gigawatt, investeringar kräver tiotals miljarder, och byggtid i år om inte årtionden. Detta medför några problem:

• Svårighet att hitta pengar utanför statlig finansiering, på grund av den enorma tidsfördröjningen mellan projektets start och datumet för den första elproduktionen.
• Det är inte en bra match för små länder eller avlägsna områden, och kräver i viss grad att hela elnätet anpassas till kärnkraftverket.
• När något går fel kan det, istället för en lokal incident, bli en kontinentomfattande katastrof.
• Varje massivt projekt är en skräddarsydd experimentell design, vilket hindrar industrin från att utveckla någon form av standardisering i sin produktionsprocess.

Den sista punkten framträder särskilt efter misslyckandet med stora centraliserade kraftverk under de senaste decennierna, vilket effektivt frös industrin. Det ledde till dess totala (och troligen permanenta) förstörelse i länder som Tyskland.

Ju större ett kraftverk är, desto mer energiproduktion finns på en enda plats. Detta gör kylning av reaktorn extra svår och extra farlig om något går fel.

Uppmärksamheten vänder sig nu mot små reaktorer som kallas SMR (Små modulära reaktorer). De skulle produceras i serie, som fartyg eller maskiner, och transporteras med lastbil till sin kraftverksplats. Den modulära delen kommer av att ett SMR-baserat kärnkraftverk skulle innehålla 4–20 ”modulära” kraftgeneratorer, alla identiska.

Det finns till och med en trend att utveckla mikroreaktorer för nischade tillämpningar som industriell värme, militära baser, avlägsna samhällen eller till och med månbaser.

Källa: IAEA

Fel design & bränsle?

Designs

En annan diskussion handlar om själva anläggningarnas design. Vissa specialister menar att vattenkylda konstruktioner är i grunden mindre säkra, eftersom de kräver ett konstant vattenflöde, beroende av ett komplext system av pumpar och rör, exakt det som misslyckades i Fukushima-incidenten.

Olika kylsystem utvecklas, med fokus på passiv säkerhet, så att en reaktor kyls ner utan någon yttre inblandning om något går fel.

Bränsleval

Andra kritiserar fokuset på uran som bränsle. Av grundläggande fysikaliska skäl föredrogs detta bränsle framför alternativ eftersom den energi som produceras med uran skapar plutonium. Och plutonium är en nyckelkomponent i kärnvapen.

På 1950‑1980‑talen, när större delen av kärnindustrin föddes, sågs detta som en kvalitet. Detta var efter kalla kriget, och behovet av material till kärnvapen ansågs av många nationer vara ett krav för deras egen säkerhet. Detta är idag mycket mindre accepterat av allmänheten, särskilt med hotet om kärnproliferation och terrorism.

Dessutom är uran i grunden ett riskablare bränsle, med större risk för okontrollerade kedjereaktioner. Så många kärnentusiaster och startups förespråkar nu att utforska toriumreaktorer istället.

Ett hick i innovationen

Om du hade frågat någon specialist för bara 1–2 år sedan, hade de flesta sagt att de kände att SMR:er skulle bli framtiden för kärnindustrin.

“Med SMR:er har vi öppnat upp ett helt spektrum av kunder.”

Rolls Royce CEO

Men med den senaste avbokningen av Nuscale’s Carbon Free Power Project uppstod frågan om SMR:er kan vara kostnadskonkurrenskraftiga mot förnybar energi och konventionell kärnkraft. Eller kärnkraft som helhet, med tanke på de tiotals miljarder dollar i kostnadsöverskridanden för de senast öppnade ”traditionella” kärnkraftverken i Finland och USA.

Denna kostnadsökning kan vara oroande om den inte är en liknande situation för hela energibranschen, inklusive förnybar energi.

Det är något vi undersökte mer ingående i vår artikel “The 2023 Renewable Energy Crash“. För att kort sammanfatta, tillverkare av vindkraftverk och solpaneler, liksom byggare av kärnkraftverk, har drabbats av en kombination av problem:

• Stigande kostnader för råvaror som metall, betong och energi, som alla krävs för industriella projekt.
• Allmän inflation, som höjer kostnaden för kvalificerad arbetskraft.
• Störningar i leveranskedjan, på grund av pandemin, problem i internationella handelsleder, samt handelskrig och sanktioner från väst mot Ryssland och Kina.
• Stigande räntor, som kraftigt ökar kostnaderna för kapitalintensiva projekt som elproduktion.

Alla dessa fenomen skadar energiproducenter, ALLA energiproducenter, i deras förmåga att leverera anläggningar till så låga kostnader som tidigare planerat. Men om vi planerar att inte använda energi framöver, är detta något som måste omprissättas.

Fossila bränslen, förnybar energi eller kärnkraft, alla kommer att bli dyrast i en höginflations- och högräntemiljö. Så marknadens reaktion att ”välja” förnybar energi och SMR för ökande kostnader i detta sammanhang är inte riktigt rationell.

Bara börjat

Oro över avbokning av pilotanläggningar missar sannolikt poängen. Carbon Free Power Project var per definition ett pilotprojekt.

SMR:ers kostnadsreduktioner jämfört med andra kärnprojekt förväntas komma från två källor:

1. Amortering av FoU-kostnader över tiotals och hundratals identiska kraftverk.
2. Stadig arbetsflöde på monteringslinjen, vilket möjliggör optimering och stordriftsfördelar.

Så det är sannolikt att någon SMR kommer att vara något dyr för sina första 5 eller till och med 10 kraftverk. Först när den når full hastighet kommer de ekonomiska fördelarna från designen att manifesteras. Det är samma sätt som en prototypbil kostar mer per enhet än en väl etablerad och massproducerad modell.

Detta är också ett välkänt fenomen i innovativa industrier, kallat “Dödens dalar”. Mellan varje steg finns en topp av entusiasm, följt av en topp av pessimism. Långsiktigt fokuserade investerare och offentliga investeringar bär innovativa industrier genom dessa negativa perioder och vårdar långsiktig utveckling.

Källa: ThirdDerivative.org

Och även om Nuscale:s specifika design visar sig vara för dyr, säger detta lite om smält salts, torium, HALEU-bränslen eller kärnkraftbåtar (se mer nedan).

Sammanfattningsvis verkar det som om industrin har börjat innovera igen, troligen drivet av energikrisen utlöst av kriget i Ukraina. Med spänningarna i Mellanöstern är en upprepning av 1970‑talens energikris inte osannolik och skulle återupprepa dess effekt på kärnindustrin, vilket får länder som Frankrike att generera 70 % av sin el med kärnkraft.

Ett urval av SMR-innovatörer

Denna artikel tittar på några av de SMR-innovativa designerna, en komplett lista finns på World Nuclear Associations webbplats.

NuScale Power Corporation (SMR)

SMR Prisdiagram

NuScale är en ledare inom en ny typ av kärnreaktordesign som kallas Små modulära reaktorer (SMR).

NuScales huvuddesign kan transporteras med lastbil och kommer att producera 77 MWe per modul, med upp till 12 moduler per färdigt kraftverk för nästan 1 GW nominell effekt.

Källa: Nuscale

Denna design är tillräckligt liten för att implementeras på platsen för ett avvecklat kolkraftverk, vilket möjliggör återanvändning av all säkerhets- och nätinfrastruktur som redan finns. NuScale var också den första SMR som certifierades av den amerikanska kärnregleringsmyndigheten (NRC).

Företaget har redan säkrat kontrakt i Rumänien. Det tittar också på 15+ andra potentiella kunder som är engagerade i att implementera SMR och 120+ potentiella kunder. Dessutom finns industriella kunder som ståltverk som vill avkarbonisera sina verksamheter och säkra billig, pålitlig el.

Det är dock i centrum för frågor om den ekonomiska hållbarheten för SMR, efter att dess Carbon Free Power Project med Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) avbröts på grund av kostnadsökningar. Företagets aktiekurs har sjunkit kraftigt på nyheten, även om den återhämtat sig något sedan dess.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

GE Prisdiagram

GE, i samarbete med Hitachi, utvecklar BWRX-300 small modular reactor. Det bygger på de två företagens erfarenhet inom kärnenergi för att skapa denna 300 MW-reaktor.

Källa: GE

GE har valts för pilot-SMR-projekt i Kanada av Ontario Power Generation och av SaskPower i Saskatchewan.

I USA har den ett avtal med Tennessee Valley Authority (TVC ) och är i diskussion med flera andra elbolag.

Globalt har den valts för en flotta på 79 SMR i Polen, som ska implementeras av företaget Orlen till 2038. Den har också valts i Estland, Tjeckien och Sverige, och är i diskussion i Storbritannien och resten av världen för ytterligare försäljning.

Framgången för GE/Hitachi i att främja BWRX-300 är imponerande och kan vara den bästa internationella framgången i SMR-industrin. Det är sannolikt att populariteten för designen inte enbart baseras på dess ingenjörskonst, utan på föräldrarnas företags rykte, deras inflytandes nätverk samt den säkerhet som finansiellt stöd finns tillgängligt, jämfört med små startups.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls-Royce (RRU.DE ) är inte bara en tillverkare av lyxbilar, utan också en ledare inom flygteknik (särskilt jetmotorer) och avancerad ingenjörsteknik.

Företaget strävar efter att bli den brittiska ledaren inom SMR-teknik. Dess design ger 470 MW per modul.

Källa: Rolls Royce

Rolls Royce diskuterar utplaceringen av sina SMR i Nederländerna. Det diskuteras också i Sverige och Finland, samt i Tjeckien (inklusive med bilproducenten Skoda), och Polen.

Rolls-Royce verkar mest fokuserad på de europeiska marknaderna och industriella tillämpningar, sannolikt ett smart val med tanke på den pågående energikrisen som kontinenten upplever. En kris som kan förvärras med den potentiella stängningen av Suezkanalen för energiinporter, något vi diskuterade i vår artikel “Fossil Fuel Supplies Troubles – Looming Shipping And Energy Crisis“.

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

BEP Prisdiagram

Westinghouse Nuclear har varit en pionjär inom amerikansk kärnenergi sedan branschens början. Det har nyligen förvärvats gemensamt av uranbrytaren Cameco (49 %) och den massiva låga koldioxid-utilityn BEP (51 %), en del av den ännu större Brookfield investeringskoncernen (BN), med 850  miljarder dollar under förvaltning.

Westinghouses AP300 SMR-design är en nedskalad version av dess konventionella AP1000-reaktorer. För närvarande är 4 AP1000 i drift i Kina, med 6 under konstruktion i Kina och 2 i Georgia, USA (Georgias Vogtle-projekt har också blivit känt för förseningar och kostnadsöverskridanden), samt ett projekt för 3‑6 reaktorer i Polen och 6 i Indien.

Med en effektkapacitet på 990 MW är denna SMR-design en brygga mellan konventionella och ”små” reaktorer.

Källa: Westinghouse

Eftersom den inte är direkt listad måste investerare som vill ha en del av Westinghouse avgöra om de är mer intresserade av exponering mot BEP:s förnybara energiverksamhet, eller Camecos uranbrytningsverksamhet.

Trots detta är Westinghouse en gigant inom kärnenergi, med en lång historia av att sätta standarden för industrin, särskilt den tryckvattendesign som dominerade kärnindustrin i årtionden.

TerraPower

Det privata företaget är ökända för att backas av Bill Gates. Medan större företag och Nuscale mestadels ser till att förbättra den konventionella designen av kärnkraftverk genom förändring av storlek och produktionsmetod, söker TerraPower att förändra den radikalt.

Deras nyckelinnovation är en smält saltsreaktor, som företaget utnyttjar i ett partnerskap med GE-Hitachi för att utveckla Natrium-reaktorn, en 345 MWe-reaktor. Tekniken bör implementeras vid ett pensionerat kolkraftverk i Wyoming. De arbetar också på Molten Chloride Fast Reactor (MCFR) designen.

Smält salter fungerar både som bränsle, som innehåller de radioaktiva elementen, och som kylmedel. Detta kan göra den i grunden säkrare, då för höga temperaturer får salterna att expandera, vilket spontant minskar den kärnreaktion och leder till lägre temperaturer.

Det skulle också möjliggöra kontinuerlig påfyllning istället för att behöva stänga ner reaktorn var 18‑24 månad. Den kan också acceptera uranbränsle med olika berikningsgrader, vilket gör den mer flexibel.

Eftersom neutronerna inte bromsas ner som i en konventionell kärnreaktor, bör reaktionen bli mycket mer effektiv.

Källa: Terrapower

Även dessa radikala innovationer i en mycket konservativ och försiktig industri är inte tillräckliga för TerraPower. De utvecklar sitt “långsiktiga mål” för Traveling Wave Reactor (TWR®) design, som kan operera på icke-berikat uran i århundraden, och vara 30 × mer effektiv än konventionella designer.

Kärnenergiindustrin, försiktig för att inte upprepa misstaget med tidigare reaktorsmältningar, är för närvarande extremt skeptisk till radikala nya designer. Detta kan både spela till fördel och nackdel för TerraPower.

Å ena sidan kan deras radikala och innovativa tillvägagångssätt skapa en unik och mycket säkrare design. Å andra sidan kan de möta en brant uppförsbacke för att övertyga oroade kärnregulatoriska myndigheter att ens acceptera den experimentella lanseringen av deras kärnreaktorer.

Terrestrial Energy

Ett annat smält salts-företag är Terrestrial Energy (IMSR ), med sin Integral Molten Salt Reactor.

Företaget påstår att lösa ett nyckelproblem med smält saltsreaktorer som rör livslängden på grafitmottorn. Genom att göra reaktorkärnan till en fullt integrerad enhet blir den lätt utbytbar, med en livslängd på 7 år.

Denna design drar också nytta av samma fördelar som andra smält saltsreaktorer, såsom bättre säkerhet och högre effektivitet tack vare högre temperaturer.

Moltex Energy

Moltex är ett brittiskt företag som utvecklar en kärnavfallsförbränningsreaktor, en typ av reaktor även känd som Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR‑W) i Point Lepreau i Kanada.

Designen kan snabbt ändra sin energiproduktion, vilket gör den till en perfekt match för att komplettera intermittenta förnybara energikällor.

“Denna avancerade kärnteknik har flexibiliteten hos gaskraftverk, men den genererar el till lägre kostnad och utan koldioxidutsläpp,” MoltexFLEX

Reaktorn har inga rörliga delar och kyls passivt, vilket kräver mycket mindre övervakning än en konventionell reaktor.

Eftersom Moltex förlitar sig på kärnavfall, kan den aldrig helt ersätta standard- eller SMR-designs. Dock kan den fylla en unik nisch genom att producera billig energi samtidigt som den minskar kärnavfall och erbjuder en mycket reaktiv och flexibel källa till lågkoldioxidenergi på begäran.

Rosatom

Det ryska statliga kärnföretaget har varit en ledare i industrin i årtionden. Det var ett av de första att utveckla något liknande en liten reaktor. För närvarande verkar det inte vara starkt fokuserat på SMR-utveckling, förutom för sjöbaserad kärnkraft.

Den redan implementerade idén är att installera på ett fartyg ett mindre kärnkraftverk liknande det som driver kärnsubmariner eller hangarfartyg. Detta flytande kraftverk kan sedan placeras i områden som behöver det, i Rysslands fall främst städer och industriområden i Arktiska oceanen.

Denna design kan också produceras i serie på dedikerade varv som redan har erfarenhet av att bygga kärnkraftade krigsfartyg.

Källa: Power Technology.com

Med 80 % av världens befolkning som bor i kustområden kan denna design bli populär. För närvarande föreställs affärsmodellen att Rosatom äger och driver kraftbåten, och säljer elektriciteten, även i utländska länder.

Den erbjuder också en viss flexibilitet, med möjlighet att flytta ett kraftverk till områden drabbade av katastrofer som en orkan, eller till avlägsna regioner med liten energiinfrastruktur.

Seaborg

Rosatoms koncept med en kärnbåt / flytande kraftstation är inte unikt för Ryssland, och med tanke på den geopolitiska situationen är det osannolikt att den ryska designen blir populär i västliga länder och deras allierade inom överskådlig framtid.

Det är här det danska företaget Seaborg kommer in. Företaget utvecklar en kompakt smält saltsreaktor som också är ett flytande kraftverk på upp till 800 MW.

Källa: Seaborg

Den havsbaserade designen av Seaborg-reaktorer gör den lämplig för kustområden, med pågående diskussioner med Indonesien och Norge.

Seaborg arbetar också med den globala ledaren inom skeppsbyggnad Samsung Heavy Industries för att utveckla flytande kärnkraftverk kombinerade med väte- och ammoniakverk.

Så kan Seaborg bli en integrerad del av en kärnkraftsdriven väte- och ammoniakekonomi, som beskrivs i vår artikel “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks”.

X-Energy

X-Energys innovation inom kärnkraft är att använda en annan typ av bränsle än konventionellt berikat uran, nämligen TRISO‑X‑bränslet.

TRISO‑X‑bränslet använder “High Assay Low Enriched Uranium” (HALEU), vilket möjliggör längre driftsperioder och bör minska kostnaderna. Dess design bör också integrera inneslutningssystemet i själva bränslet, vilket drastiskt ökar säkerhetsprofilen.

Dess Xe‑100-reaktor är en High‑Temperature Gas‑cooled Reactor (HTGR), en 80 MWe-design som anses vara en del av den fjärde generationen av kärnkraftverk. Sådana reaktorer påstår en säkerhetsperimeter på 400 m (jämfört med 10 miles för konventionella designer).

X‑Energys designer kan ha tekniska fördelar, men kan också vara sårbara för geopolitiska frågor. HALEU‑bränslet levereras mestadels till USA av Rysslands Rosatom, och detta kan vara i fara på grund av kriget i Ukraina. Alternativa leveranser från USA:s Centrus eller Frankrikes Orano kan ta 5‑10 år att utveckla, vilket riskerar företagets tillgång till kärnbränsle.

Företaget meddelade i oktober 2023 att det avslutade sitt avtal med SPAC Ares Acquisition Corporation för att X‑Energy skulle bli börsnoterat.

China

Under lång tid har Kina varit en importör av kärnteknik från Ryssland och väst, men blir snabbt en ledande innovatör i branschen.

Landet har 55 aktiva kärnkraftverk, 22 under konstruktion och 70 planerade. Totalt annonserade de 2021 sin ambition att bygga 150 nya kraftverk. De uppnådde också världens första kommersiella produktion för ett fjärde generations kärnkraftverk i december 2023.

Förutom konventionella stora kraftverk utvecklar kinesiska företag också en luftkyld toriumreaktor som skulle passa bra för torra områden utan tillräckligt med vatten för traditionella tryckvattendesigner.

Det finns också utvecklingen av en kompakt torium smält saltsdesign för att driva containerfartyg utan koldioxidutsläpp eller behov av påfyllning. Detta kan förverkliga drömmen om kommersiella kärnfartyg som först föreställdes i “atom for Peace”-programmet på 1960‑talen, den amerikanska Savannah. Kanske symboliskt, den amerikanska Savannah annonserades för avveckling i januari 2023.

US Savannah – Källa: ANS

Copenhagen Atomics

Det danska företaget planerar att bygga en toriumdriven smält saltsreaktor som får plats i standardiserade 40‑fot containrar.

Företaget påstår att möjligheten finns att deras reaktor blir kommersiellt tillgänglig för 100 000 $ eller för leasing samtidigt som den levererar 100 MW termisk effekt, med en temperatur på 560 °C. Den första demonstrationsprodukten förväntas 2025.

Källa: Copenhagen Atomics

Till 2028 förväntar sig företaget också ha byggt sin första avfallsförbrännare. Den kommer kunna ta radioaktivt avfall som skulle hålla i 100 000 år och omvandla den farliga perioden till endast 300 år samtidigt som den producerar el.

Med fokus på alla de mest avancerade kärninnovationerna samtidigt (torium, smält salter, avfallsförbrännare, containerstor reaktor) är Copenhagen Atomics sannolikt ett av de mest ambitiösa startup-företagen i kärnindustrin. Så mycket av dess framtida framgång eller misslyckande kommer sannolikt att bero på hur snabbt det regulatoriska ramverket kan förändras för att välkomna radikalt nya kärndesigner, mer än bara de tekniska prestationerna hos företaget.