Väiksed moodulreaktorid – kas elu pärast põlevkivi?

Ebatavaliselt kiiresti muutuv kliima on üks olulisemaid väljakutseid, mille ees maailm täna seisab. Kliimaeksperdid on ühel meelel, et globaalne soojenemine on seotud 20. sajandi keskel alanud tööstusrevolutsiooniga ja üha tugevneva inimtekkelise kasvuhooneefektiga. Kirjutavad Marti Jeltsov (Vattenfall, Rootsi) ja Henri Ormus (Fennovoima, Soome), kes kuuluvad ka Fermi Energia asutajate hulka.

Kasvuhooneefekti põhjustab muu hulgas süsinikdioksiid (CO₂), mille sisaldust atmosfääris mõjutab nii metsade raiumine ja fossiilsete kütuste põletamine kui ka looduslikud protsessid, nagu elusolendite hingamine ja vulkaanipursked.

Kuna CO₂ püsib atmosfääris väga pikka aega, siis tuleb just selle gaasi õhkupaiskamist piirata ja parimal juhul seda lausa sealt eemaldada, mis ei ole aga sugugi lihtne ülesanne. Üks peamine CO₂ allikas on energeetikasektor ja elektri tootmine selle olulise osana. Kliimaprobleemide lahendamine ja tuumaenergia kasutamine on pikemat aega olnud ülemaailmse dilemma keskmes.

Arenevas maailmas, kus igal kuuendal inimesel puudub ligipääs elektrile ja tarbimine on kindlalt kasvutrendis, pakub just stabiilne tuumaenergeetika laiapõhjalist lahendust CO₂ emissioonide vähendamiseks. Eriti oluline on tugi vahelduvatele taastuvallikatele, kuniks piisavad salvestusvõimalused puuduvad. Tuumaenergia suurimad eelised tulenevad kütuse suurest energiatihedusest, mistõttu on tuumaenergeetika määrava tähtsusega kliimamuutuste vastases võitluses paljudes riikides üle maailma.

Tuumaenergiat kasutatakse täna enam kui 50 riigis, kus 450 reaktoriga toodetakse 11% maailma elektrienergiast ning 30% kogu CO₂ vabast elektrienergiast.

Väiksed moodulreaktorid on saamas reaalsuseks

Tsiviiltuumaenergeetika algusaegadest on jaamade elektrilised võimsused kasvanud 60 megavatist tänaseks enam kui 1600 MWe-ni (võrdluseks Eesti tarbimistipp on ca 1500 MWe).

Tuumareaktorite ajaloo saab tinglikult jagada neljaks põlvkonnas. Esimeste hulka kuuluvad peamiselt prototüübid, teise põlvkonda enamik tänapäeval töötavatest reaktoritest, kolmandasse täna ehituses olevad disainid ja neljandasse innovatiivseid lähenemisi kasutavad reaktorid. Just viimaste hulka kuuluvad Eestile sobivaimad lahendused.

Tuumajaamade suurenemisega kaasneb üha lisanduv süsteemide keerukus, mida peetakse peamiseks põhjuseks uute jaamade ehitusprojektide venimisel ning mis mõjutab negatiivselt ka nende hinda. Oma rolli mängivad selles üha karmistuvad ohutusstandardid. Samal ajal on aga rakendatud hulk erinevaid väikseid reaktoreid (soojusliku võimsusega kuni 200 MWth) õppeotstarbel, meditsiinis vajalike isotoopide tootmisel ja sõjalaevanduses.

Rahvusvahelise Aatomienergia Agentuuri (IAEA) definitsiooni kohaselt nimetatakse väikesteks moodulreaktoriteks (VMR) tehnoloogiaid, mille elektriline võimsus jääb alla 300 MWe ning mida on võimalik toota kontrollitud tehasetingimustes standardsete moodulitena. VMR-e saab transportida laevade, lennukite ja isegi veoautode abil paikadesse, kus nad võrdlemisi lühikese ajaga töötavaks elektrijaamaks monteerida saab.

Viimasel kümnendil on väga palju rõhku pandud innovatsioonile tuumatehnoloogias, kusjuures seda mitte niivõrd uute tehnoloogiate väljatöötamises, vaid pigem juba tõestatud tehnoloogiaid optimeerides ja lihtsustades. Näiteks töötati 1960. aastatel välja mitmeid võimekaid tehnoloogiaid, mis ei ole küll kommertskasutusse jõudnud, kuna 1950.-1960. aastatel tehti tuumatehnoloogiate valikuid eelkõige sõjatööstuse eelistuste järgi. Seega panustati tehnoloogiatesse, mida on võimalik kasutada näiteks plutooniumi tootmiseks või allveelaevade käitamiseks. Tänaseks on aga olulisemad eesmärgid efektiivsem kütusekasutus, lihtsus, ohutus ja ökonoomsus – see ongi võti väikeste moodulreaktorite taassünnile.

Näiteks on mitmetes uutes tuumareaktorite lahendustes välditud kõrgsurvelist vett, mis on asendatud kas sulasoola või sulametalliga, viies ohutustasemed võrreldes tänaste veereaktoritega veelgi kõrgemale. Välistatud on nii auru- kui ka vesinikuplahvatused, mis leidsid aset näiteks Tsernobõlis ja Fukushimas (tuumaplahvatust reaktorites juhtunud ei ole). Sulasoola või sulametalli kasutamine lubab ka oluliselt kõrgemat temperatuuri, mis võimaldab odavalt suures mahus soojuse salvestamist ning elektri tootmisele lisaks erinevaid rakendusi muudes tööstusprotsessides nagu süsinikuvaba vesiniku ja ammooniumi tootmine.

Mõned juba litsentsimisel olevad reaktorid võimaldavad kütusena kasutada veereaktorite kasutatud tuumkütust, alandades sellega oluliselt pika elueaga radioaktiivsete jäätmete hulka ehk siis olemasolevaid tuumajäätmeid „põletatakse” uutes reaktorites, vähendades seeläbi nende koguhulka.

Eestile mõeldes sobivad VMR-id siia just oma suuruse tõttu, kuna meie elektritarbimine on võrdlemisi väike. Tavaline suur tuumajaam Eestisse ei sobiks, kuna nende võimsus jääb vahemikku 1000–1600 MWe. Eesti tarbimistipp on aga ainult umbes 1500 MWe ehk siis üks tuumajaam võiks katta kogu Eesti elektrienergia vajaduse ja see oleks juba energiajulgeoleku ja võrgustabiilsuse risk ning ka turu seisukohalt väga keeruline lahendus. Väiksed moodulreaktorid aga oma 200–300 MWe võimsusega oleksid Eesti jaoks ideaalsed.

Joonis: 3+ põlvkonna reaktor AP-1000 võrreldes VMR-idega. (Allikas: Moltex Energy)

Teel uute disainide ja moodsama litsentsimise poole

Väikseid moodulreaktoreid on hakatud arendama ja litsentsima erinevates paikades üle maailma. Tehnoloogiliste ja majanduslike eeliste kõrval nähakse positiivseid võimalusi ka tuumaenergeetika litsentsimisprotsessi harmoniseerimises ning omamoodi sellegi protsessi „modulariseerimises“. Näiteks on Maailma Tuumaenergeetika Assotsiatsiooni ellu kutsutud „Harmoonia Programm“ eesmärkideks kõikide elektritootmisviiside võrdne kohtlemine, rahvusvaheliste litsentsimisprotseduuride ühtlustamine ning tuumaenergeetika maine kujundamine faktide ja mitte niivõrd emotsioonide põhjal. On ju levinud arvamus, et tuumaenergia on kõige ohtlikum maailmas, aga kui vaadata fakte, siis need räägivad vastupidist – tuumaenergia on üks kõige turvalisem energiatootmise viis, kui vaatame statistikat erinevate energiaallikate põhjustatud surmadest toodetud TWh kohta.

Peamised teenäitajad paindlikuma ja kasutajasõbralikuma litsentsimisprotsessi suunas on täna Kanada, Suurbritannia ja mõningaid märke on näha ka Ameerika Ühendriikides. Erinevad VMR-ide arendajad ja valdkonna eksperdid on hinnanud just Kanada lähenemist täna maailmas kõige paremaks. Sealne tuumaohutuse komisjon (CNSC ehk Canadian Nuclear Safety Commission) vastutab sõltumatu reaktorite litsentsimise eest võimalikult paindlikul ja läbipaistval moel, arvestades nii avalikkuse kui ka tehnoloogiaarendajate ootusi. Suurim eripära on Kanadas kasutatav eel-litsentsimine (VDR ehk Vendor Design Review), mille edukal läbimisel saavad tehnoloogiaettevõtted kindlustunde, et nende reaktorite puhul põhimõttelised takistused hilisema detailse litsentsi saamiseks puuduvad.

VDR koosneb kolmest osast, mille käigus hinnatakse nii ettevõtte kui ka tehnoloogia võimekust ja potentsiaali. Eesti peaks just selles protsessis osalevatel reaktoritootjatel erilise hoolega silma peal hoidma.

Eestile sobivad VMR-id

Laias laastus võib öelda, et kõik väiksed modulaarselt ehitatud ja litsentsitud reaktoritüübid võiks rakendust leida ka Eestis. Lisaks konkurentsivõimelise hinnaga stabiilsele elektritootmisele võimaldavad kõrgtemperatuursed tehnoloogiad energiat salvestada ja juhitavalt elektrit toota. Samuti on võimalik kõrget temperatuuri kasutada vesiniku tootmiseks, mida on tarvis näiteks Eestis toodetud kütuste rafineerimiseks või väetiste tootmisel – mõlemad on täna väga CO₂-mahukad protsessid. Püüdes tänase seisuga kommertskasutusele lähemalolevaid tehnoloogiaid välja tuua, jäävad sõelale vesireaktoritest NuScale ja BWRX-300 (GE Hitachi) ning sulasoolreaktoritest ISMR (Terrestrial Energy) ja SSR (Moltex Energy).

Vesijahutusega reaktorid

Surveveereaktor NuScale

NuScale reaktoridisain on väga oluline uuendus juba kasutuseloleva tuumatehnoloogia vallas. Nimelt kasutab NuScale VMR laialtlevinud surveveereaktorite kogemust, pannes auru tootmise ja soojusvahetid ühte kompaktsesse moodulisse (nn NuScale Power Unit elektrilise võimsusega 60 MW). Jaamas saab paigutada veega täidetud „vanni” 1–12 moodulit, mida juhitakse ühest kontrollruumist. NuScale’i passiivsed ohutussüsteemid põhinevad füüsikalistel protsessidel ehk aktiivseid (elektrit või inimjuhtimist eeldavaid) süsteeme tarvis ei ole. NuScale näol on tegemist väga robustse ja stabiilse reaktoriga, mille ohutusnäitajad on maailmaklassist ning majanduslikud riskid miinimumini viidud. Kuna NuScale reaktor on disainitud vastu pidama maailma eri paigus aset leidvatele tormidele ja elektrikatkestustele, sobib asukohana nii elektri- kui soojatarbijate vahetu lähedus. Arendaja on leidnud esimese reaktori asukohaks Idaho lootes hakata elektrit tootma juba aastal 2026.

Joonis: NuScale Power Unit disain (vasakul) ning võimalik transport veoautol (paremal).

Keevveereaktor BWRX-300

GE Hitachi BWRX-300 on 300 MW elektrilise võimsusega vesijahutusega VMR, mis toimib pumpadeta (vabakonvektsiooni põhimõttel) ning kasutab samuti passiivseid ohutussüsteeme. Selle reaktori puhul on tegemist juba kümnenda keevveereaktorite põlvkonnaga alates 1955. aastast, mil General Electric tuumareaktoreid tootnud on, olles omataoliste seas lihtsaim, kuid samas innovatiivseim. BWRX-300 disain põhineb USA-s litsentsitud suurel 1520 MW-sel ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) reaktoril, mis suudab pakkuda puhast ja paindlikku baasvõimsust elektritootmisel konkurentsivõimelise hinnaga. Tervet elutsüklit arvesse võttes on 2000 dollarit kilovati kohta võrreldav tüüpilises gaasielektrijaamas toodetud elektriga. Tänu tõestatud tehnoloogiale loodab arendaja BWRX-300 turule tuua aastaks 2028.

Sulasoolareaktorid

Terrestrial Energy

Terrestrial Energy Integreeritud Sulasoolareaktor (IMSR) kasutab tänapäeval opereerivatest reaktoritest fundamentaalselt erinevat tehnoloogiat – tuumakütus ning jahutusvedelik on kombineeritud vedelsoola tahkete kütuseelementide asemel, mis on eranditult kasutusel täna töötavates reaktorites. IMSR põhineb suurel määral 1960–1970. aastatel Oak Ridge laboratooriumis väljatöötatud, rakendatud ja tõestatud tehnoloogiatel.

Selle aeglastel neutronitel töötava reaktori elektriline võimsus on 195 MW ja primaarahelas sooladena on kasutusel floriidid. Kütuseks kasutatakse standardset madalrikastatud uraan-235. Sulasoolad on termiliselt stabiilsed ning väga head soojuskandjad, sobides seetõttu suurepäraselt tuumas tekkinud soojusenergia ohutuks ülekandmiseks elektritootmiseks vajalikule veeaurule. IMSR kasutab vaid lihtsaid, ohutuid ja füüsikalistel nähtustel põhinevaid protsesse soojusülekandeks pakkudes seeläbi efektiivsemat elektritootmist võrreldes konventsionaalsete vesijahutusega reaktoritega. Muuhulgas võimaldab sulasoola kasutamine mitmeid majanduslikke eeliseid nagu odav elektri hind ja nn „walk-away” ohutu elektrijaam.

Joonis: Terrestrial Energy ISMR. Reaktori elektriline võimsus on 195 MW. Allikas: www.terrestrialenergy.com

Moltex Energy

UK ettevõtte Moltex Energy väljaarendatav Stabiilse Soola Reaktor (SSR), mis põhineb samuti eksperimentaalse sulasoolareaktori (MSRE ehk Molten Salt Reactor Experiment) kogemustel 1960.-1970. aastatest Oak Ridge laboratooriumis USA-s. Tegemist on VMR-iga, milles nii soojusvaheti kui ka kütusena kasutatakse soola (kloriide antud juhul), kuid nad ei puutu reaktoris kokku. Nimelt on kütus paigutatud, nagu konventsionaalsetel vesireaktoritelgi, kütusevarrastesse, mistõttu jahutusvedelikuna kasutusel olev sool on kiirgusele minimaalselt avatud. Moltexi SSR reaktor võib kütusena kasutada lisaks tavalisele madalrikastatud uraanile ka looduslikku uraani, tänastes reaktorites tekkinud tuumakütuste jääke ja ka tooriumi.

Kokkuvõteks

Tuumaenergeetika on paljude riikide poolt leidnud koha puhtas elektritootmises panustades varustuskindluse ja võrgustabiilsuse tagamisse ning kliimaeesmärkide saavutamisse, toetades ebastabiilse taastuvenergeetika lahenduste kasvavat rolli. Uued innovatiivsed lahendused on saamas vajalikuks reaalsuseks, aga kas ka Eestis? Seda näitab aeg.

Allikad:

1. NASA https://climate.nasa.gov/
2. Maailma Tuumaassotsiatsioon http://www.world-nuclear.org
3. Kanada Tuumaohutuse Assotsiatsioon https://nuclearsafety.gc.ca/eng/
4. OECD https://read.oecd-ilibrary.org/nuclear-energy/the-costs-of-decarbonisation_9789264312180-en
5. Terrestrial Energy www.terrestrialenergy.com
6. NuScale Power www.nuscalepower.com
7. GE Hitachi https://nuclear.gepower.com

Sidebar

MÜÜT: Arvatakse, et tuumajäätmeid tekib hiigelhulgal ning puudub lahendus, kuidas neid kahjutuks muuta.

Tegelikult mahuks kogu maailmas viimase 60 aasta jooksul 450 reaktoris tekkinud kasutatud radioaktiivne tuumkütus 100x100x100 meetrit alasse. Sellest „jäätmest“ saab 96 protsenti ümber töödelda ja kasutada väärtusliku kütusena IV põlvkonna reaktorites. Välja on töötatud ka tehnoloogia, kuidas radioaktiivne kasutatud tuumkütus turvaliselt ladustada maa-alla stabiilsesse aluskivimisse nii, et see ei kujuta endast ohtu ka tulevastele põlvkondadele.

Joonise allkiri: Kogu maailmas seni tekkinud kasutatud tuumkütuse maht võrdluses Tallinna teletorniga