Kaukolämpöä ydinvoimalla

Toimiiko idea?

11.10.2024, kello 10:28

Teksti Heikki Jaakkola | Kuva Scanstockphoto

Ensimmäisen kaukolämpöä tuottavan suomalaisen ydinreaktorin rakentaminen aloitetaan ensi vuonna. VTT:n kehittämän reaktorin kehittämistä jatkaa Steady Energy. Laitos tuottaisi lämpöä 50 megawatin teholla — mutta ei sähköä.

Suomessa kehitetty pienikokoinen ydinreaktori — SMR — perustuu samaan kevytvesitekniikkaan kuin suuret Suomessa käytössä oleva ydinvoimalaitokset. SMR-reaktorin erona suurempiin on kuitenkin se, että laitos tuottaa vain kaukolämpöä — ei lainkaan sähköä.

Suomessa toimivat suuret ydinvoimalaitokset taas tuottavat pelkkää sähköä. Prosessissa syntyvä lämmin lauhdevesi pumpataan mereen.

VTT:n kehittämän idean kaupallistamista jatkaa Steady Energy. Johtaja Lauri Muranen kertoo, että kehitteillä olevan pienreaktori tuottavan lämpöä 50 megawatin teholla. Koska reaktorissa ei ole sähköä tuottavaa generaattoria, voi laitos toimia matalammassa paineessa ja lämpötilassa kuin sähköä tuottava reaktori.

Reaktori koostuu kahdesta sisäkkäisestä säiliöstä. Niiden välissä on ilmaa. Ulomman säiliön pohjalla on vettä, jonka pinta ylettyy sisemmän säiliön alaosaan — reaktorin yläpuolelle.

Reaktoripaineastian sisällä on veteen upotettu reaktoriydin. Kun ydintä ympäröivä vesi kuumenee, nousee kuuma vesi säiliön yläosaan. Säiliön yläosassa lämpö siirtyy lämmönvaihtimien kautta välipiiriin, mistä lämpö siirretään kaukolämpöverkkoon.

Lämmönvaihtimessa viilentynyt vesi painuu alas keräämään itseensä taas uutta lämpöä reaktorista. Veden kierto reaktioastiassa perustuu pelkästään fysiikkaan — pumppuja ei tarvita.

Reaktorin jäähdytys toimii hätätilanteessakin ilman ylimääräistä tekniikkaa. Jos reaktori kuumenee liikaa, höyrystyy ulomman säiliön pohjalla olevan vesi ja säiliöiden välinen eristävä ilmatila täyttyy höyryllä. Höyry johtaa liiallisen lämmön ulos sisemmästä säiliöstä.

Idean toimivuutta on vielä testattava. Säiliöiden väliseen tilaan muodostuva kuuma höyry ei välttämättä riitä jäähdyttämään reaktoriin muodostunutta liiallista lämpöä. Ensi vuonna rakennettavan pilottilaitoksen tärkein tavoite on tutkia lämmönsiirtoa ja todentaa jäähdytyskonseptin toimivuus.

— Samalla tutkitaan se, toimiiko projektiorganisaatio tehokkaasti, Muranen toteaa.

Steady Energyllä on esisuunnittelusopimus Kuopion Energian kanssa. Sopimuksen seurauksena Kuopion Energia käynnistää pienydinvoimaloiden sijaintipaikkoihin liittyvän ympäristövaikutusten arvioinnin.

— Asiakkaita on tarkoitus hankkia myös ulkomailta, missä lämpöä voitaisiin käyttää kaukolämmön ohella teollisuuden prosesseissa.

Ikuisesti läpimurron kynnyksellä?

Vaikka SMR reaktoreista on puhuttu jo monta vuosikymmentä, on niitä siviilikäytössä vielä vähän. Ala tuntuu olevan ikuisesti ”juuri läpimurron kynnyksellä”.

Professori Jaakko Leppänen VTT:sta näkee lämmön tuotannossa nyt uuden muutostekijän. Kaukolämmöntuotanto on tukeutunut vuosikaudet fossiilisten polttoaineiden ja biomassan polttamiseen. Tämä on syy miksi Suomen ja Ruotsin yhteiset pyrkimykset tuottaa lämpöä ydinreaktoreilla kaatuivat 1980-luvulla.

— Tuolloin hankkeen kaatumisen taustalla oli yleinen ydinvoimanvastaisuus. Turvetta ja kivihiiltä pidettiin myös edullisempina vaihtoehtoina, Leppänen toteaa.

Nyt kaukolämmöntuotannon perinteiset kivijalat ovat kaatumassa. Syynä on ilmastopolitiikka ja halu torjua luontokatoa. Suomessa pelätään jo EU:n tulevia linjauksia, jotka rajoittavat metsien käyttöä.

— Kaukolämmön tuotannon perustuminen biomassojen polttamiseen on väliaikainen ylimenokauden ratkaisu. Ilmastonmuutos on avaamassa valtavan tarpeen uusille tavoille tuottaa lämpöä.

Isoja vaikea haastaa sähkötuotannossa

Leppänen näkee hyviä syitä sille, miksi pienreaktorit ovat jääneet sähköntuotannossa suurvoimaloiden jalkoihin. Monessa tapauksissa iso laitos on tehokkaampi ratkaisu, kun tavoitteen on tuottaa sähköä. Kynnys siirtyä käyttämään SMR-teknologiaa on korkea erityisesti valtiojohtoisessa keskitetyssä energiajärjestelmässä, joka on rakennettu suurten ydinvoimalaitosten varaan.

— Maissa, joissa valtio tukee avokätisesti ydinvoimateollisuutta, löytyy myös helpommin rahoitusta suurten ydinvoimalaitosten rakentamiselle. Yksityisellä sektorilla vähemmän pääomaa sitova pienreaktori voi olla houkuttelevampi vaihtoehto, Leppänen toteaa.

Lämmön tuottamisessa tilanne on toinen, koska sähköstä poiketen lämmön siirtäminen kauas tuotantopaikalta ei ole tehokasta.

— SMR-reaktorit voivat palvella luontevammin lämmön tuotantoa. Se on lähtökohtaisesti paikallista ja pienimuotoista toimintaa.

Tämäkään ei vielä takaa SMR-lämpöreaktoreiden kannattavuutta. Suurvoimalan sähköllä voidaan tuottaa myös lämpöä, joka saattaa olla edullisempi tapa kuin SMR-reaktori.

Leppänen näkee asian toisin.

— Sähkö on mielestäni sellainen energiamuoto, joka kannattaa käyttää arvokkaampiin kohteisiin kuin lämmöntuottamiseen. Poikkeuksena tästä on tuulisähkön ylituotantotilanteet.

Ydinreaktoreita ihmisten ilmoille

Työ- ja elinkeinoministeriön johtava asiantuntija Juho Korteniemi arvioi uuden ydinenergialain tulevan voimaan vuonna 2027 tai 2028. Eduskuntakäsittelyyn esitys on määrä antaa 2026.

Uuden lain tavoitteena on keventää pienten ydinreaktoreiden lupamenettelyä — etenkin hankkeen alkuvaiheessa.

— Myös pienet reaktorit ovat ydinvoimaloita, joiden turvallisuudesta ei saa tinkiä. Uudessa laissa velvoitteet pyritään kuitenkin kohdentamaan niin, etteivät velvoitteet käy liian raskaaksi heti projektin alkuvaiheessa, Korteniemi sanoo.

Reaktoreiden turvallisuutta valvoo Säteilyturvakeskus STUK, jonka laatimien määräysten kanssa laki on tarkoitus linkittää. STUK on jo muuttanut aiempaa vaatimustaan viiden kilometrin suojaetäisyydestä reaktorin ympärillä. Muutos suojaetäisyysvaatimuksesta on olennainen etenkin lämpöä tuottaville reaktoreille, jotka on pakko sijoittaa lähelle lämmön käyttäjiä.

— Jonkinlainen suojavyöhyke määritellään jatkossakin tapauskohtaisesti kaikenlaisten reaktoreiden ympärille, Korteniemi huomauttaa.

Ydinreaktorin tuominen "ihmisten ilmoille" on huomioitava muussakin maankäytössä.

— Laitosten sijoittaminen on huomioitava kaavoituksessa. Kuntien tehtävä on sovittaa nämä alueelliseen suunnitteluun.

Käyttäjien pätevyys

Pienenkin reaktorin operaattorilla on oltava ammattitaitoista henkilökuntaa ydinvoimalaitoksen käyttämiseen. Nähtäväksi jää, kuinka laitosten käyttöhenkilökunnan pätevyys varmistetaan tulevissa määräyksissä.

Esimerkiksi kunnallisilla energiayhtiöillä tarvittavia pätevyyksiä ei välttämättä ole. Korteniemi toteaa, että mahdollisia toimintamalleja on kuitenkin paljon. Lämpöä ydinreaktorilla tuottava voi hankkia itselleen tarvittavat resurssit tai ostaa laitoksen operoinnin alihankintapalveluna.

— Tuulivoima-alalla yleistyneet PPA-sopimukset voivat yleistyä jossain muodossa myös SMR-bisnekseen.

PPA-sopimuksessa ostaja sitoutuu hankkimaan tietyn määrän energiaa sovittuun hintaan energian toimittajalta. Sopimuskaudet ovat tyypillisesti 10–20 vuoden pituisia. Toimintatavoista riippumatta reaktoreita operoivien on osoitettava uskottavuutensa myös ydinpolttoaineen käsittelijöinä.

Operaattorin on kyettävä hankkimaan ydinpolttoainetta markkinoilta, mutta myös osattava käsitellä käytettyä polttoainetta. Haastetta ei helpota se, että voimakkaasti säteilevä ydinjäte on pakattava ja kuljetettava aivan asutuksen liepeillä.

Alalla on esitelty myös konseptia, missä reaktorin valmistaja lataisi polttoaineen reaktoriin. Polttoaineella ladattu reaktori kuljetettaisiin suljettuna pakettina käyttöpaikalle. Kun polttoaine on käytetty, palautettaisiin paketti valmistajalle uudelleen ladattavaksi. Reaktoritoimittaja huolehtisi käytetyn polttoaineen käsittelystä joko omissa tiloissaan tai yhteistyökumppaniensa kanssa.

Konsepti asettaa kuitenkin omat vaatimuksensa reaktorin suunnittelulle ja materiaaleille. Lisäksi kuljetuksissa olisi omat haasteensa.

#kaukolämpö #ydinvoima