Omkring 10 procent av all elektricitet produceras idag med hjälp av världens lite drygt 440 kärnkraftsreaktorer. Det finns emellertid ett stort behov av ny produktionskapacitet, både för att ersätta fossil produktion och för att möta den ökande efterfrågan, och det byggs nu en ny generation reaktorer med bland annat förbättrad säkerhet. Det satsas dessutom mycket på både nästa generations reaktorer, som bland annat ska lösa problemet med långlivat radioaktivt avfall, och på små modulära reaktorer, som har en rad fördelar jämfört med traditionella reaktorer, men vad innebär egentligen dessa begrepp och hur förhåller de sig till varandra?
Text: Alarik Haglund
De första kärnkraftverken togs i drift redan på 1950-talet och reaktortekniken har sedan dess hela tiden fortsatt att utvecklas. Kärnreaktorer brukar därför delas in i olika generationer.
Den sista av den första generationens reaktorer stängdes ner 2015 och det stora flertalet av de reaktorer som är i drift idag tillhör den andra generationen, som byggdes från mitten av 1960-talet fram till i slutet av 1990-talet. Generation II-reaktorer är huvudsakligen lättvattenreaktorer, i form av antingen tryckvattenreaktorer eller kokvattenreaktorer, och utnyttjar vatten som kylmedel och moderator. Normalt sett använder de sig av låganrikat uran, som innehåller mindre än fem procent av den klyvbara isotopen U-235, som bränsle.
I stort sett alla nya reaktorer som byggs idag räknas till den tredje generationen och de är i de flesta fall baserade på en vidareutveckling av samma teknik som används i den andra generationens reaktorer. Det är inte alltid helt tydligt vad som skiljer den tredje generationens reaktorer från den tidigare generationen, men generellt sett har de en enklare och mer standardiserad design, vilket bland annat har till syfte att minska kapital- och driftskostnaderna, en längre teknisk livslängd, som vanligtvis ligger på cirka 60 år, och förbättrad säkerhet. I den tredje generationens reaktorer är till exempel risken för härdsmälta mycket liten, samtidigt som de är skyddade mot bland annat flygplanskrascher. Dessutom krävs det normalt sett inte något aktivt ingripande under de första 72 timmarna efter en nedstängning och de använder sig ofta av passiva säkerhetsåtgärder, som förlitar sig på naturliga fenomen som gravitation, konvektion och konduktion.
Ibland delas den tredje generationen reaktorer dessutom in ytterligare i generation III och generation III+, dit de senaste reaktorerna räknas.
Kan byggas på kort tid
En av de senaste reaktordesignerna i den tredje generationen är den europeiska tryckvattenreaktorn EPR. Reaktorn, som utvecklats av det franska företaget Areva, är en stor version av en tryckvattenreaktor och har en produktionskapacitet på omkring 1 600 megawatt elektricitet. Den är också är försedd med fyra oberoende nödkylsystem placerade i separata byggnader, en reaktorinneslutning med dubbla betongväggar och en härdfångare under reaktorkärlet.
Den första reaktorn av typen EPR som började byggas är Olkiluoto 3, som byggs vid Olkiluoto kärnkraftverk i Finland. Då bygget påbörjades 2005 var tanken att reaktorn skulle tas i kommersiell drift 2009. I likhet med många av de nya tredje generationens reaktorer som byggs i Europa och USA har den emellertid drabbats av kraftiga förseningar, vilket resulterat i mycket högre kapitalkostnader än beräknat.
Enligt den senaste uppdateringen av tidsplanen förväntas den regelbundna elproduktionen vid Olkiluoto 3 kunna påbörjas i juni 2022 och prislappen för reaktorn, som ursprungligen var beräknad till cirka 3,2 miljarder euro, uppskattas landa på runt 10 miljarder euro.
Utöver Olkiluoto 3 håller ytterligare tre reaktorer av typen EPR på att byggas i Europa. Det rör sig dels om reaktorn Flamanville 3 i Frankrike, som började byggas 2007 och som även den blivit kraftigt försenad, och dels om två reaktorer vid Hinkley Point C i Storbritannien, som började byggas 2018 respektive 2019.
I Kina har däremot två reaktorer av typen EPR redan tagits i drift vid kärnkraftverket Taishan. Kärnkraftverket började byggas 2009 och den första reaktorn, Taishan 1, togs i kommersiell drift i december 2018. Den andra reaktorn, Taishan 2, togs sedan i kommersiell drift i september 2019.
Tillsammans med andra nya reaktorer som tagits i drift i både Kina och flera andra länder, och som i vissa fall byggts på så kort tid som fem år, visar detta att det är möjligt att bygga moderna reaktorer i den tredje generationen utan att vare sig tidsplanen eller budgeten överskrids. De senaste reaktorer som byggts i Kina, samt de senaste japanska, ryska och sydkoreanska reaktorerna, har till exempel inte kostat mer än omkring 4 000 dollar per kilowatt, och i vissa fall så lite som 2 000 dollar per kilowatt.
Reaktorer i miniformat
Samtidigt har de stora och långsiktiga investeringar som förknippas med att bygga stora nya reaktorer av den tredje generationen resulterat i att intresset ökat kraftigt för mindre reaktorer. Framför allt handlar det om så kallade små modulära reaktorer, eller SMR (Small Modular Reactors), som är designade som fristående moduler och vanligtvis har en produktionskapacitet på cirka 300 megawatt elektricitet eller mindre per modul.
Till skillnad från större reaktorer, som måste byggas på plats, kan små modulära reaktorer tillverkas i en fabrik och sedan transporteras dit de behövs med båt, tåg eller lastbil. Det innebär att de kan byggas på mycket kortare tid och till en mycket lägre kapitalkostnad, som dessutom kan sänkas ytterligare om modulerna serietillverkas i stor skala.
Utöver att de utgör en mer lätthanterlig investering erbjuder små modulära reaktorer även stor skalbarhet och flexibilitet. Till exempel kan enskilda reaktormoduler användas för att förse avsides belägna platser eller små elnät med elektricitet medan ett flertal moduler kan kombineras i ett större kraftverk, som stegvis kan utökas med nya moduler efter behov. De kan också utnyttjas för en mängd olika tillämpningar, som att balansera förnybara energikällor genom att producera reglerkraft, för samproduktion av elektricitet och värme eller för ren värmeproduktion.
Kina först ut
De små modulära reaktorer som idag håller på att utvecklas eller byggas världen över är inte begränsade till någon enskild reaktorteknik. De reaktordesigner som kommit längst i utvecklingen bygger emellertid, precis som den tredje generationens reaktorer, vidare på samma teknik som används i dagens reaktorer. Med andra ord är de helt enkelt kompakta versioner av lättvattenreaktorer som designats med bland annat förbättrad säkerhet i åtanke. De flesta har till exempel en hög nivå av passiv säkerhet och vissa designer kyls till och med uteslutande med hjälp av naturlig cirkulation. Många små modulära reaktorer är dessutom designade för att placeras under markytan, vilket ger dem ett extra skydd mot terrorattacker, naturkatastrofer och andra yttre hot.
Ett exempel är den kinesiska reaktorn ACP100, som utvecklats av CNNC (China National Nuclear Corporation). Den lilla modulära reaktorn, som är baserad på den stora generation III-reaktorn ACP1000, är en tryckvattenreaktor med en produktionskapacitet på 125 megawatt elektricitet och har designats både med passiva säkerhetsfunktioner och för placering under markytan. Utöver produktion av elektricitet är den dessutom även designad för produktion av värme och ånga samt för avsaltning av havsvatten.
Den första reaktorn av typen ACP100 började byggas i juli 2021 vid kärnkraftverket Changjiang i Kina och kommer enligt CNNC bli den första landbaserade lilla modulära reaktorn i världen att tas i kommersiell drift.
Halva priset
Ett annat företag som ligger långt fram i utvecklingen av en liten modulär lättvattenreaktor är amerikanska NuScale, vars reaktordesign, som går under namnet NuScale Power Module, också är en mindre och säkrare version av en tryckvattenreaktor.
Varje NuScale Power Module kan producera 77 megawatt elektricitet och de cylinderformade modulerna, som rymmer både reaktorkärl och ånggenerator, kan tillverkas i tre segment i företagets fabrik. Därefter kan de installeras i företagets skalbara kraftverksdesign VOYGR, som rymmer upp till 12 moduler med en sammanlagd produktionskapacitet på 924 megawatt elektricitet. Totalt uppskattar NuScale kostnaden till 2 850 dollar per kilowatt, vilket är nästan halva priset jämfört med deras uppskattade pris för stora reaktorer på 5 587 dollar per kilowatt.
Den förenklade reaktordesignen innebär att många av de stora och komplexa system som krävs i dagens kärnkraftverk kan elimineras. Till exempel behövs det inte några kylpumpar för att cirkulera vatten genom reaktorn eftersom den använder sig av naturlig cirkulation.
Detta gör tillsammans med andra passiva säkerhetsåtgärder, som att reaktorn är nedsänkt i en vattenfylld pool i en underjordisk byggnad som kan stå emot en flygplanskrasch eller jordbävning, att det går att garantera en stabil och långsiktig kylning av reaktorhärden under alla förhållanden, inklusive allvarliga olyckor, utan att det krävs varken någon åtgärd från operatörens sida, någon ström eller något ytterligare kylvatten.
I augusti 2020 blev NuScale Power Module den först lilla modulära reaktorn att få grönt ljus från USA:s kärnkraftsmyndighet och företaget planerar nu att bygga sitt första kraftverk i Idaho Falls i USA. Kraftverkets första reaktormodul ska börja producera energi 2029 och kraftverket förväntas vara i full drift till 2030.
Brett startfält
Små modulära lättvattenreaktorer utvecklas också av ett flertal andra företag. Bland annat utvecklar amerikanska Westinghouse den lilla modulär tryckvattenreaktor Westinghouse SMR, som kan producera från 225 megawatt elektricitet och använder sig av passiva säkerhetssystem och komponenter från generation III-reaktorn AP1000.
Det multinationella företaget GE Hitachi Nuclear Energys lilla modulära reaktor BWRX-300, med en produktionskapacitet på ungefär 300 megawatt elektricitet, är baserad på företagets befintliga kokvattenreaktor ESBWR, som även den tillhör den tredje generationens reaktorer. I december 2021 meddelade det kanadensiska företaget Ontario Power Generation att de valt att bygga en reaktor av typen BWRX-300 vid Darlingtons kärnkraftverk. Det blir den första reaktorn av typen BWRX-300 som byggs och den förväntas kunna tas i drift så tidigt som 2028.
I Storbritannien utvecklar konsortiet UK SMR, som leds av Rolls-Royce, ett fabriksbyggt kraftverk som ska producera 470 megawatt prisvärd elektricitet med hjälp av en liten modulär lättvattenreaktor. Målsättningen är att det första kraftverket ska tas i drift i början av 2030-talet och att upp till tio kraftverk ska byggas till 2035.
Nästa generation
Oavsett om de är stora eller små och vare sig de tillhör den andra eller tredje generationen utnyttjar dagens reaktorer endast en mycket liten andel av kärnbränslets totala energiinnehåll, samtidigt som de lämnar kvar radioaktivt avfall som måste slutförvaras på ett säkert sätt i minst 100 000 år. I början av 2000-talet bildades därför den internationella arbetsgruppen GIF (Generation IV International Forum) i syfte att ta fram nästa generation reaktorer, som både ska kunna utnyttja bränslet mer effektivt än dagens reaktorer och undvika att lämna kvar långlivat radioaktivt avfall. De ska dessutom vara utformade så att de inte kan drabbas av olyckor med allvarliga följder och för att förhindra klyvbart material avleds från bränslecykeln för att användas i vapentillverkning. Sist men inte minst ska de också producera elektricitet till ett minst lika bra pris som dagens reaktorer.
GIF valde tidigt att satsa på sex typer av reaktorer i den fjärde generationen. Än så länge befinner de sig alla på utvecklingsstadiet, men det finns reaktordesigner som planeras kunna tas i kommersiell drift redan innan 2030.
Alternativa kylmedel
De flesta av den fjärde generationens reaktordesigner använder sig av snabba neutroner. De kan på så vis omvandla den oklyvbara uranisotopen U-238, som utgör mer än 95 procent av det låganrikade uranbränsle som används i de lättvattenreaktorer som är i drift idag, till den klyvbara plutoniumisotopen Pu-239. Det betyder att det jämfört med dagens reaktorer är möjligt att få ut mycket mer energi ur samma mängd bränsle och att förbrukat kärnbränsle från dagens reaktorer kan användas igen. Därmed behöver inget nytt uran brytas.
De snabba neutronerna kan dessutom utnyttjas för att omvandla de långlivade restprodukterna i det förbrukade bränslet till ämnen med kortare halveringstider.
Eftersom vatten fungerar som moderator och bromsar de snabba neutronerna kan reaktorer med snabba neutroner, till skillnad från lättvattenreaktorer, inte använda sig av vatten som kylmedel. I de fyra typer av reaktorer i den fjärde generationen som använder sig av snabba neutroner används därför alternativa kylmedel i form av antingen smält salt, natrium, helium eller bly.
Den av dessa reaktortyper där det finns mest driftserfarenhet att luta sig mot, och som därför är den som ligger längst fram i utvecklingen, är natriumkylda reaktorer, men även de flesta av de andra reaktortyperna är delvis beprövade. Till exempel har blykylning sedan länge använts i bland annat militära reaktorer.
Det är emellertid inte all reaktordesigner i den fjärde generationen som använder sig av snabba neutroner. Så kallade superkritiska vattenkylda reaktorer, grafitmodererade högtemperaturreaktorer och vissa smältsaltreaktorer är, i likhet med lättvattenreaktorer, termiska reaktorer med långsamma neutroner.
Många av den fjärde generationens reaktordesigner är dessutom små modulära reaktorer och drar därmed nytta både av de fördelar som de delar med andra små modulära reaktorer och de framsteg som den fjärde generationen reaktorer medför.
Demonstration av reaktor
Superkritiska vattenkylda reaktorer är den enda vattenkylda reaktortypen i den fjärde generationen. Till skillnad från i lättvattenreaktorer befinner sig vattnet emellertid vid så högt tryck och så hög temperatur att det är en superkritisk vätska, som har egenskaper mellan de hos en vätska och en gas. Kylvattnet kan därför användas för att driva en turbin direkt och reaktorer av den här typen har en termisk effektivitet som är omkring en tredjedel högre än dagens lättvattenreaktorer. Som bränsle används uranoxid.
Grafitmodererade högtemperaturreaktorer är gaskylda reaktorer som använder sig av så kallat TRISO-bränsle, som består av små bränslepartiklar inbäddade i grafit.
Den här typen av reaktorer tillhör de reaktorer i den fjärde generationen som kommit längst i utvecklingen och den kinesiska demonstrationsreaktorn HTR-PM blev i september 2021 den först reaktorn i den fjärde generationen att uppnå kritikalitet.
HTR-PM är både en liten modulär reaktor och en grafitmodererad högtemperaturreaktor av så kallad pebble bed-typ. Det innebär att det i reaktorhärden finns tusentals sfäriska bränsleelement innehållande bränslepartiklar, som består av uran anrikat till 8,5 procent, och gjorda av pyrolytisk grafit, som fungerar som moderator. Som kylmedel används helium, som inte kan reagera kemiskt med bränsleelementen.
Totalt har två reaktormoduler byggts i en demonstrationsanläggning vid kärnkraftverket Shidao Bay i Kina. De två reaktormodulerna driver en gemensam ångturbin för att generera sammanlagt 210 megawatt elektricitet och har till uppgift att bana väg för en kommersiell version av reaktortypen.
Bränsle och kylmedel i ett
Smältsaltreaktorer skiljer sig från både dagens reaktorer och från andra reaktorer i kärnkraftens fjärde generation eftersom de inte använder sig av ett fast bränsle. I stället används ett bränsle i flytande form bestående av uran upplöst i ett smält flouridsalt, som även fungerar som reaktorns primära kylmedel.
Det smälta saltets höga kokpunkt gör att en smältsaltreaktor, till skillnad från en lättvattenreaktor, kan arbeta vid i stort sett normalt atmosfärstryck utan att kylmedlet kokar. I en nödsituation finns det därför inte något behov av att lätta på trycket i reaktorn för att förhindra en ångexplosion. Reaktorn riskerar inte heller att bli utan kylmedel då bränslet är kylmedlet och kan inte drabbas av en härdsmälta eftersom bränslet redan befinner sig i flytande form.
Smältsaltreaktorer började studeras redan för mer än 50 år sedan och när kärnkraftsmyndigheterna i USA och Kanada i december 2019 påbörjade sin första gemensamma tekniska granskning av en avancerad reaktordesign som inte är baserad på traditionell lättvattenteknik valde de smältsaltreaktorn IMSR (Integral Molten Salt Reactor). Den lilla modulära reaktorn utvecklas av det kanadensiska företaget Terrestrial Energy, som 2019 blev det första företaget i den privata sektorn att bli medlem i GIF, och är en vidareutveckling av testreaktorer som byggts och demonstrerats vid Oak Ridge National Laboratory i USA. I likhet med sina föregångare är det en termisk reaktor, som precis som lättvattenreaktorer använder sig av långsamma neutroner. Däremot har den en mycket högre driftstemperatur än dagens lättvattenreaktorer och kan leverera värme med en temperatur på 600 grader Celsius. Det innebär att reaktorn genererar elektricitet mer effektivt och därför kan producera cirka 50 procent mer elektricitet än en motsvarande lättvattenreaktor.
Siktar på kommersiellt kraftverk
En viktig egenskap när det gäller kommersialiseringen av reaktorn är att Terrestrial Energys smältsaltreaktor, till skillnad från de flesta andra reaktordesigner i den fjärde generationen, använder sig av låganrikat uran som bränsle, vilket är samma bränsle som används i dagens lättvattenreaktorer. Terrestrial Energy har dessutom gjort ett antal förbättringar jämfört med tidigare termiska smältsaltreaktorer för att förbereda reaktorn för kommersiell drift.
Till exempel har Terrestrial Energy löst problemet med att den grafit som används som moderator har en begränsad livslängd i en reaktorhärd och är svår att byta ut genom att integrera reaktorns primära komponenter, inklusive grafitmoderatorn, i en sluten reaktormodul. När modulens livslängd på sju år är slut kan den enkelt och säkert bytas ut som ett batteri.
Tack vare att reaktormodulerna, som var och en kan producera 195 megawatt elektricitet, kan serietillverkas i en fabrik uppskattar Terrestrial Energy att ett kraftverk med deras små modulära reaktorer kan byggas på bara fyra år och företagets första kommersiella kraftverk med två moduler förväntas tas i drift någon gång i slutet av 2020-talet.
På längre sikt skulle smältsaltreaktorer med snabba neutroner även kunna vara ett alternativ till snabba reaktorer med fast bränsle.
Bygger på lång erfarenhet
Natriumkylda snabba reaktorer använder flytande natrium som kylmedel och kan precis som smältsaltreaktorer arbeta vid i stort sett normalt atmosfärstryck. Eftersom natrium reagerar kemiskt med både luft och vatten krävs emellertid ett slutet kylsystem.
Reaktortypen bygger vidare på omkring 390 reaktorårs erfarenhet, fördelade över fem årtionden och åtta länder. Bland annat började Ryssland tidigt att utveckla natriumkylda snabba reaktorer. Den experimentella ryska reaktorn BN-800, som togs i drift 2014 vid Belojarsk kärnkraftverk, är med en produktionskapacitet på cirka 790 megawatt elektricitet den hittills största reaktorn med snabba neutroner som byggts och ska bana väg för framtida kommersiella reaktorer med snabba neutroner.
En kommersiell natriumkyld snabb reaktor håller också på att utvecklas av företaget GE Hitachi. Reaktorn, som går under namnet PRISM (Power Reactor Innovative Small Module), är en liten modulär reaktor med en produktionskapacitet på 311 megawatt elektricitet och unika passiva säkerhetsfunktioner. Den bygger på den experimentella reaktorn EBR-II (Experimental Breeder Reactor II), som var i drift i 30 år vid Argonne National Laboratory i USA.
Gaskylda snabba reaktorer, som använder helium som kylmedel, är den enda av den fjärde generationens reaktortyper som inte har någon föregångare i drift, men det finns bland annat planer på att bygga en experimentell reaktor i östra Europa med stöd från franska CEA (Alternative Energies and Atomic Energy Commission). Reaktorn, som heter Allegro, ska demonstrera tekniken utan att producera elektricitet.
Flexibel reaktorteknik
Blykylda snabba reaktorer, som använder flytande bly eller en blandning av bly och vismut som kylmedel, är tack vare att den värme som produceras av det radioaktiva sönderfallet i reaktorhärden förs bort genom naturlig konvektion i det flytande blyet passivt säkra. Dessutom skyddar blyet bra mot strålning och garantera att bara minimala mängder radioaktiva ämnen släpps ut i händelse av en härdsmälta.
Reaktorer av den här typen är mycket flexibla när det gäller bränsle och utvecklas även i en rad olika storlekar med en produktionskapacitet från bara några få megawatt till 1 400 megawatt elektricitet.
I Ryssland började en demonstrationsversion av den blykylda snabba reaktorn BREST-300, som har en produktionskapacitet på 300 megawatt elektricitet och är baserad på blykylda reaktorer i framför allt ubåtar, att byggas i juni 2021 och även den europeiska demonstrationsreaktorn ALFRED förväntas kunna börja byggas under början av 2020-talet.
Svensk prototyp
I Sverige arbetar företaget Blykalla med att utveckla en blykyld snabb reaktor för kommersiell produktion av elektricitet i litet modulärt format. Nyckeln till kommersialiseringen av Blykallas reaktor är den stållegering med aluminium som tagits fram i samarbete den svenska stålindustrin för att skydda de ytor som kommer i kontakt med det flytande blyet.
Blykallas reaktor kallas för SEALER (Swedish Advanced Lead Reactor) och den första versionen, SEALER-Arctic, är designad för arktiska förhållanden. Den kan grävas ner i marken och fungera som ett batteri med en effekt på mellan 3 och 10 megawatt i upp till 30 år utan att nytt bränsle behöver fyllas på. En större version av reaktorn, SEALER-55, kan producera 55 megawatt elektricitet i 25 år.
Blykalla inledde i januari 2021 ett samarbete med Uniper Sverige. Tillsammans planerar de att bygga en icke-nukleär prototyp av Blykallas reaktor som värms upp på elektrisk väg. Prototypen ska byggas på OKG:s område vid Simpevarp utanför Oskarshamn och förväntas tas i drift 2024.
Dessutom samarbetar Blykalla även med KTH, Luleå tekniska universitet och Uppsala universitet, som genom projektet SUNRISE (Sustainable Nuclear Energy Research In Sweden) vill bygga en blykyld forsknings- och demonstrationsreaktor i Oskarshamn till 2030.
