Vid kusten till Bottenhavet utanför Euraåminne håller Europas största kärnreaktor på att starta. Olkiluoto 3, som från början skulle stå klar 2009, har kanske främst blivit omdiskuterad för dess många förseningar, men också för dess storlek och avancerade teknik. Det är den mest avancerade i Europa och den första reaktor inom EU som kan sägas tillhöra Gen 3+. Reaktorn gick ursprungligen under namnet European Pressurised Reactor, eller utanför Europa som Evolutionary Power Reactor, men kallas idag bara för EPR.
Olkiluoto 3 blir Europas största reaktor och kommer producera tillräckligt för att täcka omkring 15 procent av Finland totala elkonsumtion. Tillsammans kommer reaktorerna på den lilla halvön utanför Euraåminne stå för över 30 procent av Finlands elförsörjning.
Konstruktionsarbetet som egentligen påbörjades 2007, två år efter byggtillståndet år 2005, har från början dragits med en lång rad olika förseningar – från problem med betongleveranser under projektets början till problem med vibrationer, problem med turbinen samt problem relaterat till utformningen och föränderliga krav under projektets gång. Att hitta och kvalitetssäkra leverantörskedjor för vissa komponenter har också varit också ett problem, bland annat för de stora reservkraftsdieslarna.
Europas största reaktor
Reaktorn är med en elektrisk nettoeffekt på 1 600 MW Europas överlägset största, men inte världens största. De två EPR som byggts i Taishan har något större nettoeffekt åtminstone på pappret, med nominellt 1 660 MW. Flamanville 3 och de två reaktorerna som byggs vid Hinkley Point C ligger mittemellan, med 1 630 MW nominell effekt.
Det är inte bara den höga elektriska effekten som sticker ut. Även själva reaktorn är enorm, vilket bjuder på flera utmaningar men också på flera fördelar. Bland annat använder EPR omkring 17 procent mindre uran, tack vare den stora reaktorhärden och en ny neutronreflektor. Tack vare högre tryck och temperatur samt utveckling av flera delar, till exempel ånggeneratorerna, har reaktorn också en högre termisk verkningsgrad. Reaktorn har ungefär 100 gånger fler komponenter än de svenska tryckvattenreaktorerna och reaktorbyggnaden är fyra gånger större än reaktorbyggnaderna vid Ringhals 3 och 4.
Turbinerna vid EPR-reaktorerna är de största som någonsin tillverkats – 70 meter långa och byggda för att kunna producera knappt 1 800 MW. Alla reaktorer av typen EPR har bara en turbinsträng, till skillnad från Ringhals 3 och 4 som har två turbinsträngar per block. För Okliuoto 3 är det Siemens som byggt och tillverkat turbinen, medan GE/Alstom har gjort turbinerna åt reaktorerna i Taishan, Hinkley Point C och Flamanville 3. En skillnad mellan turbinerna är att GE/Alstom har en kombinerad högtrycksturbin och mellantrycksturbin, medan Siemens har en symmetrisk högtrycksturbin. GE har, trots de stora volymerna ånga i systemet (nästan 2,5 ton ånga per sekund), lyckats reducera antalet ventiler till endast två på mellantrycksturbinen jämfört med andra turbiner som har flera intercept- och reglerventiler. Denna utformning ger ett lägre tryck till lågtrycksturbinerna, endast tre bar jämfört med nio eller tio bar på tidigare turbiner. Både GE:s och Alstoms turbiner är halvvarviga (half-speed) och roterar 1 500 varv per minut. Även här är det skillnad mot Ringhals, vars turbiner roterar 3 000 varv per minut (full-speed). Turbinerna vid Oskarshamn 3 och Forsmark 3 är halvvarviga.
För att klara av att bygga tillräckligt stora turbiner måste de vara halvvarviga eftersom man vill öka avloppsareorna och längden på turbinbladet i det sista expansionssteget i lågtrycksturbinen, som begränsas av bladets hållfasthet och de krafter som uppstår. Det innebär en fördel vid utformning för kraftnät med 50 Hz frekvens jämfört med nät med 60 Hz, eftersom en halvvarvig turbin för 60 Hz istället roterar 1 800 varv per minut. Det begränsar turbinens utformning till kortare blad och lägre belastning per steg. Det begränsar i sin tur den maximala effekten och samma typ av turbin kan producera mer effekt om den utformas för 50 Hz än om den utformas för 60 Hz.
Dieselgeneratorerna, som på ett par sekunder ska kunna starta för att förse verket med reservkraft, är fler och ungefär dubbelt så stora som vid de svenska verken. Totalt har Olkiluoto 3 sex stycken dieslar - fyra nöddieselgeneratorer med vardera 6,2 MW effekt och två stycken så kallade SBO-dieslar med vardera 2,4 MW effekt. SBO står för Station Black Out och dieselgeneratorerna är till i den händelse att ingen ordinarie nöddiesel är tillgänglig.
Vid Hinkley Point C är dieselgeneratorna lika många per reaktor, men ännu större. Där har varje nöddiesel 7,9 MW elektrisk effekt medan SBO-dieslarna har en elektrisk effekt på 2,9 MW.
Utöver dieselgeneratorerna finns för hela kärnkraftverket även två gasturbiner med totalt 100 MW elektrisk effekt som samägs av TVO och Fingrid. För Fingrid utgör gasturbinerna en störningsreserv och för TVO en extra möjlighet till strömförsörjning ifall det yttre nätet skulle vara strömlöst. Det finns även ett batterilager med 90 MW effekt för att stabilisera nätet vid störningar eller vid den händelse att något fel gör att kraftproduktionen faller bort. Reaktorn är så stor att det dimensionerande felet för kraftnätet ökar när reaktorn tas i drift. Samtidigt bidrar reaktorn med flera systemtjänster – bland annat stora mängder rotationsenergi, motsvarande en ansenlig del av den totala rotationsenergin i det nordiska elnätet.
Förutom storleken är en av de största skillnaderna mot tidigare reaktorer och de svenska tryckvattenreaktorerna att EPR har ett mycket långtgående oberoende mellan djupförsvarsnivåer. I praktiken innebär det att ingenting får delas mellan system, med strikt fysisk och funktionell separation mellan olika system och delar. Inga system får använda samma signal eller kraftmatning.
Likt andra franska och tyska reaktorer kan EPR köras mycket flexibelt – effekten kan varieras mellan 60 och 100 procent med 5 procent per minut och mellan 25 och 60 procent med 2,5 procent per minut. Det går att driva reaktorn mellan 25 och 60 procent effekt i två dygn utan att begränsa flexibiliteten.
Valet av bränsle är också flexibelt. EPR går att köra på enbart låganrikat uran (mellan 1.9 och 3.3 procent anrikning) eller helt på MOX, eller en blandning av vanligt uran och MOX-bränsle. MOX står för mixed-oxide fuel och består av uran och plutonium från använt kärnbränsle.
Att starta en reaktor
Efter tillstånd från den finska Strålsäkerhetscentralen, STUK, håller reaktorn nu på att starta och den första elektriciteten ska enligt planerna produceras inom kort.
Själva uppstartsprocessen består av fem steg, från A till E. De två första stegen, A och B, består av komponenttester och systemtester samt kalla och varma funktionstester. I steg C, det tredje steget, laddas härden med bränsle och ytterligare varma funktionstester genomförs. I steg D förs reaktorn till första kriticitet. Därefter följer en lång rad tester och kalibreringar vid olika effektnivåer. Det femte och sista steget består av 30 dagars demonstrationsdrift.
Bränslet för den första härden levererades under 2017. De sista bränsleknippena levererades i januari 2018 och fram tills laddningen av härden i mars 2021 förvarades det i bassänger och i torr förvaring. Eftersom neutronflödet är i princip obefintligt med nytt bränsle används särskilda neutrondetektorer under den första laddningen.
Då nytt bränsle inte ger tillräckligt med neutroner för en kedjereaktion krävs en neutronkälla för att starta reaktorn. Denna levererades i december 2018 och består av tre stavar med kapslar innehållande Californium-252 som placeras i bränsleknippen på plats på kärnkraftverket. Californium-252 är ett syntetiskt och radioaktivt grundämne som framförallt sönderfaller genom alfa-sönderfall, men drygt tre procent av sönderfallen sker genom spontan fission. Detta ger i genomsnitt 3,7 neutroner per fission. Ett mikrogram Californium-252 ger över 2 miljoner neutroner per sekund.
Själva starten av reaktorn, steg D, består av fyra faser, D1 till D4. I det första steget uppnås första kriticitet och den termiska effekten får ökas till 5 procent av maximal effekt.
Det andra steget innebär att effekten ökas från 5 till 30 procent. Trettio procent termisk effekt innebär att första elproduktionen kan påbörjas med ett tiotal megawatt. Den största milstolpen i detta steg är synkronisering av generatorn till yttre nät, vid 25 procent termisk effekt.
Steg D3 innebär att effekten kan ökas från 30 till 80 procent och därefter i steg D4 från 80 till 100 procent termisk effekt. Varje steg innebär en lång rad tester. Totalt är 192 tester för reaktordelen och 231 tester för turbindelen planerade. Testerna i form av olika transienter, off-site power, hus-turbintest, pumpfel och test av andra transienter innebär att den faktiska effekten kan variera mellan noll och den tillåtna maxeffekten i varje fas. Vid eventuella problem eller frågetecken under testerna kan nya tester läggas till, eller så gör man om testerna. Det tar ett antal månader att genomföra alla teststeg i de fyra faserna D1 till D4.
Alla tester måste godkännas innan man kan gå vidare och varje ny fas kräver tillstånd från STUK innan man kan öka effekten ytterligare.
Den 16 december gav STUK tillstånd till kriticitet och klockan 03:22 på morgonen den 21 december uppnåddes första kriticitet. Fas D1 slutfördes den tredje januari och dagen efter, den fjärde januari, påbörjades fas D2.
Själva kriticiteten uppnåddes genom att dra ut alla styrstavsgrupper utom en grupp i mitten, sedan påbörjades utspädning av borkoncentrationen. Därefter görs en provutdragning av styrstavsgruppen i mitten med noggrann observation av neutronflödet. Om neutronflödet inte ökar skjuts styrstavsgruppen tillbaka in och borkoncentrationen späds ut ytterligare.
Fem sådana provutdragningar med utspädning av borkoncentrationen utfördes. Därefter genomfördes en sista mindre utspädning innan kontrollstavarna drogs ut en liten bit. Vid denna punkt visade neutronflödet att reaktorn uppnått kriticitet. Efter en kort period med superkriticitet stabiliserades kedjereaktionen som kritisk.
Efter kriticitet genomförs ett omfattande program med nolleffekttester, Zero Power Physical Tests (ZPPT). Bland annat mäts borkoncentrationer med olika styrstavskonfigurationer och reaktivitetsvärdet för de olika styrstavsgrupperna. Det finns sex stycken styrstavsgrupper, två grupper med ”stoppstavar” och mindre grupper styrstavar. De mindre grupperna består av fyra styrstavar och de större styrstavsgrupperna består i sin tur av åtminstone en mindre grupp styrstavar, oftast flera.
Flera tester har behövt göras om med noggrannare mätmetoder, vilket dragit ut på testerna några dagar. I fas D2 ökas nu effekten från 5 till 25 procent i steg om fem procent och i varje steg kalibreras instrumenteringen. Nästa större steg är att synkronisera generatorn vid 25 procent effekt och därefter den första riktiga elproduktionen vid 30 procent effekt.
Ett resultat av långt utvecklingsarbete och samarbete baserat på de bästa reaktorerna
Utvecklingen av EPR påbörjades 1989 efter att Framatome och Siemens tecknat ett samarbetsavtal för att utveckla en avancerad tryckvattenreaktor. Samarbetet drog från början åt olika håll, där EdF (Electricité de France) och Framatome siktade på en avancerad modell av de franska N4-reaktorerna, kallad N4+, medan Siemens satsade på en vidareutveckling av de tyska Konvoi-reaktorerna, kallad Konvoi 95+/Advanced Konvoi.
Det grundläggande konceptet blev klart 1991, knappt två år senare. Baserat på konceptet slogs det fast att en kapacitet omkring 1450 MW var optimal, bland annat baserat på det bristande antalet platser för nya större reaktorer i industrialiserade länder. Dessa större reaktorer skulle också uppmuntra till mer sammankoppling av elnät mellan länder, vilket skulle förbättra stabiliteten i kraftsystemet.
Alla tre reaktormodeller – N4+, Advanced Konvoi och en gemensam design – skulle möta kravet på en evolutionär (snarare än revolutionär) reaktordesign och 1991 slog EdF och Siemens ihop sitt arbete. Tidigt år 1992 ingick även de franska och tyska strålsäkerhetsmyndigheterna GPR och RSK ett samarbete för att slå fast ett gemensamt tillvägagångssätt för att ta fram nya krav. De utfärdade tillsammans europeiska krav (European Utility Requirement, EUR) för en kommande europeisk tryckvattenreaktor, EPR.
Den tyska reaktorsäkerhetskommissionen, RSK, föreslog 1993 att man skulle etablera gemensamma säkerhetsstandarder för framtida tryckvattenreaktorer. Redan i februari 1994 publicerades de två första kraven, följt av den större delen av kraven senare under samma år.
De två separata projekten N4+ och Advanced Konvoi skulle utgöra grunden för EPR. Enligt planer vid denna tidpunkt skulle en första reaktor börja byggas i Tyskland med start 1995 för att demonstrera teknologin.
Från de två separata projekten skulle man ta de bästa egenskaperna och bygga vidare.
Från N4-reaktorerna togs den höga effekten på 1 450 MW (vilket höjdes till 1 600 MW), den stora härden (som gjordes ännu större), det höga ångtrycket (som höjdes ytterligare), den separata bränslebyggnaden och det digitaliserade kontrollrummet.
Från Konvoi-reaktorerna togs utformningen med fyra oberoende subar för säkerhetssystem (”sub” kommer ursprungligen från engelskans ”subdivisions” men har inom svensk kärnkraftindustri blivit ett etablerat begrepp) och instrumentplaceringen på reaktorns topp.
Olika förmågor kombinerades också. Som exempel kombinerades den cylindriska inneslutningen från N4-reaktorerna med Konvoi-reaktorernas förmåga att motstå en flygplanskrasch med militärflygplan i hög hastighet, vilket gav EPR en mycket hög tålighet mot flygplanskrascher. På detta sätt är EPR både en kombination och en vidareutveckling av de bästa egenskaperna hos franska och tyska reaktorer.
En annan central punkt i utvecklingsarbetet blev hanteringen av ett förlopp med härdsmälta, om det trots allt skulle uppstå. En rad utvecklingsprogram startades för att utveckla en härdfångare. Till dessa program hör bland andra COMAS (Corium on Material Surfaces), VULCANO (Versatile UO2 Lab for Corium Analyzes and Observations) och ECOSTAR (Ex-Vessel Core Melt Stabilisation Research).
Även Sverige har deltagit i denna forskning, bland annat genom experiment vid KTH. Som del av APRI-programmet (Accident Phenomena of Risk Importance) fann man i POMECO-projektet (POrous MEdia COolability) att kylningen förbättras med mellan 50 och 600 procent om smältan samtidigt kyls underifrån.
Den slutliga reaktordesignen tar form
Så sent som 1996 var målet fortfarande en reaktoreffekt på 1 400 MW, anpassat efter vad som ansågs vara det genomsnittliga behovet i det europeiska nätet. Vid den här punkten stöttades utvecklingen också av Belgien, Spanien och Storbritannien som hade egna intressen av att delta i samarbetet.
I linje med de högt ställda ambitionerna skulle reaktorn både kunna reglera effekten flexibelt och köras lastföljande, men samtidigt med en hög verkningsgrad och hög utbränning av bränslet. Det främsta målet var dock alltid att optimera säkerhetssystemen på ett sådant sätt att reaktorn skulle kunna godkännas av varje land i Europa. För Tyskland var EPR-projektet den enda möjligheten att utveckla en ny reaktor.
EPR blev 1996 den första reaktorn att granskas mot de nya EUR-kraven, en granskning som pågick till 1999. År 1998 var den grundläggande designen av reaktorn färdig.
Samtidigt höll Siemens och Framatome på att slå ihop sina affärsområden inom kärnkraft. Grundaren, Anne Lauvergeon, valde det nya företagets namn på måfå från en lista över spanska kloster. Så kom klostret Arévalo att ge namn åt det nya företaget, som den 1 januari 2001 fick namnet Areva.
EPR möter både stöd och motstånd i Tyskland
De separata projekten N4+ och Konvoi-95+ var redan nedlagda men utvecklingsarbetet med EPR fortsatte genom det nya bolaget, som nu letade efter en plats för att bygga en första reaktor. Greifswald och Viereth i Tyskland dök upp som två alternativ bland flera möjliga europeiska platser.
Utöver EPR fanns ett stort tyskt stöd för att fusionsprojekten Wendelstein 7-X och ITER skulle byggas i Greifswald. Planerna stöddes både av en koalition bestående av Helmut Kohl och den tyska regeringen och av en rad förbundsländer som styrdes av de tyska socialdemokraterna, SPD. Regeringen bestod av Kristsociala unionen i Bayern (CSU), det fria demokratiska partiet (FDP) och de tyska kristdemokraterna (CDU).
Trots ett beslut 1986, 10 år tidigare, att fasa ut kärnkraft var SPD kritiska till att regeringen lade för lite pengar på att forska fram ny kärnkraft. Efter att de sovjetiska VVER-reaktorerna i östtyskland stängts skulle övriga reaktorer istället fortsätta drivas. De nya kärnkraftsprojekten var en del av ”Atomlandes Ost” för att få östtyskland att växa ekonomiskt. Samtidigt hade kärnkraftsprotester i västtyskland stoppat olika projekt i Wackersdorf, Mülheim-Kärlich och Kalkar.
I Wackersdorf, som tack vare sina kolgruvor var en av de rikaste kommunerna i Bayern på 80-talet, stoppades en upparbetningsanläggning för kärnbränsle. I Mülheim-Kärlich fick det nya kärnkraftverket stänga efter endast 100 dagars kommersiell drift. I Kalkar förvandlades SNR-300, en natriumkyld snabbreaktor som färdigställdes men aldrig togs i drift, till en nöjespark – Wunderland Kalkar.
På regeringsnivå och i östtyskland var stödet dock stort. Gerhard Schröder – som var ministerpresident för Niedersachsen och SPDs förhandlare i de misslyckade energidiskussionerna mellan industri, federalländerna och miljöorganisationerna – var en av de som föreslog nya reaktorer. Även Angela Merkel från CDU, dåvarande miljöminister och minister för reaktorsäkerhet, var positivt inställd till nya reaktorer och sade om ITER-projektet att ”vi vill ha den här reaktorn med all vår kraft”. Merkel hade också låtit Tysklands geologiska institut undersöka alla potentiellt lämpliga platser för ett slutförvar.
Kärnkraftsstödet höll i sig fram till regeringsskiftet 1998, då Helmut Kohls regering byttes ut mot en koalition bestående av SPD och de Gröna under Gerhard Schröder. Längs östersjökusten vid Greifswald var det bara Wendelstein 7-X som kom att byggas. Utöver de fem stängda VVER-reaktorerna på platsen finns idag istället två ryska gasledningar, Nord Stream 1 och 2.
EPR flyttar norrut
För EPR-projektet innebar den politiskt volatila perioden för kärnkraft i Tyskland att man fick söka sig någon annanstans. Valet föll på Olkiluoto strax utanför Euraåminne i Finland.
År 2005 gav den finska regeringen byggtillstånd för en första EPR i Finland och kort därefter, år 2007, påbörjades bygget av ytterligare en i Flamanville i Frankrike. Efter mer än 10 års stagnation var det de första reaktorbyggena på 2000-talet i Europa.
Det tyska arvet i utvecklingsarbetet har varit synligt i konstruktionsarbetet i Finland. Av över 1 600 företag som deltog i arbetet var vartannat företag från Tyskland.
När arbetet i Finland påbörjades fanns från början flera allvarliga brister. Bland annat hade Areva efter flera år av nedskärningar inte tillräckligt med resurser för att sätta igång ett så stort projekt. Man hade dock goda ekonomiska muskler och förväntade sig därför att man skulle kunna rekrytera snabbt. Ett annat allvarligt problem var att den detaljerade designen inte var färdig, vilket med ett underskott av ingenjörer och bristande erfarenhet i logistikkedjor bland tillverkare ledde till en trög start från första början. Den ambitiösa tidsplanen för det första bygget av en EPR, tillika den största reaktor som någonsin byggts, fick snabb ge vika när det visade sig att flera förseningar uppstått. Den egentliga konstruktionen började inte förrän 2007, två år efter byggtillståndet och samtidigt som bygget av Flamanville 3 startade.
Till följd av avsaknaden av nybyggnadsprojekt i Europa saknades erfarna leverantörer, vilket tog lång tid att upphandla och kvalitetssäkra. Nya teknikval som ställde krav på avancerade tillverkningstekniker blandat med delvis ofärdiga detaljkonstruktioner blev snabbt ett recept för stora förseningar. Flera delar fick tillverkas flera gånger innan delarna kunde godkännas. Ett exempel är huvudkylvattenledningen från pumparna till reaktorn som, för att minimera antalet svetsfogar, är gjorde från ett enda stycke stål på 160 ton. Den färdiga ledningen väger 15 ton. Så pass avancerade delar har aldrig tillverkats förut, vilket ställde höga krav på materialet. Först krävdes mindre kornstorlek i stålet innan man var nöjd med resultaten. När så ledningen svetsades uppstod mikroskopiska sprickor som var tvungna att lagas.
Andra komponenter fick göras om ett antal gånger innan de kunde godkännas enligt den kvalitetsstandard som krävs för kunna godkänna komponenter för 60 års drift.
Första kraftproduktion och flera nya reaktorer på gång
Den finska reaktorn har nu nått första kriticitet och kommer inom kort att producera den första elektriciteten. Samtidigt har bygget av Hinkley Point C kommit ungefär halvvägs och Flamanville 3 går, trots förseningar, framåt.
Både den brittiska och den franska regeringen har beslutat om ytterligare reaktorer, med två EPR i Storbritannien vid Sizewell C och åtminstone sex stycken i Frankrike, med förstudier och option för åtta stycken till. I Polen och Indien finns planer för sex reaktorer i vardera land och EdF deltar aktivt för att vinna dessa projekt.
För de nya projekt som är aktuella framåt har EdF vidareutvecklat EPR till en ny version, EPR 2. Det är en förenklad version som framförallt implementerat lärdomar från de olika byggprojekten och licensieringsprocesserna runt om i världen. Bland annat säger sig EdF har tagit fram en avancerad 4D-modell för konstruktionen – alltså en detaljerad 3D-modell för hur projektet konstrueras över tid för att upptäcka konflikter och hinder.
EdF har också utvecklat en mindre version, EPR1200, som föreslagits i flera projekt, bland annat för Dukovany 5-projektet i Tjeckien. Den är baserad på det numera nedlagda utvecklingsarbete som EdF bedrev tillsammans med Mitsubishi Heavy Industries för att utveckla ATMEA-1. Den mindre reaktorn ska passa andra marknader än de större EPR och EPR2.
Om alla EPR-projekt blir av skulle det, tillsammans med de reaktorer som redan är igång eller under konstruktion, innebära knappt 40 stycken EPR runt om i världen. Det återstår att se hur länge Finlands nya reaktor, Europas största, får vara ensam om att vara störst.
Mycket har hänt sedan Olkiluoto 3 började byggas. De Gröna i Finland som tidigare lämnat regeringen två gånger till följd av kärnkraftsbeslut – första gången 2002 efter principbeslutet för Olkiluoto 3 och den andra gången 2014 efter principbeslutet för Hanhikivi 1 – har nu svängt och ser kärnkraft som en del av de verktyg som kan behövas för att lösa klimat- och miljöproblem.
Starten av den finska reaktorn är ett tecken i tiden. På europeisk nivå har en stadigt nedåtgående trend vänt och en rad nya länder som Estland och Polen ser kärnkraften som en nödvändig del för att klara sina klimatåtaganden. Globalt sett kommer fler länder än någonsin tidigare att använda sig av kärnkraft, trots utfasningsbeslut i vissa länder. Olkiluoto 3 kommer i kommersiell drift stå för 15 procent av Finlands elproduktion. Tillsammans med andra nybyggen och långtidsdrift av existerande reaktorer utgör det ett viktigt tillskott till Europas elproduktion, där kärnkraften är det enskilt största kraftslaget.