Små modulära reaktorer (SMR): en översikt över kärnkraftsplanerna 2023

Kärnenergidrömmar och rädslor

Kärnkraft väcker debatt. Den här artikeln beskriver små modulära reaktorer utifrån läget i slutet av 2023. Dåtidens projekt och prognoser är inte garantier för dagens genomförande.

Säkerheten är en befogad fråga: Tjernobyl och Fukushima påminner om vilka följder svåra olyckor kan få.

Det finns också farhågor om vissa kärnteknikers koppling till kärnvapen och rädsla för strålning. Vapenspridning är en verklig fråga, medan strålningsrisk måste bedömas utifrån dos och exponering.

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

Kärnbränsle har mycket hög energitäthet. Enligt USA:s energidepartement kan en liten uranbränslekuts motsvara ungefär ett ton kol, hundratals liter olja eller 17 000 kubikfot naturgas.

Källa: Energy.gov

Kärnkraft har låga utsläpp under livscykeln och kan ge stabil produktion oberoende av vind och tid på dygnet. Varierande vind- och solkraft kan stödjas av lagring, elförbindelser, efterfrågeflexibilitet och reglerbar produktion. Alla förnybara energikällor är inte väderberoende och batterier är inte den enda lösningen.

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?

Stora kärnkraftsprojekt kan omfatta flera gigawatt, investeringar på tiotals miljarder och många års byggtid. Det kan medföra följande problem:

• Svårighet att hitta pengar utanför statlig finansiering, på grund av den enorma tidsfördröjningen mellan projektets start och datumet för den första elproduktionen.
• En stor enhet kan vara olämplig för ett litet elnät eller en avlägsen plats och kräva betydande nätförstärkningar.
• Svåra olyckor kan få följder utanför anläggningen; omfattningen beror på händelsen, konstruktionen och skyddsåtgärderna.
• Projektspecifika ändringar och lokala krav kan begränsa standardiseringens fördelar, även om också stora reaktorer bygger på standardiserade modeller.

Förseningar och kostnadsökningar i vissa stora projekt har försvårat nya investeringar. Tysklands stängning av sina sista elproducerande reaktorer 2023 var ett politiskt utfasningsbeslut; det innebar inte att all kärnteknisk verksamhet och kunskap försvann.

Högre effekt innebär mer värme som måste föras bort. Säkerheten avgörs dock av hela anläggningens konstruktion och kylsystem, inte bara av storleken.

Små modulära reaktorer (SMR) syftar till att tillverka fler komponenter i fabrik och transportera färdiga enheter till platsen. IAEA använder vanligen högst 300 MWe per reaktorenhet som gräns. Ett kraftverk kan ha en eller flera enheter; fyra till tjugo moduler är inget generellt krav, och alla reaktormodeller kan inte transporteras hela med lastbil.

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?

Konstruktion

Passiv säkerhet innebär bland annat att värme kan föras bort genom naturlig cirkulation, gravitation och andra fysikaliska förlopp utan extern el eller aktiva ingrepp. Fukushima visade riskerna vid förlust av elförsörjning och kylning. Även vattenkylda modeller kan ha passiva system; valet av vatten avgör inte ensamt säkerheten.

Olika kylmedel och säkerhetssystem utvecklas för att hantera både normal drift och olycksförlopp. Deras funktion måste visas för den aktuella konstruktionen.

Bränsleval

Uranets ställning har tekniska, historiska och ekonomiska orsaker. I reaktorer kan en del uran-238 omvandlas till plutonium, vilket medför krav på kontroll och icke-spridning. Civil elproduktion har däremot inte automatiskt som syfte att framställa vapenmaterial.

Under perioden 1950–1980, alltså under kalla kriget, kopplade vissa stater sina kärnprogram till militära behov. I dag är kontroll av kärnmaterial, icke-spridning och skydd mot terrorism fortfarande centrala krav.

Torium undersöks som alternativt fertilt material. Naturligt torium är dock inte självt klyvbart bränsle utan måste omvandlas till uran-233 och behöver klyvbart material för starten. Det gör inte automatiskt en reaktor säkrare än en uranreaktor; konstruktionen och bränslecykeln är avgörande.

Ett bakslag för innovationen

I början av 2020-talet såg många teknikförespråkare SMR som en viktig framtidsinriktning för kärnkraften.

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

Rolls-Royces vd

NuScale och UAMPS avslutade Carbon Free Power Project i november 2023 när projektet inte fick tillräckliga kundåtaganden för att fortsätta. Det väckte frågor om SMR:s kostnader. Även stora konventionella projekt hade drabbats av förseningar och kostnadsökningar i Finland och USA.

Samtidigt pressade inflation och finansieringsvillkor många andra energiprojekt, om än olika mycket beroende på teknik och avtal.

Det är något vi undersökte mer ingående i vår artikel “Nedgången för förnybar energi 2023“. 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.

Råvaror, arbetskraft, leveranskedjor och räntor påverkade många kraftverksbudgetar och ledde till omförhandlingar och nya kalkyler.

Artikelns uppfattning är att gemensamma kostnadsfaktorer bör bedömas konsekvent för fossil energi, förnybart och kärnkraft. Det innebär inte att de olika teknikernas särskilda risker försvinner.

Bara börjat

Carbon Free Power Project skulle ha blivit en av de första kommersiella tillämpningarna av modellen. Nedläggningen avgör inte ekonomin för alla SMR, men är en viktig varningssignal om kostnader och kundunderlag.

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

1. Amortering av FoU-kostnader över tiotals och hundratals identiska kraftverk.
2. Ett jämnt arbetsflöde i monteringen som möjliggör förbättringar och stordriftsfördelar.

De första enheterna kan vara dyra på grund av utveckling, tillstånd och uppbyggnad av produktion. Lärande och serietillverkning kan sänka kostnaderna, men det är ingen garanti som uppstår efter ett bestämt femte eller tionde kraftverk.

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

Även om en NuScale-modell blir för dyr avgör det inte automatiskt utsikterna för smältsalt, torium, HALEU-bränslen eller flytande kraftverk (se nedan).

Energikrisen efter kriget i Ukraina ökade intresset för försörjningstrygghet och kärnteknik. Även 1970-talets oljekriser påverkade länders energival, däribland Frankrikes kärnkraftsutbyggnad. En ny kris behöver dock inte ge samma resultat överallt.

Ett urval av SMR-innovatörer

Här beskrivs några SMR-utvecklare; en bredare översikt finns hos World Nuclear Association.

NuScale Power Corporation (SMR)

SMR Prisdiagram

NuScale utvecklar små modulära reaktorer (SMR).

Modellen som marknadsfördes 2023 omfattade 77 MWe per modul och konfigurationer med upp till tolv moduler, totalt 924 MWe nominellt. Transport av förtillverkade delar syftar till att minska arbetet på byggplatsen.

Källa: Nuscale

Efter lämpliga studier och tillstånd kan ett SMR-projekt utnyttja delar av infrastrukturen vid ett nedlagt kolkraftverk. NRC certifierade NuScales ursprungliga modell på 50 MWe per modul i januari 2023. Modellen på 77 MWe fick ett standardkonstruktionsgodkännande 2025, vilket inte i sig är bygglov för en viss anläggning.

Företaget hade offentliggjort finansieringsåtaganden och projektutveckling i Rumänien. Uppgifterna om över 15 engagerade intressenter och över 120 möjliga kunder var dåtida företagsuppgifter om försäljningsmöjligheter, inte enbart bindande beställningar. Möjliga användare omfattade industrikunder som stålverk som ville minska utsläppen och säkra tillförlitlig el.

Nedläggningen av UAMPS-projektet 2023 pressade aktien och väckte frågor om ekonomin i det första projektet. Denna beskrivning av kursreaktionen avser den perioden.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

GE Prisdiagram

GE, i samarbete med Hitachi, utvecklar den lilla modulära reaktorn BWRX-300, med cirka 300 MW elektrisk effekt. GE:s kärnkraftsverksamhet följde med den självständiga GE Vernova vid avknoppningen 2024. Dagens GE-aktie avser GE Aerospace, inte direkt ägande i GE Vernova.

Källa: GE

Ontario Power Generation och SaskPower hade valt tekniken för sina kanadensiska projekt, som befann sig i olika utvecklings- och tillståndsskeden.

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

I Polen diskuterades 2023 ett mål på upp till 79 enheter till 2038, inte en redan beställd eller färdig flotta. Teknikval och diskussioner fanns även i Estland, Tjeckien, Sverige och Storbritannien. Ett teknikval är inte alltid ett slutligt investeringsbeslut.

Intresset för BWRX-300 kan bero både på tekniken och på utvecklarnas erfarenhet och samarbeten. Moderbolagens rykte garanterar inte finansiering eller genomförande av varje projekt.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

Rolls-Royce (RRU.DE ) är en koncern för flygmotorer och avancerad ingenjörsteknik. Den är en annan juridisk person än biltillverkaren Rolls-Royce Motor Cars, som tillhör BMW-koncernen.

Rolls-Royce SMR utvecklade en brittisk modulär modell på cirka 470 MWe. Det överstiger IAEA:s vanliga gräns på 300 MWe, även om företaget använder beteckningen SMR.

Källa: Rolls Royce

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

Rolls-Royce SMR fokuserade på europeiska marknader och industriella tillämpningar. Frågor om energisäkerhet och möjliga transportstörningar behandlades i artikeln ”Problem med försörjningen av fossila bränslen – hotande sjöfarts- och energikris”. En stängning av Suezkanalen var ett riskscenario, inte en säker händelse.

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

BEP Prisdiagram

Westinghouse är en etablerad leverantör av kärnteknik och tjänster. Förvärvet slutfördes den 7 november 2023: Cameco ägde därefter 49 procent och en grupp ledd av Brookfield, med Brookfield Renewable och institutionella partner, 51 procent. Den bredare Brookfield-koncernen (BN) förvaltade då cirka 850 miljarder dollar.

AP300 bygger på den större AP1000-modellen. I slutet av 2023 var fyra AP1000 i drift i Kina samt Vogtle 3 i Georgia, USA; Vogtle 4 hade ännu inte inlett kommersiell drift. Fler projekt fanns i Kina och planer för Polen och Indien. Vogtle hade blivit känt för förseningar och kostnadsöverskridanden. Alla föreslagna enheter var inte under byggnad.

AP300 är konstruerad för cirka 300 MWe elektrisk effekt och 900 MW termisk effekt, inte 990 MW el.

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 onoterade TerraPower stöds av Bill Gates. Företaget utvecklar olika reaktor- och lagringstekniker, inte bara mindre versioner av befintliga anläggningar.

Natrium är en snabbreaktor som kyls med flytande natrium. Den utvecklas i samarbete med GE Hitachi och har en grundeffekt på 345 MWe. Ett separat värmelager med smält salt möjliggör tillfälligt högre elproduktion. Demonstrationen planerades vid en kolkraftsort i Wyoming där kolproduktionen ska avvecklas. Ett annat program är Molten Chloride Fast Reactor (MCFR).

I MCFR innehåller det flytande saltet klyvbart material och transporterar värme. Natriums bränsle fungerar inte på det sättet. Värmeutvidgning och andra återkopplingar kan bidra till reaktionskontroll, men hela systemets säkerhet måste utvärderas.

Vissa modeller med flytande bränsle syftar till flexibel bränslehantering eller påfyllning utan samma stopp som konventionella reaktorer. Kontinuerlig påfyllning och möjlighet att använda alla anrikningsgrader är dock inte automatiska egenskaper hos alla saltsystem eller Natrium.

Snabba reaktorer bromsar inte neutronerna på samma sätt som termiska reaktorer. Det kan förbättra användningen av vissa bränslematerial, men innebär inte automatiskt högre verkningsgrad för elproduktionen eller lägre kostnad.

Källa: Terrapower

TerraPower har också studerat vandringsvågsreaktorn (TWR), med målet att bättre utnyttja bland annat utarmat uran. Påståenden om mångdubbelt bättre bränsleutnyttjande är utvecklingsmål, inte bevis för en tillgänglig reaktor som går i århundraden utan ett klyvbart startmaterial.

Nya konstruktioner måste visa sin säkerhet genom provning och analyser inför tillsynsmyndigheter. Det medför stora utvecklings- och tillståndskrav, men betyder inte att branschen generellt avvisar innovation.

Tekniska förbättringar kan ge TerraPower fördelar, men kommersiell drift kräver också att frågor om finansiering, bränsle, leveranskedjor och tillstånd löses.

Terrestrial Energy

Terrestrial Energy (IMSR ) utvecklar sin integrerade smältsaltreaktor (IMSR).

Företaget vill hantera grafitmoderatorns åldrande genom en integrerad härdenhet som enligt planen byts ungefär vart sjunde år. Det gäller härdenheten, inte att hela kraftverket ersätts.

Högre drifttemperatur kan förbättra verkningsgraden och möjliggöra industriell värme. Säkerhets- och kostnadsfördelarna måste visas för den aktuella modellen.

Moltex Energy

Moltex utvecklar Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR-W), som ska använda bränsle framställt ur återvunnet använt kärnbränsle. Det kanadensiska projektet är knutet till Point Lepreau i New Brunswick.

Kombinationen av SSR-W, återvinningsprocessen WATSS och värmelagret GridReserve syftar till flexibel elproduktion som kan komplettera vind- och solkraft.

En annan modell är MoltexFLEXs FLEX-reaktor, vars mål omfattar flexibel elproduktion med låga utsläpp och konkurrenskraftiga kostnader.

MoltexFLEX

Passiv cirkulation och kylning kan minska behovet av aktiva delar i vissa system. Det betyder inte att hela kraftverket saknar rörliga delar eller behov av övervakning.

Återvunnet bränsle kan ge energi och minska vissa långlivade ämnen, men krav på upparbetning, avfallshantering och tillstånd finns kvar. Allt radioaktivt avfall försvinner inte.

Rosatom

Ryska statliga Rosatom har erfarenhet av små reaktorer och marina reaktorer. Förutom flytande verk utvecklar bolaget landbaserade projekt, som RITM-200N i Jakutien.

Det flytande Akademik Lomonosov inledde kommersiell drift 2020 med två reaktorer på 35 MWe vardera. Det förser avlägsna samhällen och industrier i ryska Arktis med energi.

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

Källa: Power Technology.com

Kustområden kan vara en marknad för flytande kraftverk, men uppgiften att där bor 80 procent av världens befolkning saknar stöd utan en definition av kustzon. En föreslagen affärsmodell är att Rosatom äger och driver anläggningen och säljer el, även till andra länder.

En flytande anläggning kan flyttas till en förberedd plats. Insatser efter naturkatastrofer kräver bland annat tillstånd, förtöjning, säkerhet och nätanslutning och är ingen automatisk snabbåtgärd.

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.

Danska Seaborg utvecklade kompakta smältsaltreaktorer för flytande kraftverk. Förslagen på upp till 800 MW avsåg flera reaktorenheters sammanlagda effekt, inte en enda reaktor.

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 “Det andra vätgasbränslet – fem aktier inom grön ammoniak”.

X-Energy

X-energy utvecklar TRISO-X-bränsle för sina reaktorer.

TRISO-X använder fortfarande anrikat uran: HALEU har över 5 men under 20 procent uran-235. Skyddande lager kring små bränslepartiklar håller kvar klyvningsprodukter vid höga temperaturer. De ersätter inte kraftverkets alla andra säkerhetsfunktioner.

Xe-100 är en högtemperaturreaktor med gaskylning och cirka 80 MWe per enhet, räknad till generation IV. Företaget anger en beredskapsplaneringszon på ungefär 400 meter jämfört med de cirka tio miles som är vanliga kring stora amerikanska reaktorer. Detta är en specifik tillståndsfråga, inte en allmän gräns för noll risk.

År 2023 var tillgången på HALEU en betydande försörjningsrisk. Beroendet av ryska leveranser väckte oro efter kriget i Ukraina. Centrus framställde den första amerikanska HALEU-mängden i november 2023, medan kommersiell utbyggnad krävde mer tid och investeringar. Den äldre uppskattningen fem till tio år är ingen säker nutida leveransplan.

X-energy och Ares Acquisition Corporation avslutade sitt planerade SPAC-samgående i oktober 2023. X-energy genomförde senare en separat börsintroduktion 2026 med Nasdaq-symbolen XE. Dagens kursuppgift ändrar inte att affären från 2023 avbröts.

Kina

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

Uppgifterna från 2023 om cirka 55 reaktorer i drift, 22 under byggnad och 70 planerade avsåg reaktorenheter, inte lika många flerreaktoranläggningar. Rapporter från 2021 beskrev ambitionen att bygga 150 nya reaktorer. I december 2023 inleddes kommersiell drift av den gaskylda högtemperaturreaktorn HTR-PM, en demonstrationsanläggning för generation IV.

Kina utvecklade dessutom en experimentell smältsaltreaktor med torium i ett torrt område. Torium beskriver bränslecykeln, inte i sig kylmetoden; projektet ska inte blandas ihop med den gaskylda HTR-PM.

Det presenterades också ett smältsaltreaktorkoncept för containerfartyg, med långa bränsleintervall och låga utsläpp under drift som mål. Det var inget bevis för ett färdigt fartyg med obegränsad drift utan bränsle. Det påminner om 1960-talets Atomer för fred och det amerikanska N.S. Savannah. År 2023 pågick avveckling av Savannahs kärntekniska utrustning, flera årtionden efter att fartyget tagits ur trafik.

US Savannah – Källa: ANS

Copenhagen Atomics

Copenhagen Atomics utvecklar toriumbaserad smältsaltteknik och modulär tillverkning. Beskrivningen från 2023 siktade på en enhet i en standardcontainer på 40 fot och omkring 560 °C; detta var dåtida konstruktionsmål.

Den avsedda effekten är 100 MW värme, inte motsvarande elproduktion. Demonstrationen som förväntades 2025 var en utvecklingsprognos. Ett försäljningspris på 100 000 dollar för en komplett reaktor stöds inte av dagens officiella uppgifter: företaget anger nu ett mål på 50 miljoner dollar per 100 MWth-enhet, plus årlig serviceavgift och separata anläggningskostnader. Priser och tidplaner är företagsmål.

Källa: Copenhagen Atomics

Företaget hade också som mål att bygga en avfallsutnyttjande reaktor till 2028. Separation och transmutation av vissa långlivade isotoper kan minska långsiktig radiotoxicitet, men gör inte automatiskt allt avfall med 100 000 års riskperiod ofarligt efter 300 år. Detta var ett utvecklingsmål, inte ett redan fungerande kraftverk.

Att kombinera torium, smältsalt, återvunnet bränsle och modulär tillverkning är ambitiöst. Framgång beror på teknisk demonstration, material, ekonomi, finansiering och tillstånd, inte enbart på ändrade regler.