Päästötöntä energiaa tuottavat pienydinvoimalaitokset lämmittävät pian suomalaiskoteja – laitosten turvallisuus taataan testilaitteella
Suomalainen startup-yritys Steady Energy kokeilee lähivuosina pienydinvoimalaitoksen testilaitetta Helsingin Salmisaaressa. Sen ytimessä sykkii Elomaticin suunnittelema sähkösydän.
Jos kaikki menee suunnitelmien mukaan, suomalaisiin asustuskeskuksiin ilmestyy lähivuosien aikana pienydinvoimaloita. 300 megawatin tehoisen laitoksen tuottama energia riittää parhaimmillaan 180 000 asukkaalle
”Pienydinvoimalan yksi moduuli on noin merikontin kokoinen, ja niitä voi sijoittaa voimalaitokseen yhdestä kuuteen kappaletta”, kertoo pienydinvoimaloita kehittävän teknologiayritys Steady Energyn prosessisuunnittelun päällikkö Antti Teräsvirta.
Pienydinvoimalla tarkoitetaan termiseltä teholtaan alle 1000 megawatin tehoisia ydinreaktoreita. Steady Energyn voimalat rakennetaan maan alle, jotta ne voidaan sijoittaa lähelle asutusta ja kaukolämpöverkkoja. Maan alla oleva pienydinvoimala on myös paremmin suojassa ulkoisilta uhilta.
Turvallisuusseikat on tärkeä ottaa huomioon, vaikka pienydinvoimala onkin monessa mielessä perinteistä gigawattiluokan ydinvoimalaitosta turvallisempi. Steady Energyn on osoitettava pienydinvoimareaktorinsa turvallisuus testilaitteella aukottomasti ennen laitosten käyttöönottoa. Testilaitetta on kehitetty aktiivisesti vuoden 2024 alusta saakka. Yhtenä kumppanina on toiminut Elomatic.
Meidän tehtävämme on ollut varmistaa, että testilaitteella voidaan todentaa oikea reaktori turvalliseksi kaikissa olosuhteissa. Teimme sähkösydämen mekaniikka- ja sähkösuunnittelun sekä mallinsimme termohydrauliikan.
Hannu Karema, Johtava mallintaja, Elomatic
Matala paine ja lämpötila lisäävät turvallisuutta
Steady Energy on Teknologian tutkimuskeskuksen VTT:n spin off -yritys. VTT:n tutkijat alkoivat työskennellä matalan lämpötilan pienreaktorin parissa vuonna 2020. Kesäkuussa 2023 hanke sai vauhtia, kun Steady Energy irtosi VTT:n alta itsenäiseksi yritykseksi ja otti vastuun reaktorin kehittämisestä kaupalliseksi tuotteeksi.
Steady Energyn pienydinvoimalan tekniikka perustuu LDR-50-konseptiin, joka edustaa perinteistä ydinteknologiaa. LDR-50 on kaukolämmön tuotantoon suunniteltu matalan lämpötilan ydinreaktori, jonka lämpöteho on kuitenkin vain 50 megawattia eli merkittävästi perinteistä ydinvoimalaitosta pienempi. Paine pienydinvoimalan reaktorikattilassa on melkein 20 kertaa matalampi kuin perinteisen ydinvoimalan reaktorikattilassa.
Steady Energyn pienydinvoimalassa ei tarvita kovia paineita ja lämpötiloja, koska siellä ei tuoteta sähköä. Se lisää voimalan turvallisuutta ja yksinkertaistaa reaktoripainesäiliön rakennetta.
Testilaitteella testataan lämpönielun toimintaa
Pienydinvoimalan turvallisuutta lisäävät myös luonnonkiertoon perustuvat lämmönsiirto ja primääripiirin vedenkierto.
”Reaktorissa ei ole ulkoista pumppua, joka aiheuttaa primääripiirin kierron, vaan kierto perustuu lämpötilaan, tiheyseroihin ja painovoimaan. Reaktoriin ei tarvita myöskään erillisiä ulkoisia järjestelmiä jälkilämmön poistoon”, Teräsvirta kertoo.
Reaktorin kaksoiskuoren sisällä oleva pesukoneen kokoinen sydän eli ydin lämmittää vettä, joka nousee reaktorin nousukanavaa pitkin. Kun vesi saavuttaa reaktorin yläosan, sen virtaus kääntyy lämmönsiirtimiin, jotka siirtävät lämmön välipiiriin ja siitä edelleen kaukolämpöverkkoon. Lämmönsiirtimissä viilentynyt vesi laskeutuu takaisin reaktoriin, ja kierto jatkuu.
Veteen upotettavan reaktorin ulointa osaa kutsutaan suojarakennussäiliöksi. Sen tehtävä on estää radioaktiivisten aineiden pääsy reaktorin ulkopuolelle mahdollisessa vuototilanteessa. Osin vedellä täytetyllä säiliöllä on kuitenkin myös toinen tärkeä tehtävä: se jäähdyttää pienydinvoimalan reaktorin hätätilanteessa.
”Jos emme pystyisi siirtämään lämpöä välipiiriin ja kaukolämpöverkkoon, pystyisimme luonnonkiertoa hyödyntämällä kuitenkin siirtämään reaktorin jälkilämpötehon sitä ympäröivään vesialtaaseen. Altaassa on vettä toistatuhatta kuutiota, joten se toimii lämpönieluna viikkojen ajan”, Teräsvirta kertoo.
Erityisesti tämän ilmiön testaamiseen on nyt suunniteltu testilaite, jonka rakentaminen alkaa pian. Ennen kuin pienydinvoimaloita rakennetaan, on varmistuttava niiden passiivisen turvajärjestelmän toimivuudesta.
Mallinnuksen, tässä tapauksessa virtauslaskennan, avulla voidaan hahmotella ja testata suunnitteluratkaisuja varhaisessa vaiheessa. Näin voidaan nopeuttaa koko suunnitteluprosessia ja saavutetaan laadukas lopputulos.
Sähkövastukset ydinpolttoaineen tilalla
Testilaitteesta pyritään tekemään mahdollisimman pitkälti oikean pienydinvoimalan reaktorimoduulin kaltainen. Erojakin kuitenkin on.
”Merkittävin eroavaisuus on se, että testilaitteessa lämmön kehittävät sähkövastukset ydinpolttoaineen sijaan. Niiden teho on vain noin kymmenesosan oikean reaktorin tehosta”, Teräsvirta kertoo.
Elomaticin Hannu Karema alkoi mallintaa testireaktorin vedenkiertoa sähkösydämen ja lämmönsiirtimen kautta vuoden 2025 alussa.
”Sähkösydän täytyy upottaa kuumaan veteen ja esimerkiksi liitännät tehdä veden alla tiiviisti ja turvallisesti. Vesi ja sähkö ovat perinteisesti huono yhdistelmä, joten tällaisessa hommassa vaaditaan ammattitaitoa ja tarkkuutta”, Karema toteaa.
Steady Energyn Teräsvirran mukaan virtausmallinnuksen rooli testilaitehankkeessa on ollut merkittävä.
”Virtausmallinnuksen tarkoitus on paitsi optimoida sähkösydämen rakennetta ja löytää mahdollisia ongelmakohtia virtausmekaniikassa, myös varmistua siitä, että saamme testilaitteen termohydrauliikan mahdollisimman paljon oikean pienydinvoimalan termohydrauliikan kaltaiseksi.”
Elomaticin työn lopputuloksena syntyi 3D-malli testilaitteen sähkösydämestä.
Sujuvaa yhteistyötä haastavassa hankkeessa
Testilaitteen perussuunnitteluvaihe alkaa olla valmis. Seuraavaksi Steady Energy siirtyy testilaitteen detaljisuunnitteluun ja valmistukseen.
Testilaitos rakennetaan ensi vuoden aikana Helsingin Salmisaaren voimalaitosalueen käytöstä poistettuun turbiinisaliin. Testejä päästään tekemään vuosina 2027–28 ja ensimmäiset kaupalliset laitokset näkevät päivänvalon 2030-luvun alkupuolella, Teräsvirta arvioi.
Sekä Steady Energyn Teräsvirta että Elomaticin Karema kertovat yhteistyön sujuneen mallikkaasti, vaikka kyseessä onkin ainutlaatuinen ja haastava hanke.
”Elomaticilla on ensiluokkaista osaamista termohydrauliikasta”, Teräsvirta sanoo.
Hän kiittelee myös Elomaticin ammattitaitoa sähkösuunnittelussa ja mekaanisessa suunnittelussa.
Elomaticin asiantuntijat ovat olleet hyvin joustavia. Tällaisessa kehitysvaiheessa kurssia joudutaan joskus korjaamaan lennossa, ja he ovat pystyneet reagoimaan nopeasti muuttuviin tilanteisiin välittömästi. Näin tuloksiakin on saatu ripeästi.
Antti Teräsvirta, Prosessisuunnittelun päällikkö, Steady Energy
Miksi pienydinvoimaa?
Suomessa on yhä noin 80 alueellista kaukolämpölaitosta, joissa tuotetaan lämpöä polttamalla fossiilisia polttoaineita. Suomi tavoittelee hiilineutraaliutta vuoteen 2035 mennessä, mikä tarkoittaa sitä, että fossiilisia polttoaineita käyttävistä laitoksista on luovuttava.
Vaihtelevan tuuli- ja aurinkovoimatuotannon rinnalle tarvitaan energiantuotantomuotoja, jotka tuottavat energiaa tasaisesti ja haluttuun ajankohtaan. Suomessa on suunnitelmia korvata alueellisia kaukolämpölaitoksia pienydinvoimaloilla.
Pienydinvoimaloilla voidaan saada ratkaisuja useampaan haasteeseen. Voimalassa voidaan tuottaa hiilineutraalisti lämpöä kaukolämpöverkkoon tai sekä sähköä että lämpöä. Pienydinvoimaloilla voidaan myös lisätä Suomen energiaomavaraisuutta ja riippumattomuutta fossiilisista polttoaineista.
Ota yhteyttä
Haluatko tietää lisää?
Lujuuslaskenta kone- ja laitevalmistusteollisuudessa
Olemme tarjonneet lujuuslaskentapalveluja kone- ja laitevalmistusteollisuudelle 1970-luvulta lähtien. Analyysityökalut ja -menetelmät ovat vuosien saatossa parantuneet ja tietokoneiden laskentakapasiteetti on kasvanut, mutta laskennan perusperiaatteet ovat säilyneet samoina.
Finding the full potential of CFD
CFD, or Computational Fluid Dynamics, is a method that is often utilized only for the post-design phase, although it is very well suited for wider and efficient use throughout the design process. Optimal use of CFD analysis generally shortens projects’ lead times and improves product assessment. It also provides an excellent basis for preparing digital twins. In process modeling tasks, CFD is an excellent tool for studying the components, for example.