Uppdatering om SMRs (Small Modular Reactor) – Still The Future of Nuclear Power

Kärnkraftsdrömmar och rädslor

Kärnenergi är ett kontroversiellt ämne.

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

För det andra för den mindre rationella föreningen med kärnvapen, samt en rädsla för vilken som helst strålning, ofta driven av populär popkultur och science fiction.

Det har också setts som en konkurrent till "äkta" förnybara energikällor som vind och sol, och ett dåligt alternativ till dem.

Det är inte desto mindre en mycket kraftfull energikälla, i själva verket är det den tätaste tillgängliga för mänsklig civilisation med 1 liten pellets uran som kan ersätta hundratals liter olja, ett ton kol eller 17,000 XNUMX kubikfot gas.

Källa: Energy.gov

Det är också en energikälla med mycket låga koldioxidutsläpp, vilket får vissa klimataktivister att ompröva sin syn på kärnkraft. Detta är särskilt sant eftersom kärnkraft kan ge kraftbaslast oberoende av väderförhållanden eller tid på dygnet, något förnybara energikällor bara kan göra med massiva batteriparker.

Den nya kärnkraften

Nyligen har en ny sort av kärnkraftsförespråkare och ingenjörer dykt upp, en redo att kritisera den väg som industrin tagit hittills. Deras klagomål om kärnkraft som den ser ut idag är tvåfaldiga: storlek och bränsle.

Liten är vacker?

Kärnkraftverk tenderar att vara massiva projekt. Produktionen är i gigawatt, investeringar krävs i tiotals miljarder och byggtid i år om inte decennier. Detta orsakar några problem:

• Svårt att hitta pengar från statlig finansiering, på grund av den enorma tidsförskjutningen mellan projektets start och datumet för den första kraftproduktionen.
• Det är inte en bra match för små länder eller avlägsna områden och kräver till viss del att hela elnätet är anpassat till kärnkraftverket.
• När något går fel, istället för en lokal incident, kan det bli en kontinentomfattande katastrof.
• Varje massivt projekt är en anpassad experimentell design som blockerar industrin från att utveckla någon form av standardisering i sin produktionsprocess.

Denna sista punkt är särskilt utmärkande efter haveriet i stora centraliserade kraftverk under de senaste decennierna, vilket hade till följd att industrin effektivt fryste. Det orsakade till och med dess totala (och förmodligen permanenta) förstörelse i länder som Tyskland.

Ju större kraftverk är, desto mer energi produceras på bara ett ställe. Detta gör kylningen av reaktorn extra svår och extra farlig om något går fel.

Så uppmärksamheten riktas nu mot små reaktorer som kallas SMR (Small Modular Reactors). De skulle tillverkas i serie, som fartyg eller maskiner, och transporteras till deras kraftverksplats. Den modulära delen kommer från det faktum att ett SMR-baserat kärnkraftverk skulle innehålla 4-20 "modulära" kraftgeneratorer, var och en identisk med varandra.

Det finns till och med en trend att utveckla mikroreaktorer för nischapplikationer som industriell värme, militärbaser, avlägsna samhällen eller till och med månbaser.

Källa: IAEA

Fel design och bränsle?

designs

En annan diskussion är själva utformningen av växterna. Vissa specialister hävdar att de vattenkylda konstruktionerna i sig är mindre säkra, eftersom de kräver en konstant ström av vatten, beroende på ett komplext system av pumpar och rörledningar, exakt vad som misslyckades i Fukushima-incidenten.

Olika kylkonstruktioner utvecklas, med målsättningen på passiv säkerhet, för att säkerställa att en reaktor kyls ner utan några yttre ingrepp om något går fel.

Bränsleval

Andra kritiserar fokuseringen på uran som bränsle. Av grundläggande fysikskäl föredrogs detta bränsle framför alternativ eftersom energin som produceras med uran skapar plutonium. Och plutonium är en nyckelkomponent i kärnvapen.

Under 1950-1980, när större delen av kärnkraftsindustrin föddes, sågs detta som en kvalitet. Detta var efter det kalla kriget, och behovet av kärnvapenmaterial ansågs av många nationer som ett krav för deras egen säkerhet. Detta är något som är mycket mindre accepterat av den allmänna opinionen idag, särskilt med hotet om kärnvapenspridning och terrorism.

Dessutom är uran i grunden ett mer riskfyllt bränsle, med fler risker för utomkontrollerade kedjereaktioner. Så många kärnkraftsentusiaster och startups förespråkar nu för att utforska toriumreaktorer istället.

En hicka i innovation

Om du hade frågat någon specialist för bara 1-2 år sedan skulle de flesta ha sagt att de kände att SMR skulle vara framtiden för kärnkraftsindustrin.

"Med SMR har vi öppnat upp ett helt spektrum av kunder."

Rolls Royce VD

Men i och med att Nuscales kolfria kraftprojekt nyligen avbröts, väckte detta frågan om SMR:er kan vara kostnadskonkurrenskraftiga med förnybar energi och konventionell kärnkraft. Eller kärnkraft som helhet, med tanke på de tiotals miljarder dollar i kostnadsöverskridande av de senast öppnade "traditionella" kärnkraftverken i Finland och USA.

Denna kostnadsökning skulle kunna vara oroande om det inte var en identisk situation för hela energibranschen, inklusive förnybar energi.

Det är något vi undersökte mer i detalj i vår artikel "Kraschen för förnybar energi 2023". För att snart återuppta har tillverkare av vindkraftverk och solpaneler, såväl som kärnkraftverksbyggare, drabbats av en kombination av problem:

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

Alla dessa fenomen skadar energiproducenternas, ALLA energiproducenters, förmåga att tillhandahålla anläggningar till en kostnad som är lika billig som tidigare planerat. Men förutom om vi planerar att inte använda energi från och med nu, är detta något som kommer att behöva prissättas om.

Fossilt bränsle, förnybar energi eller kärnkraft, allt kommer att kosta mest i en ekonomisk miljö med hög inflation och hög hastighet. Så marknadernas reaktion på att ”plocka” förnybar energi och SMR för att öka kostnaderna i detta sammanhang är inte riktigt rationell.

Har just börjat

Oron för att ställa in pilotanläggningar kommer sannolikt också att missa poängen. The Carbon Free Power Project var per definition ett pilotprojekt.

SMRs kostnadsminskningar jämfört med andra kärnkraftsprojekt förväntas komma från två källor:

1. Amortering av FoU-kostnader över tiotals och hundratals identiska kraftverk.
2. Stadigt arbetsflöde för löpande band, vilket möjliggör optimering och stordriftsekonomi.

Så det är troligt att varje SMR kommer att bli något dyrt för sina första 5 eller till och med 10 kraftverk. Först när den kommer i full fart kommer de ekonomiska fördelarna från designen att visa sig. Det är på samma sätt som en prototypbil kommer att kosta mer per enhet än en väletablerad 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 främjar långsiktiga framsteg.

Källa: ThirdDerivative.org

Och även om Nuscales specifika design visar sig vara för kostsam, säger detta lite om smält salt, torium, HALEU-bränslen eller kärnkraftspråmar (se mer nedan).

Sammantaget verkar det som att branschen har börjat förnya sig igen, troligen sporrat av energikrisen som utlöstes av kriget i Ukraina. Med ökande spänningar i Mellanöstern är en upprepning av 1970-talets energikris inte osannolik och skulle replikera dess effekt på kärnkraftsindustrin, vilket gör att länder som Frankrike genererar 70 % av sin el med kärnkraft.

Ett urval av SMR-innovatörer

Den här artikeln tittar på några av SMRs innovativa design, en fullständig lista finns på World Nuclear Associations webbplats.

NuScale Power Corporation (SMR)

NuScale Power Corporation (SMR + 5.54%)

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

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

Källa: Nuscale

Denna design är tillräckligt liten för att kunna implementeras på platsen för ett nedlagt kolkraftverk, vilket gör att den kan återanvända all säkerhets- och nätinfrastruktur som redan byggts. NuScale var också första SMR som certifierats av US Nuclear Regulatory Commission (NRC).

Företaget har redan säkrat kontrakt i Rumänien. Den tittar också på 15+ andra potentiella kunder som är engagerade i att implementera SMR och 120+ potentiella kunder. Ovanpå detta kommer industriella kunder som stålverk vill minska sin verksamhet och säkra billiga, pålitliga kraftkällor.

Det är dock i centrum för förhören om den ekonomiska bärkraften för SMR, efter att dess kolfria kraftprojekt med Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) ställdes in på grund av kostnadsökningar. Bolagets aktiekurs har fallit kraftigt på nyheterna, även om den återhämtade sig något sedan dess.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

General Electric Company (GE + 1.54%)

GE, i samarbete med Hitachi, utvecklar BWRX-300 liten modulär reaktor. Det drar nytta av de två företagens erfarenhet av kärnenergi för att skapa denna 300 MW reaktor.

Källa: GE

GE har valts ut för pilotprojekt för SMR i Kanada av Ontario Power Generation och av SaskPower i Saskatchewan.

I USA har man ett avtal med Tennessee Valley Authority och för diskussion med flera andra energibolag.

Globalt har den valts ut för en flotta på 79 SMR i Polen, som ska användas av företaget Orlen senast 2038. Den har också valts ut i Estland, Tjeckien och Sverige, och diskuteras i Storbritannien och resten av världen för ytterligare försäljning.

Framgången för GE/Hitachi med att marknadsföra BWRX-300 är imponerande och kan vara den bästa internationella framgången i SMR-branschen. Det är troligt att designens popularitet inte enbart baseras på dess ingenjörskonst, utan på dess moderbolags rykte, deras inflytandenätverk, såväl som säkerheten om tillgängligt finansiellt stöd, jämfört med små startups.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

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

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

Källa: Rolls Royce

Rolls Royce diskuterar utplaceringen av sina SMR:er i Nederländerna. Det finns också i diskussioner i Sverige och Finland, såväl som Tjeckien (inklusive med biltillverkaren Skoda), Och Polen.

Rolls-Royce verkar mest fokuserad på de europeiska marknaderna och industriella tillämpningar, förmodligen ett smart val med tanke på den pågående energikrisen som kontinenten upplever. En kris som kan bli värre med den potentiella stängningen av Suezkanalen för energiimport, något vi diskuterade i vår artikel "Problem med fossila bränslen – hotande leverans- och energikris".

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

Brookfield Renewable Partners LP (BEP förlängning -1.26%)

Westinghouse Nuclear har varit en pionjär inom amerikansk kärnenergi sedan branschens början. Det har nyligen förvärvats gemensamt av urangruvarbetaren Cameco (49 %) och det massiva lågkoldioxidföretaget BEP (51 %), en del av det ännu större Brookfield investerarbolag (BN), med $850 miljarder under förvaltning.

Westinghouses AP300 SMR-design är en förminskad version av dess konventionella AP1000-reaktorer. För närvarande är 4 AP1000 verksamma i Kina, med 6 till under uppbyggnad i Kina och 2 i Georgia, USA (Georgiens Vogtle-projekt har också blivit ökända för förseningar och kostnadsöverskridanden), samt ett projekt för 3-6 reaktorer i Polen och 6 i Indien.

Med en effektkapacitet på 990MW går denna SMR-design linjen mellan konventionella och "små" reaktorer.

Källa: Westinghouse

Eftersom det inte är direkt listat måste investerare för att få en del av Westinghouse bestämma om de är mer intresserade av exponering för BEP:s förnybara energiverksamhet eller Camecos uranbrytningsverksamhet.

Ändå är Westinghouse en jätte inom kärnenergi, med en lång historia av att sätta standarden för industrin, särskilt den trycksatta vattendesignen som skulle dominera kärnkraftsindustrin i årtionden.

TerraPower

Det privatnoterade företaget stöds notoriskt av Bill Gates. Medan större företag och Nuscale mestadels vill förbättra den konventionella designen av kärnkraftverk genom en förändring av storlek och produktionsmetod, vill TerraPower förändra det radikalt.

Dess nyckelinnovation är en smältsaltreaktor, som företaget utnyttjar i ett partnerskap med GE-Hitachi för att utveckla Natriumreaktorn, en 345 MWe reaktor. Tekniken bör användas vid en avgående kolfabrik i Wyoming. Det arbetar också med Smält klorid snabbreaktor (MCFR) utformning.

Smälta salter fungerar både som bränslet, som innehåller de radioaktiva elementen, och som kylvätska. Detta kan göra det säkrare, eftersom för höga temperaturer gör att salterna expanderar, vilket spontant minskar kärnreaktionen och leder till lägre temperaturer.

Det skulle också möjliggöra kontinuerlig tankning istället för att behöva stänga av reaktorn var 18-24:e månad. Det skulle också kunna acceptera uranbränsle vid olika anrikningsgrader, vilket gör det mer flexibelt.

Eftersom neutronerna inte bromsas ner som i en konventionell kärnreaktor borde det göra reaktionen mycket mer effektiv.

Källa: Terrapower

Inte ens dessa radikala innovationer i en mycket konservativ och försiktig bransch räcker för TerraPower. Det håller på att utveckla sitt "långsiktiga mål" av Traveling Wave Reactor (TWR®) design, som skulle kunna fungera på icke-anrikat uran i århundraden och vara 30 gånger effektivare än konventionella konstruktioner.

Kärnenergiindustrin, som är försiktig med att inte upprepa misstaget från tidigare härdsmältningar i reaktorerna, är för närvarande extremt skeptisk till alla radikala nya konstruktioner. Detta kan spela både för och mot TerraPower.

Å ena sidan kan deras radikala och innovativa tillvägagångssätt skapa en unik och mycket säkrare design. Å andra sidan kan de möta en kamp i uppförsbacke för att övertyga oroliga kärnkraftsmyndigheter att ens acceptera experimentell uppskjutning av sina kärnreaktorer.

Markenergi

Ett annat smältsaltföretag är Terrestrial Energy, med dess Integral smältsaltreaktor.

Företaget påstår sig lösa ett nyckelproblem med reaktorkonstruktioner med smält salt som är relaterat till grafitmoderatorns livslängd. Genom att göra reaktorhärden till en helt integrerad enhet gör den den lätt utbytbar, med en livslängd på 7 år.

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

Moltex energi

Moltex är ett brittiskt företag som utvecklar en kärnavfallsförbränningsreaktor, en typ av reaktor även känd som Stabil saltreaktor – avfallsbrännare (SSR-W) i Point Lepreau i Kanada.

Designen kan ändra sin energiproduktion snabbt, vilket gör den till en perfekt matchning för att komplettera intermittent förnybar energi.

"Denna avancerade kärnkraftsteknik har flexibiliteten som gaseldade kraftverk, men den genererar el till en lägre kostnad och utan koldioxidutsläpp."

MoltexFLEX

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

Eftersom Moltex är beroende av kärnavfall, kunde det aldrig helt ersätta standard- eller SMR-designerna. Det kan dock passa en unik nisch i att lyckas producera billig energi samtidigt som det minskar kärnavfall och tillhandahåller en mycket reaktiv och flexibel energikälla med låga koldioxidutsläpp på begäran.

Rosatom

Det ryska kärnkraftsföretaget har varit ledande inom branschen i decennier. Det var en av de första som utvecklade något liknande en liten reaktor. För närvarande verkar det inte vara riktigt fokuserat på SMR-utveckling, förutom sjöburen kärnkraft.

Den redan implementerade idén är att installera ett mindre kärnkraftverk på ett fartyg som liknar det som driver atomubåtar eller hangarfartyg. Detta flytande kraftverk kan sedan utplaceras till områden som behöver det, i Rysslands fall mestadels städer och industriområden vid Ishavet.

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

Källa: Power Technology.com

Med 80 % av världens befolkning som bor i kustområden kan denna design bli populär. För tillfället skulle affärsmodellen som tänkt sig vara för Rosatom att äga och driva kraftpråmen och sälja elen, inklusive i främmande länder.

Det erbjuder också en viss nivå av flexibilitet, med möjlighet att flytta ett kraftverk i områden som drabbats av katastrofer som en orkan, eller till avlägsna regioner med lite energiinfrastruktur.

Sjöborg

Rosatoms koncept med en kärnkraftspråm/flytande kraftverk är inte unikt för Ryssland, och med tanke på den geopolitiska situationen är det osannolikt att den ryska designen kommer att vara populär i västländer och deras allierade under överskådlig framtid.

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

Källa: Sjöborg

Den havsbaserade designen av Seaborg-reaktorer gör att den passar bra för kustnationer, med diskussioner med Indonesien och Norge.

Seaborg samarbetar också med den globala ledaren inom skeppsbyggnad av Samsung Heavy Industries för att utveckla flytande kärnkraftverk i kombination med väte- och ammoniakanläggningar.

Så Seaborg skulle kunna bli en integrerad del av en kärnkraftsdriven väte- och ammoniakekonomi, som beskrivs i vår artikel "Det andra vätgasbränslet – Topp 5 gröna ammoniaklagren".

X-Energi

X-Energys innovation inom kärnkraft är att använda en annan typ av bränsle än det konventionella anrikade uranet, TRISO-X-bränslet.

TRISO-X-bränslet använder "High Assay Low Enriched Uranium" (HALEU), vilket möjliggör längre driftperioder, vilket borde minska kostnaderna. Dess design bör också införliva inneslutningssystemet i själva bränslet, vilket drastiskt ökar dess säkerhetsprofil.

Dess Xe-100-reaktor är en högtemperaturgaskyld reaktor (HTGR), en 80 MWe-konstruktion som anses vara en del av de 4^th produktion av kärnkraftverk. Sådana reaktorer gör anspråk på en 400 m säkerhetsperimeter (mot 10 miles för konventionella konstruktioner).

X-Energy-designer kan ha tekniska fördelar, men kan också vara sårbara för geopolitiska frågor. HALEU-bränsle levereras mestadels till USA av ryska Rosatom, och detta kan vara i fara på grund av kriget i Ukraina. Alternativa leveranser från USA:s Centrus eller franska Orano kan ta upp till 5-10 år att utveckla, vilket äventyrar företagets leverans av kärnbränsle.

Företaget meddelade i oktober 2023 att det sade upp sitt avtal med SPAC Ares Acquisition Corporation för att X-Energy ska bli börsnoterad.

Kina

Under lång tid, en importör av kärnteknik från Ryssland och västvärlden, håller Kina snabbt på att bli en ledande innovatör i branschen.

Landet är värd för 55 aktiva kärnkraftverk, har 22 under uppbyggnad och 70 andra planerade. Totalt, meddelade man 2021 sin ambition att bygga 150 nya kraftverk. Det uppnådde också världens första kommersiella produktion för en 4^th generations kärnkraftverk i december 2023.

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

Det finns också utveckling av en kompakt toriumsmält-saltdesign för att driva containerfartyg utan några koldioxidutsläpp eller behov av tankning. Detta kan göra verklighet av drömmen om kommersiella kärnkraftsfartyg som först föreställdes i programmet "atom for Peace" på 1960-talet, den amerikanska Savannah. Kanske symboliskt, den amerikanska Savannah tillkännagavs för avveckling i januari 2023

US Savannah – Källa: ANS

Copenhagen Atomics

Det danska företaget funderar på att bygga en toriumdriven smältsaltreaktor som passar in i standardiserade 40 fots behållare.

Företaget hävdar möjligheten att dess reaktor är kommersiellt tillgänglig för $100,000 100 eller för leasing samtidigt som den levererar 560 MW värmekraft, med en temperatur på 2025°C. Den första demoprodukten väntas XNUMX.

Källa: Copenhagen Atomics

År 2028 räknar företaget också med att ha byggt sin första avfallsbrännare. Det kommer att kunna ta radioaktivt avfall som skulle hålla i 100,000 300 år och förvandla avfallets farliga period till bara XNUMX år samtidigt som det producerar kraft.

Med fokus på alla de mest avancerade kärnkraftsinnovationerna på en gång (torium, smälta salter, avfallsbrännare, reaktor i containerstorlek) är Copenhagen Atomics förmodligen en av de mest ambitiösa startupen inom kärnkraftsindustrin. Så mycket av dess framtida framgång eller misslyckande kommer sannolikt att bero på hur snabbt regelverket kan förändras för att välkomna radikalt nya kärnkraftskonstruktioner, mer än bara företagets tekniska landvinningar.