Small is beautiful ?
Wat is een “kleine modulaire reactor” ?
Vanaf de opkomst tot het begin van de 21ste eeuw werd de ontwikkeling van kernenergie gekenmerkt door een constante toename van de grootte van de reactoren : schaalvoordelen zouden de gemiddelde kosten per geïnstalleerde kWe en dus per geproduceerde kWh verlagen. De schaalvergroting leidde aanvankelijk tot de verwachte effecten, maar de grenzen van het schaaleffect werden ook duidelijk : de gemiddelde kosten per kWe van Franse reactoren van 1.450 MWe liggen hoger dan die van reactoren van 1.300 MWe, die op hun beurt hoger liggen dan die van reactoren van 900 MWe. Complexiteit heeft de overhand gekregen op schaalvoordelen en het serie-effect (een groot aantal identieke of vergelijkbare reactoren wordt gebouwd) is verloren gegaan.
Aan het begin van de 21ste eeuw ontstond het concept van kleinschalige reactoren (van 10 MWe tot 100 of maximaal 300 MWe). De techniek van deze reactoren maakt het mogelijk om ze in fabrieken en in serie te bouwen, waarna de reactoren worden verscheept naar de locaties waar ze commercieel worden geëxploiteerd. De flexibiliteit is groot: dankzij de modulariteit kunnen centrales met middelgroot tot groot vermogen worden gebouwd door een reeks modules op dezelfde locatie te installeren, maar de productie kan ook worden gedecentraliseerd naar geografische gebieden met beperkte behoeften. Dit alles met behoud van het schaaleffect dankzij de massaproductie van een groot aantal modules, en met het extra voordeel van een eenvoudigere insluiting dan grote reactoren dankzij een kleiner volume dat hermetisch kan worden afgesloten.
Nuscale: pionier en onbetwiste wereldleider
Het concept van een commerciële SMR-reactor is ontwikkeld door een team van de Oregon State University (OSE) en Idaho National Laboratory (INL), dat werd gefinancierd door het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Het onderzoeksteam, dat had gewerkt aan de ontwikkeling van passieve circulatietechnieken voor reactorkoelwater, richtte in 2007 Nuscale op, dat het benodigde durfkapitaal bijeenbracht om de ontwikkeling te financieren en in 2008 te beginnen met het certificeringsproces bij het Amerikaanse veiligheidsagentschap (NRC).
Het kapitaalintensieve leven van Nuscale, pionier en onbetwist wereldleider, was niet gemakkelijk. In 2011 werd de belangrijkste investeerder, Kenwood Group, veroordeeld voor een Ponzi scheme dat niets te maken had met Nuscale, en het bedrijf werd gered van een faillissement door Fluor Corporation, een gediversifieerd bouw- en ingenieursbedrijf uit Texas met een sterke focus op energie (Fluor kocht ook het Nederlandse bedrijf Stork). Een leidinggevende van Fluor, John Hopkins, werd CEO van Stork in 2012 en was dat eind 2023 nog steeds. Sinds eind 2013 geniet Nuscale cofinanciering van het Amerikaanse Department of Energy voor de ontwikkeling en certificering van SMR’s (in totaal 440 miljoen US dollar).
Eind 2021 kondigde Fluor Corporation aan dat het meer dan 600 miljoen US$ had geïnvesteerd in Nuscale, en in mei 2022 werd Nuscale naar de beurs van New York gebracht via een fusie met een SPAC (Special-Purpose Acquisition Company), waarmee 380 miljoen US$ aan nieuw geld werd opgehaald. De marktkapitalisatie steeg tot 1,14 miljard US$ in augustus 2022. Tegen het einde van 2023 was het gedaald tot 250 miljoen US$ maar eind juni 2024 is het opnieuw 1,03 miljard US$.
Nuscale’s technologische keuzes
De basistechnologie is die van de drukwaterreactor, waarbij licht water wordt gebruikt voor koeling en, omgezet in stoom, om elektriciteit op te wekken. Maar het lage vermogen van elke module en verschillende belangrijke vereenvoudigingskeuzes maken deze reactoren minder complex en betrouwbaarder:
- Koelvloeistoffen (primair en secundair) circuleren op natuurlijke wijze door convectie en zwaartekracht, waardoor er geen mechanische pompen nodig zijn.
- de nucleaire functies zijn geconcentreerd in een klein volume, waardoor ze volledig hermetisch zijn
- de veiligheid wordt gegarandeerd door de hermetisch afgesloten modules in ondergrondse bassins te plaatsen waarvan het volume ze volledig laat afkoelen in geval van een incident
- de stoom die wordt gebruikt om elektriciteit te produceren in een turbinegenerator wordt na condensatie volledig teruggewonnen en hergebruikt in het secundaire circuit van de reactor.
Het schema van de module illustreert deze vereenvoudiging en de hermetisch afgesloten insluiting.
De grootte van de standaard 77 MWe module (in 2023) illustreert deze vereenvoudiging : 20 meter hoog en 2,7 meter in diameter. Dat is 1% van de ruimte die nodig is voor een conventionele reactor van 1000 MWe.
Van concept tot industrieel project
Modules kunnen worden gegroepeerd per 4, 6 of 12 eenheden, waardoor modulaire centrales van 300 tot 900 MWe kunnen worden gebouwd op basis van de standaard 77 MWe module. Door de bassins die de modules bevatten te begraven en de stoom die wordt gebruikt om elektriciteit te produceren volledig terug te winnen, hebben de centrales het imago van een schone centrale (zonder externe reactorkasten of koeltorens), zoals wordt geïllustreerd door het Carbon Free Power Project, de eerste centrale die door Nuscale wordt gebouwd in de Verenigde Staten.
Geïnteresseerde lezers moeten de website van Nuscale en de smr-fact-sheetsmr-factsheet gepubliceerd door het bedrijf.
Carbon Free Power Project in Idaho (CFPP)
In november 2014 kondigde Nuscale de bouw aan van de eerste SMR-kerncentrale in de VS, met een geplande ingebruikname in 2023. Het Carbon Free Power Project wordt gebouwd voor Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS). Het project omvatte oorspronkelijk 12 reactoren van 50 en vervolgens 60 MWe, voor een totale capaciteit van 720 MWe. In 2016 werd als locatie het Idaho National Laboratory gekozen, een laboratorium van het DOE dat in 1949 werd opgericht.
In 2017 diende Nuscale het project in bij de Amerikaanse veiligheidsinstantie, de NRC (Nuclear Regulatory Commission), voor een gereduceerde output van 570 MWe, inbedrijfstelling tegen eind 2026 en een totale investeringskost van 3 miljard US$, wat neerkomt op een kostprijs van 5.250 US$2017/kWe. In 2020 kondigde het DOE (Department of Energy) aan dat het het project zou subsidiëren voor een bedrag van 1,355 miljard US$. De ingebruikname was gepland voor eind 2029 (1ste eenheid) tot eind 2030 (12de eenheid) en de elektriciteitsprijs, na subsidies, werd geschat op 55/MWh US$.
Deze prijs is cruciaal voor het project. De uiteindelijke beslissing om te investeren hangt namelijk af van de langetermijnverbintenis van een aantal gemeenten en elektriciteitsleveranciers om de geproduceerde elektriciteit tegen de vastgestelde prijs af te nemen. Met 55/MWh US$ is de prijs concurrerend met concurrerende opwekking uit fossiele brandstoffen (kolen en gas) en windenergie. Eind juni 2021 waren er echter nog steeds onvoldoende inschrijvingen, 8 gemeenten hadden zich uit het project teruggetrokken en UAMPS besloot de omvang van het project terug te brengen tot 6 SMR’s van elk 77 MWe voor een totale capaciteit van 462 MWe. De aangekondigde prijs bleef vastgesteld op 58/MWh US$.
Een volledige herziening van de kosten van het project, die zou leiden tot een herziening van de elektriciteitskosten, werd aangekondigd voor juni 2022. Het was echter pas in januari 2023 dat het herziene budget en financieel plan bekend werden gemaakt: de kosten van het project werden verhoogd tot 9,3 miljard US$, oftewel 20.100 US$/kWe, bijna een verviervoudiging van de kosten die Nuscale in 2017 had aangekondigd en meer dan een verdrievoudiging in constante US dollar. De overheidssteun is verhoogd tot 4,2 miljard US$, waarbij de IRA (Inflation Reduction Act, geïnitieerd door president Biden) eerdere DOE-toezeggingen aanvult en goed is voor 45% van de totale investering. Een bedrag van 5,1 miljard US$ moet echter nog worden gedekt door de gemeenten die verbonden zijn aan UAMPS. De elektriciteitsprijs, na subsidies, is verhoogd tot 89 US$/MWh, waarbij de impact van de IRA wordt geschat op ten minste 30 US$/MWh en die van de DOE-subsidie op ten minste 12 US$/MWh, wat de LCOE van elektriciteit zonder subsidies op ten minste 130 US$/MWh brengt.
In maart 2023 kondigde Nuscale aan vertrouwen te hebben in haar vermogen om het aantal inschrijvingen te verdrievoudigen tegen 2024, en het projectteam bleef dit optimisme maand na maand delen tot oktober 2023. Op 8 november 2023 kondigden UAMPS en Nuscale echter aan dat ze in onderling overleg zouden stoppen met het Carbon Free Power Project vanwege onvoldoende inschrijvingen van gebruikers.
Verder met Nuscale
Ondanks deze beslissing zei John Hopkins, CEO van NuScale, dat hij vertrouwen bleef houden in de toekomstperspectieven van het bedrijf, onder verwijzing naar :
- certificering door de Amerikaanse veiligheidsinstantie (NRC) in 2020 voor de 50 MWe-module in 2020
- de productie van de modules werd begin 2023 opgestart in de fabrieken van het Koreaanse bedrijf Doosan
- de projecten waar het bedrijf aan werkt : datacenters van stroom voorzien in Ohio en Pennsylvania (Standard Power), een staalfabriek in North Carolina koolstofvrij maken, kolengestookte energiecentrales vervangen in Polen (KGMH) en Roemenië.
We zullen de ontwikkelingen bij Nuscale nauwlettend in de gaten houden, maar in elk geval zal geen van de projecten voor 2030 worden gerealiseerd.
Andere technologieën voor SMR ?
Het opgeven van het Carbon Free Power Project, het vlaggenschipproject van Nuscale, heeft geleid tot een stortvloed van reacties, variërend van een definitieve veroordeling van de SMR-route om kernenergie weer op gang te brengen tot technologische kritiek die focust op de absolute noodzaak om andere, radicaal verschillende routes te gebruiken om kleine modulaire reactoren succesvol te ontwikkelen:
- grafiet(moderator)-gas(koeler)-reactoren (Chinese 200 MWe HTR-PM “pebble-bed” reactor[1] aangesloten in december 2021)
- Natriumgekoelde snelle reactoren (Terrapower-projecten gesteund door Bill Gates in Wyoming, met een project van 350 MWe tegen 2030, en ARC-100 in Canada)
- snelle neutronenreactoren geïnspireerd op loodgekoelde snelle kweekreactoren, om de risico’s van natrium te vermijden (ontwikkeling van Newcleo in Frankrijk, Italië en het VK, met een prototype van 30 MWe aangekondigd voor 2030)
[1] Er zijn geen ex-postgegevens beschikbaar over de kosten van de HTR-PM-reactor die in december 2021 in bedrijf wordt genomen. Er zijn schattingen gepubliceerd van 2007 tot 2017, maar deze kunnen niet worden bevestigd vanwege het gebrek aan ex-postgegevens.
Zijn er lessen te leren ?
Van Nuscale kunnen we zien dat ondanks de keuze voor een bewezen technologie, de PWR-reactor, en vereenvoudiging dankzij de keuze voor modulariteit, en ondanks het verkrijgen van certificering van de Amerikaanse veiligheidsautoriteit, de ontwikkeling die in de jaren 2000 werd gestart en gebaseerd was op een concreet project dat in de loop der tijd werd ondersteund door een elektriciteitsproducent, UAMPS, niet kon worden vertaald in de start van een concrete investering in 2023. De kosten van de door Nuscale voorgestelde nieuwe kerncentrale, ondanks een subsidie van 45% van de investeringskosten, weerhielden geïnteresseerde gemeenten en leveranciers ervan zich te verbinden aan het CFPP-project. De kosten per kWe en bijgevolg de LCOE per MWh van de nieuwe SMR-kerncentrale bleven in dit stadium niet concurrerend.
De andere SMR-ontwikkelingen zijn gebaseerd op minder beproefde technologieën. Hun doel is om tegen 2030 demonstratiemodellen of prototypes te hebben, zoals aangekondigd in 2023. De onzekerheid over de industriële kosten zal pas geleidelijk verdwijnen als de demonstratiemodellen of prototypes operationeel zijn. Het baseren van een strategie voor het koolstofvrij maken van elektriciteitsproductie met behulp van SMR tegen concurrerende kosten in 2023 is pure speculatie.
Betekent dit dat we alle O&O-inspanningen op het gebied van SMR moeten uitsluiten ? Nee, natuurlijk niet, maar we moeten duidelijk zijn over de technologische en economische onzekerheden, en vooral over de lange tijdschaal voor de ontwikkeling: in het beste geval zal de industriële maturiteit niet voor 2040 komen.
© Michel Allé
December 2023 – aangepast in juni 2024