Fermi Energia tuumablogi

Tunne oma reaktorit! Mis on vahet surve- ja keevaveereaktoritel?

Eestisse võiks sobida näiteks surveveereaktor Rolls-Royce SMR.Foto: Fermi

Tuumaenergia abil toodetakse ligikaudu 10% maailma elektrist. 440 reaktorist valdav enamus on vesijahutusega reaktorid. Täpsemalt kerge veega (jah, on olemas ka raske vesi) jahutatavad reaktorid, mis jagunevad surveveereaktoriteks (PWR) ja keevaveereaktoriteks (BWR).

Reaktorite kasutamine jaotub enam-vähem võrdselt Euroopa, Põhja-Ameerika ja Aasia vahel. Euroopas toodetakse ligikaudu 50% süsinikuvabast energiast veidi enam kui 150s vesijahutusega tuumareaktoris. Surveveereaktoreid on maailmas kokkuvõttes rohkem kui keevaveereaktoreid, kuid meie naaberriikides Soomes ja Rootsis on neid sisuliselt võrdselt – 5 surveveereaktorit ja 6 keevaveereaktorit. Kas sellised reaktorid võiksid lahendada ka Eesti energiamure?

Mis on vahet surve- ja keevaveereaktoritel?

Nii PWR-id kui ka BWR-id kasutavad jahutusvedeliku ja neutronite aeglustina kerget ehk tavalist vett (H2O). Lisaks kasutavad nad mõlemad silindriliste anumate kütusena rikastatud uraani. Mõlema reaktori üldehitus on samuti väga sarnane, kuna mõlemad koosnevad tuumareaktori põhikomponentidest: kaitsekestast, reaktorianumast, milles paikneb reaktori südamik, ja aurugeneraatorist. Reaktorist väljuv aur käitab turbiini abil elektrit tootvat generaatorit, nagu igas teiseski soojuselektrijaamas.

Tavalist vett nimetatakse tuumaenergeetikas kergeks veeks, et eristada seda nn raskest veest, mille molekuli vesinikuaatomi tuumas on lisaks prootonile ka üks neutron, ning mida kasutatakse raskeveereaktorites nagu CANDU ja PHWR.

Joonis 1: surveveereaktor.Foto: Wikimedia Commons

Peamine erinevus PWR-i ja BWR-i vahel seisneb auru genereerimise protsessis. PWR genereerib auru kaudselt, kasutades kahte veeringi, primaarset ja sekundaarset. BWR aga toodab auru otse ühe veeringi abil.

Surveveereaktoris (joonis 1) kasutatakse reaktori tuuma soojust primaarreaktori jahutusvedeliku soojendamiseks temperatuuril üle 300°C. Seda vett hoitakse kõrge rõhu all vedelana. Primaarveeringist saadav soojus kantakse seejärel rõhu all oleva vedeliku kaudu sekundaarringile. Seejärel kasutab sekundaarahel seda soojust vedela vee muundamiseks turbiiniauruks. Hiljem aur kondenseeritakse ja taaskasutatakse.

Keevaveereaktoris (joonis 2) tekib aur otse vee keetmisel, kuna rõhk ei ole nii kõrge. Aur puhastatakse veepiiskadest ja kuivatatakse spetsiaalsete seadmetega ja suunatakse turbiinidesse. Seejärel aur jahutatakse, kondenseeritakse ja juhitakse vedelal kujul taas reaktorisse.

Joonis 2: keevaveereaktor.Foto: Wikimedia Commons

Tuumaenergiaga elektritootmise juures on üks peamisi küsimusi seotud alati ohutusega. Nagu BWR-ide puhul, seisneb ka PWR-i kõige tõsisem mure jahutusvedeliku kadumises – mis saab, kui vesi lekib süsteemist välja?

Ohutuse teemal on oluline vahe selles, et kuna BWR-jaamades läbib sama vedelik reaktorit ja turbiini, võivad radioaktiivsed elemendid (kütusevarda leke või aktiveerunud saasteosakesed) sattuda turbiini või kondensaatorisse. Seetõttu on reaktori töötamise korral tarvis rakendada vastavaid kiirguskaitse abinõusid, kuid reaktori peatamisel piirangud üldjuhul puuduvad, kuna enamik aktiveerunud saasteosakesi on väga lühikese elueaga (sekundite suurusjärgus). PWR-ide puhul on töövedeliku ringlus primaarringlusest eraldatud, mistõttu püsivad turbiin ja kondensaator puhtad.

Kas keeva- või surveveereaktor sobiks ka Eestisse?

Praegu ongi kõige efektiivsemaks, ohutumaks ja tehnoloogiliselt küpsemaks põlvkonnaks III+ kergveereaktorid, kuid neid on võrreldes II ja ka III põlvkonnaga maailmas veel vähe. III+ reaktorid on näiteks Prantsuse EPR, Westinghouse (USA) AP1000, Korea APR-1400 ja GE Hitachi (USA-Jaapani) ABWR. Ka Soome uusim, 2021. aasta lõpus käivitatud Olkiluoto-3 on III+ põlvkonna EPR reaktor, ehkki Eestisse kaalutavatest variantidest oluliselt suurem ja muuhulgas seetõttu kuigi hästi Eestile ei sobi.

Fermi Energia analüüsib hetkel mitut kõige potentsiaalsemat reaktoritehnoloogiat ja selles osas on nõu andnud ka suurde Engie kontserni kuuluv ja tuumavaldkonnas kõrgelt hinnatud Belgia insenerettevõte Tractebel.

Hetkel on kõige edukamalt arendusest realiseerimise suunas edasi liikunud kolm reaktorimudelit: GE Hitachi BWRX-300, Rolls-Royce SMR ja NuScale VOYGR, mille arendajatelt küsib Fermi Energia lähikuudel täpsustatud hinna- ja tarnepakkumised. Kõik need on III+ põlvkonda kuuluvad väikesed moodulreaktorid, ehk seni ehitatutest väiksemad, paindlikumad ja lihtsama ehitusega. Kuigi tööprintsiibis sarnased, on neil reaktoritel väga erinevad tehnilised parameetrid ning ka plaanitav esmaehituse aeg, mis omakorda seab ajalised raamid Eesti tuumajaama projektile.

Oluliseks valikukriteeriumiks ongi see, et vastav reaktorimudel oleks põhjaliku loamenetluse läbinud kas USA, Kanada või Suurbritannia pädevate järelvalveasutuste hoolika menetluse raames. Samuti on oluline, et arendusmeeskonna lubadused ja litsenseeritud tehnoloogia toimivus oleks praktiliselt tõendatud reaalsetes ehitusprojektides. Keeva- ja surveveereaktoritest on sõelal järgmised variandid.

Terviklik surveveereaktor Nuscale VOYGR

USAst pärit PWR tehnoloogia Nuscale (tootja: Nuscale Power) on üks esimesi kergvee väikereaktori disaine läänemaailmas. NuScale jaam koosneb ühte suurde basseini paigutatud moodulitest võimsusega 60-77 MW. Sõltuvalt kliendist võib mooduleid olla neli kuni 12.

USAs planeeritakse esimese omataolise konstruktsioonilahenduse äriotstarbel kasutuselevõtmist 2026. aastaks. Konstruktsioonilahendus põhineb ennast tõestanud surveveereaktorite tehnoloogial, millel on mõned uuenduslikud omadused. Näiteks on tüüpiliselt reaktorist väljaspool asuvad aurugeneraatorid integreeritud reaktorianuma sisse.

Terviklik surveveereaktor Nuscale VOYGR.Foto: Fermi

NuScale’i toetab projekteerimis-, hanke- ja ehitusettevõttena ning enamusinvestorina tugevalt Fluor koos paljude teiste kogenud tarnijate ja toetajatega.

Reaktoril on (eriti kergveereaktori kohta) suurepärased passiivsed ohutusfunktsioonid: see peab vastu raskele õnnetusele ega vaja lõhustumissoojuse eemaldamiseks pika aja jooksul (üle 30 päeva) välist elektrienergiat, käitaja sekkumist ega täiendavat veevaru. Peale selle teevad paljud piiravad kihid tõenäoliselt võimalikuks, et ohuolukorraplaani piirkond piirdub jaama lähiümbrusega.

See kontseptsioon hõlmab ka koormuse järgimist (südamiku võimsuse igapäevase varieerimisega, moodulite võimsuse reguleerimisega või auru väljalaskmisega väga kiire reguleerimise korral) ja madala temperatuuriga protsessisoojuse kasutamist.

Nuscale püüab viia maksumuse praeguste kergveereaktorite omast väiksemaks. See saavutatakse ehitusega kaasnevate riskide vähendamise (eesmärgiks on vähem kui neli aastat alustamisest kuni mehaanilise valmisolekuni), keskkonnajalajälje vähendamise ja seeriatootmisega. Mis puutub kestlikkusse, on selle omadused ja puudused sarnased praeguste surveveereaktoritega.

Keevaveereaktor BWRX-300 (tootja: GE Hitachi)

USA päritoluga konstruktsioonilahendus BWRX-300 (tootja: GE Hitachi) on USA tuumaregulaatori poolt juba litsentseeritud suure ESBWR-i edasiarendatud ja vähendatud versioon. X-300 on sisuliselt üks suur keedukann võimsusega 300 MW.

GE Hitachi disainerid hakkasid seda tavalise keevaveereaktori väiksemat ja võrdlemisi lihtsamat versiooni arendama küll alles viis aastat tagasi, kuid tehnoloogia litsenseerimisega on alustatud juba nii USAs kui ka Kanadas. Kanada suurimaid energiatootjaid OPG (Ontario Power Generation) otsustas 2021. aastal rajada Darlingtoni tuumajaama just X-300. Järgnesid energiaettevõtted USAs ja ka Ontario naaberprovintsis Saskatchewanis. Seega on arendusjärgus juba kolm tuumajaama, kus X-300 saab energiaallikaks. Esimesed jaamad peaksid valmima käesoleva kümnendi teises pooles. Huvi tuntakse mujalgi, sh Poolas, Tšehhis, Rootsis ja Eestis.

GE Hitachi on juhtiv keevveereaktorite projekteerija ja tarnija. BWRX-300 on ehitatud ökonoomse lihtsustatud keevaveereaktori (ESBWR) ja täiustatud keevaveereaktori (ABWR) baasil ja selles kasutatakse ilmselt ainult üldtuntud tehnoloogiat.

Eelnevat kogemust arvestades ei teki eriti kahtlust, et GE Hitachi suudab tagada usaldusväärse ja töökindla tarneahela. Suured ABWR reaktorid ehitati õigeaegselt ja eelarves näiteks Jaapanis.

Tänu oma väiksusele on BWRX-300-s kasutusel passiivsed ohutussüsteemid, mis tagavad reaktori soojuse ärakandevõime inimese sekkumiseta ja elektritoiteta vähemalt seitsme päeva jooksul. Piisab vaid vett juurde tuua ning see aeg pikeneb oluliselt. Praeguste täiustatud kergveereaktoritega võrreldes on see märkimisväärne edasiminek.

Konstruktsiooni lahendusse on integreeritud koormuse (tüüpilise ööpäevase tsükli) järgimine ja madala temperatuuriga protsessisoojuse kasutamine (nt kaugküte).

Keevaveereaktor BWRX-300 (tootja: GE Hitachi).Foto: Fermi

BWRX-300 kõige atraktiivsem omadus on tõenäoliselt tootja deklareeritav kulude konkurentsivõimelisus (ehituse üleöömaksumuseks hinnati 2019. aastal umbes 2000 USD/kW), mis saavutatakse süsteemi lihtsuse, ehitusega kaasnevate riskide vähendamise (eesmärgiks on alla 3,5 aasta alustamisest kuni mehaanilise valmisolekuni) ja keskkonnajalajälje vähendamisega. 

Kestlikkuse aspektist on BWRX-300 võrreldav praeguste kergveereaktoritega.

Surveveereaktor Rolls-Royce SMR

Rolls-Royce on lisaks autode ja lennukite reaktiivmootorite valmistamisele energeetikasektoris tuntud ka auruturbiinide ja reaktorite tootjana näiteks Inglise mereväele – kogemust allveelaevade reaktoritega on Rolls-Royce’il üle 60 aasta. Arendatav reaktor on veidi võimsam – elektrilise võimsusega 470 MW.

UK SMR kasutab passiivohutussüsteeme, disainitud eluiga on 60 aastat ning arendaja hinnangul kulub jaama ehituseks 4 aastat.

Ligikaudu 90% tootmis- ja montaažitoimingutest tehakse tehasetingimustes, mis tagab kõrgema kvaliteedi ja väldib viivitusi võrreldes reaktori ehitusega rajatavas tuumajaamas ehitusplatsil.

Kokkuvõtteks

Enamik maailmas kasutatavatest reaktoritest on tavalise puhta veega jahutatavad reaktorid, millest meie piirkonnas on pooled surveveereaktorid ja pooled keevaveereaktorid. Need on tehnoloogiad, mida tunnevad hästi nii arendajad, regulaatorid kui ka käitavad energiatootjad, nende jaoks on aastate jooksul välja kujunenud tugevad tarneahelad nii süsteemikomponentide kui ka kütuse ja jäätmekäitluse vallas.

Tuumatööstus on liikumas väiksemate, lihtsama konstruktsiooniga maksimaalselt passiivseid (inimese sekkumist või elektritoidet mitte vajavaid) mehhanisme kasutatavate reaktorite suunas, millest kõige suurema potentsiaaliga Eesti kontekstis on GE Hitachi X-300, NuScale (mõlemad USA) ja Rolls Royce SMR (UK) tehnoloogiad. Nende rajamise detaile uurib Fermi Energia praegu täie põhjalikkusega, et teha tulevikus parim valik.

Populaarsed lood mujal Geeniuses

Ära jää ilma päeva põnevamatest lugudest

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate olulisematest Geeniuse teemadest.