Stora amerikanska satsningar på avancerad kärnenergiteknik

Den amerikanska energimyndigheten satsar mångmiljardbelopp på avancerad kärnenergiteknik. Dessutom har den första licensansökan för en avancerad reaktor lämnats till den amerikanska tillsynsmyndigheten. Därtill finns flera projekt och satsningar inom avancerad kärnenergiteknik.

Efter vad som skulle kunna anses vara en längre period utan större satsningar har den amerikanska energimyndigheten, DOE, successivt gjort allt fler satsningar inom kärnenergiteknik. Förra året tilldelades 111 miljoner dollar för att ta fram avancerade haveritåliga kärnbränslen, se tidigare artikel från 2020-05-05. Hittills i år har DOE tillkännagivit tre stora satsningar på avancerad kärnenergiteknik.

Den första av de tre större satsningarna innebär en utveckling av mycket avancerade metoder för digitala styr- och underhållssystem. Den andra satsningen utgörs av ett ambitiöst demonstrationsprogram för att bygga två avancerade reaktorer inom fem till sju år. Den tredje går till universitetssatsningar, främst inom kärnenergiteknik och till stöd och moderniseringar av forskningsreaktorer. Totalt uppgår de tre anslagen till 322 miljoner dollar och tillsammans med ett par mindre tidigare satsningar om cirka 15 miljoner dollar har knappt 340 miljoner dollar i anslag annonserats under första halvåret 2020. Det motsvarar ungefär 3,2 miljarder kronor.

De totala anslagen sedan 2009 från DOE:s avdelning för kärnenergiteknik (Office of Nuclear Energy) uppgår nu till över 800 miljoner dollar, ungefär 7,5 miljarder svenska kronor.

Demonstrationsprogram för vätgasproduktion
Utöver satsningarna på avancerad teknik inleder DOE tillsammans med olika kraftbolag en rad satsningar på att producera vätgas. I ett av projekten kommer Exelon installera 1 MW elektrolysörer vid en av deras 14 kokvattenreaktorer. Totalt har Exelon 21 reaktorer. Projektet uppskattas kosta 7,2 miljoner dollar och finansieras gemensamt av Exelon och DOE. Från DOE:s sida görs detta genom vätgasprogrammet H2@Scale. Själva elektrolysörerna kommer levereras av norska Nel.

I ett annat projekt kommer Energy Harbour, ett kraftbolag i Ohio, installera 2 MW elektrolysörer vid kärnkraftverket Davis-Besse. I projektet deltar även Xcel Energy och Arizona Public Service som vardera äger tre reaktorer. DOE kommer bidra med 9,2 miljoner dollar till projektets totala kostnad som uppskattas till 11,5 miljoner dollar. Vätgasanläggningen kommer vara anlagd innanför anslutningen till yttre nät och förbruka 2 MW elektrisk effekt samt 9 000 liter vatten per dag för att producera mellan 800 och 1 000 kg vätgas.

Projekt för avancerade, digitala styr- och underhållssystem
Tidigare i maj tillkännagav DOE en satsning på 27 miljoner dollar, ungefär 250 miljoner kronor. Satsningen, som kallas GEMINA, görs tillsammans med den amerikanska forskningsbyrån ARPA-E för att driva nio stycken olika digitala utvecklingsprojekt inom styrsystem och underhållssystem. Förkortningen GEMINA betyder Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets och går i samtliga fall ut på att underlätta underhåll och därmed sänka driftkostnader. Bland aktörerna finns industri, akademi och forskningsorganisationer, såväl statliga som fristående, representerade. De nio projekten delar på drygt 250 miljoner kronor varav de individuella tilldelningarna skiljer, från 7 miljoner kronor upp till 60 miljoner kronor.

Bland projekten återfinns nästan alla möjliga reaktortyper men ett särskilt starkt fokus är digitala tvillingar, artificiell intelligens och maskininlärning. GE Research och MIT ska i varsitt projekt utveckla programvara för övervakning, diagnostik och prediktivt underhåll. Båda projekten ska utgå från GE Hitachi:s reaktor BWRX-300, även om systemen ska vara möjliga att generalisera för andra reaktorer. I motiveringen för bägge projekten framgår att syftet är att sänka kostnaderna för att vara konkurrenskraftig med fossil gaskraft, som idag är oerhört billig i USA. Sedan 1990 har kolkraft i USA minskat 24 procentenheter medan fossil gaskraft har ökat 24 procentenheter.

Bland de övriga sju finns motsvarande projekt för digitala tvillingar och system med artificiell intelligens för underhåll av avancerade reaktorer. Det är bland annat X-energy som utvecklar system för sin gaskylda högtemperaturreaktor, en så kallad Gen IV-reaktor.

Argonne National Laboratory, ANL, ska utveckla övervaknings- och underhållssystem för Kairos Power:s reaktor, kallad KP-FHR. Det är en snabbreaktor kyld med fluoridsalt som ska använda sig av det nyligen utvecklade TRISO-bränslet, se även den tidigare artikeln om avancerade kärnbränslen från 2020-05-05. ANL ska även utveckla avancerade sensorer och mättekniker, vilket krävs för att använda smält salt. Förutom ANL kommer även University of Michigan att driva ett projekt för saltkylda högtemperaturreaktorer, baserat på Kairos Power:s reaktor. Projektet ska, likt fler andra, utveckla en digital tvilling och system för prediktivt underhåll. Projektet går dock längre och ska även utveckla autonom styrning, både för normala förhållanden och haverier, samt en programvara för underhållsoptimering med hjälp av djupinlärning, en typ av maskininlärning.

Det franska företaget Framatome kommer även i sitt projekt använda digitala tvillingar. Tillsammans med deras befintliga programvara, Metroscope, är det inriktat på övervakning och tidig felsignalering för gaskylda högtemperaturreaktorer.

Moltex Energy ska utveckla ett ramverk för digitala tvillingar för sin snabba saltsmältereaktor som använder redan använt kärnbränsle, kallad Stable Salt Reactor Wasteburner (SSR-W).

Digitala tvillingar redan i Sverige
Digitala tvillingar har redan implementeras inom flera områden i Sverige, bland annat i kontrollrummet för Ringhals 4. Där används digitala modeller för att utvärdera anläggningens prestanda. Genom att modellerna, som representerar en ideal process, är anslutna till fysiska mätpunkter uppdateras modellerna i realtid och kan tidigt visa om något avviker. På så vis går det att förutsäga när underhållsåtgärder kommer krävas, vilket bland annat minskar produktionsbortfall.

Man kan dela upp digitala tvillingar i sex olika nivåer från nivå 0 till nivå 5, beroende på hur avancerade de är. Den lägsta nivån motsvarar en enklare modell, och kan användas för att analysera hur ett system reagerar vid olika scenarier. Vid den högsta nivån, nivå 5, matas modellen med riktiga mätvärden och använder artificiell intelligens för att själv fatta beslut och optimera driften.

Implementeringen av digitala tvillingar i Ringhals ligger ungefär på nivå 3. De amerikanska projekten varierar från nivå 3 till nivå 5 vad gäller hur avancerade de är.

Demonstrationsprogram för avancerade reaktorer
Den andra satsningen utgörs av ett ambitiöst demonstrationsprogram för att bygga två avancerade reaktorer inom fem till sju år. Den amerikanska kongressen har avsatt 230 miljoner dollar för att snabbstarta projektet som kallas Advanced Reactor Demonstration Program, ARDP. Ansökningsperioden har pågått fram till mitten av augusti 2020.

Till en början kommer anslaget dock att vara begränsat till 160 miljoner dollar. Hälften, 80 miljoner dollar, kommer gå till två stycken vinnande ansökningar för att konstruera en fungerande avancerad reaktor inom sju år. Den resterande hälften kommer gå till ett flertal ansökningar för andra aktiviteter runt omkring, primärt inriktat på riskreducering och att lösa tekniska, operativa och tillståndsmässiga utmaningar. Utöver detta kommer anslag tilldelas för bland annat materialtester och termohydrauliska tester.

Som är brukligt för dessa anslag sker finansieringen genom så kallade kostnadsdelade partnerskap, där det krävs en viss andel finansiering från industrin. För de två större konstruktionsprojekten är kravet 50 % medfinansiering, medan kravet är 20 % för de övriga anslagen.

Stora universitetssatsningar
Redan tidigare år har DOE tilldelat stora anslag till universitet och de amerikanska nationella laboratorierna. Anslagen fördelas över tre program, så kallade Nuclear Energy University Program (NEUP), Nuclear Energy Enabling Technologies (NEET) och Nuclear Science User Facilities (NSUF).

I juni 2019 tilldelades 50 miljoner dollar till 58 olika projekt i en likadan satsning. Årets satsning höjer ambitionsnivån och 93 olika projekt kommer dela på 65 miljoner dollar. Projekten handlar om allt från forskning inom teoretisk och tillämpad kärnenergiteknik till uppgraderingar av de 25 befintliga forskningsreaktorerna och till tvärvetenskapliga studier som även behandlar policyfrågor.

Licensansökan för avancerad reaktor
Dessutom har den första licensansökan för en avancerad reaktor skickats in till den amerikanska tillsynsmyndigheten, NRC. Det är företaget Oklo som skickat in en ansökan för sin reaktor, med namnet Aurora. Förutom att ansökningen är den första någonsin för en kommersiell avancerad reaktor är det även den första ansökningen som använder ett helt nytt upplägg för ansökan om licens till NRC.

Den nya strukturen för ansökningar är en av många förändringar som pågått i bakgrunden hos både myndigheter och företag. Trots att den amerikanska renässansen får anses ha kommit av sig under 2010-talet, se den tidigare artikeln från 2020-02-05, har en hel del arbete med policyförändringar och teknikutveckling fortsatt bakom kulisserna. Förutom flera förändringar kring strukturen för licensansökningar har NRC även arbetat tillsammans med industri för att ta fram nya riktlinjer för nödberedskap, inklusive beredskapszoner.

Bakgrunden till arbetet med de nya beredskapszonerna är att nya småreaktorer, icke-lättvattenreaktorer och anläggningar som inte är kraftproducenter skiljer sig fundamentalt från dagens lättvattenreaktorer. Dessa anläggningar anses medföra avsevärt både lägre, men även andra risker, än dagens stora lättvattenreaktorer. Det går redan idag att ansöka om undantag från dagens regler men dessa undantag avgörs från fall till fall. De nya reglerna och kraven har anpassats för att ta hänsyn till utveckling inom säkerhetsarbete samt tekniska och fysiska skillnader mellan dagens reaktorer och nya avancerade eller små reaktorer.

USA tillbaka på den internationella arenan
Förutom dessa satsningar finns andra omfattade policyförändringar i bakgrunden. Den utveckling som kan bli mest avgörande är utvecklingen rörande den så kallade ”fattigdomsfonden”. Det är en fond som används för att bekämpa fattigdom i utvecklingsländer. Den administreras av det amerikanska International Development Finance Corporation, DFC. Tidigare har fonden förbjudits från att finansiera kärnkraft. I ett uttalande från DFC framhävs behovet av tillgång till prisvärd och pålitlig energi för utvecklingsländer och DFC öppnar nu upp för att finansiera kärnkraft. Det finns en förhoppning om att det ska främja export av avancerad kärnenergiteknik.

Efter en tids frånvaro från USA:s sida har Kina tagit kommandot över nybyggnation och Ryssland över export. Men med ett mycket ambitiöst demonstrationsprogram för nya avancerade reaktorer och med ytterligare satsningar och policyförändringar kan det konstateras att USA med snabba steg är på väg tillbaka in i utvecklingen.