Najlepsza opcja jądrowa

Wyobraź sobie przemysł nuklearny, który może zasilać Amerykę przez dziesięciolecia, wykorzystując własne radioaktywne śmieci, spalając te części dzisiejszych odpadów reaktorowych, które są najtrudniejsze do usunięcia. Dodaj technologię, która pobiera plewy nuklearne, uran, który był wydobywany i przetwarzany, ale w większości nie nadawał się do użytku, i przekształca go w jeszcze więcej paliwa. Następnie dodaj globalny model biznesowy, który znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo, że produkty uboczne reaktora, takie jak pluton, znajdą się w broni jądrowej w krajach takich jak Iran, nawet gdy ekonomiczna technologia energii jądrowej stanie się dostępna dla całego świata.

Departament Energii USA promuje szeroko zakrojone technologie recyklingu odpadów wymagające nowych projektów reaktorów. Ale zaktualizowane konwencjonalne projekty, takie jak ekonomiczny uproszczony reaktor GE z wrzącą wodą (pokazany tutaj), są już gotowe. (Źródło: Bryan Christie)

Jest to kusząca potrójna gra, którą administracja Busha ma nadzieję zrealizować wraz z ogłoszonym na początku tego roku Global Nuclear Energy Partnership (GNEP), proponowanym długoterminowym programem badawczo-rozwojowym niemal tak zuchwałym jak Projekt Manhattan. Podstawowe koncepcje przetwarzania paliwa w jego sercu kręcą się wokół przez większą część pół wieku. Teraz są ponownie reklamowane jako sposób na zapewnienie obfitego, bezemisyjnego paliwa dla głodnego energii świata zagrożonego zmianami klimatycznymi wywołanymi przez człowieka.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2006 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Zgodnie z planem, dla którego administracja zażądała 250 milionów dolarów na rok podatkowy rozpoczynający się 1 października, Stany Zjednoczone i niektóre kraje partnerskie przetworzyłyby wypalone paliwo jądrowe przy użyciu nowych technik, które przekształciłyby część z nich w więcej paliwa i zminimalizowałyby ilość wymagającą utylizacji . Stany Zjednoczone i ich partnerzy dzierżawiliby również paliwo reaktorowe innym krajom, które następnie zwracałyby zużyte paliwo do ponownego przetworzenia.

Technologia ta może znacznie wydajniej wykorzystywać uran: Phillip J. Finck, zastępca dyrektora w Argonne National Laboratory w pobliżu Chicago, mówi, że może wydobyć z uranu do 100 razy więcej energii niż jest to obecnie możliwe. Teoria głosi, że z odpadami gromadzonymi w reaktorach w Stanach Zjednoczonych, GNEP może wytwarzać całą energię elektryczną, której kraj będzie potrzebował przez dziesięciolecia, a może nawet stulecia – zakładając, że można by zbudować wystarczającą liczbę niezbędnych nowych reaktorów. To wyeliminowałoby około jednej trzeciej wszystkich emisji dwutlenku węgla w USA (mniej więcej tej części, która obecnie pochodzi z elektrowni na paliwa kopalne). Wszystko to przy jednoczesnym ograniczeniu marnotrawstwa i udaremnieniu wykorzystywania paliwa do broni jądrowej.

Multimedia

• Wideo: Naukowcy mówią o zagrożeniu globalnym ociepleniem i sposobach radzenia sobie z nim.

W praktyce jednak w najlepszym scenariuszu opracowanie GNEP zajęłoby dziesięciolecia, aw najgorszym może nic nie wytworzyć; może się okazać, że nie można go uruchomić z przyczyn technicznych lub technologia może być ekonomicznie niekonkurencyjna w stosunku do innych bezemisyjnych źródeł energii elektrycznej. A program może podważyć skromniejszy i osiągalny cel: reanimację przemysłu jądrowego, który nie uruchomił udanego projektu reaktora od 1974 roku.

Dzisiaj opinia publiczna, która kiedyś obawiała się energii jądrowej, otworzyła się na nią jako na możliwą odpowiedź na globalne ocieplenie. Nowe projekty reaktorów podobne do tych stosowanych we współczesnej flocie komercyjnej – ale uważane za bezpieczniejsze i wydajniejsze – są już zatwierdzone lub poddawane przeglądowi przez amerykańską Komisję Regulacji Jądrowej. Zakłady energetyczne są na różnych etapach planowania co najmniej 16 takich reaktorów (patrz Poruszenia odnowy wykres ) i może składać wnioski do NRC już pod koniec przyszłego roku.

Takie reaktory są najbardziej obiecującą, krótkoterminową alternatywą dla dodatkowych konwencjonalnych elektrowni węglowych, które wytwarzają ogromne ilości dwutlenku węgla. Ale nie jest pewne, kiedy i czy zostaną zbudowane. Jeśli tak się stanie, branża musi przekonać inwestorów do dużego skoku. Oznacza to przekonanie ich, że elektrownie będą konkurować finansowo z innymi źródłami z natury niskoemisyjnymi, takimi jak turbiny wiatrowe lub elektrownie węglowe, które sekwestrują dwutlenek węgla – technologia, która może być osiągalna, ale nie została jeszcze zademonstrowana (patrz Brudny sekret ) . Według Electric Power Research Institute (EPRI), organizacji non-profit zajmującej się badaniami użyteczności publicznej z siedzibą w Palo Alto w Kalifornii, której członkami są właściciele elektrowni węglowych i jądrowych, krótkoterminowe projekty reaktorów mogą być niewiele tańsze niż technologia sekwestracji. A jeśli Stany Zjednoczone nie będą ograniczać emisji dwutlenku węgla, energia jądrowa będzie musiała konkurować z konwencjonalnymi elektrowniami węglowymi.

Tymczasem branża wciąż czeka na rozwiązanie swojego głównego, krótkoterminowego problemu: co zrobić z odpadami piętrzącymi się w istniejących elektrowniach jądrowych. Skip Bowman, prezes i dyrektor generalny Instytutu Energii Jądrowej, branżowej grupy handlowej, mówi, że bez szybkiego rozwiązania problemu odpadów dzisiejszy niepewny renesans zostanie zatrzymany. Firma nie może uzyskać licencji na nowy zakład bez planu dla odpadów, a oczekiwanie na otwarcie przez Departament Energii od dawna opóźnionego składowiska odpadów Yucca Mountain w Nevadzie nie stanowi planu. W tym kontekście, mówi Bowman, GNEP przedstawia czynnik rozpraszający.

Niektórzy naukowcy zgadzają się, że Departament Energii musi wypracować jasną strategię nuklearną i trzymać się jej. Andrew Kadak, inżynier jądrowy w MIT (patrz Niewyraźna wizja jądrowa DOE ) , mówi, że departament przestrzegał polityki zygzakowatej. Uważa GNEP za piątą inicjatywę nuklearną w ciągu ostatnich pięciu lat, powołując się na Inicjatywę Wodoru Jądrowego; Nuclear Power 2010 (próba rozpoczęcia budowy nowego konwencjonalnego reaktora do tego roku); IV generacji (nowy zestaw technologii reaktorowych, takich jak instalacje chłodzone gazem lub ołowiem); oraz Inicjatywa Zaawansowanego Cyklu Paliwowego, która przypomina części GNEP.

Jeśli Departament Energii chce zmniejszyć emisję dwutlenku węgla poprzez promowanie obiecanego odrodzenia energetyki jądrowej, będzie musiał się pospieszyć, zanim firmy energetyczne zapełnią rynek konwencjonalnymi elektrowniami węglowymi, które mogą przetrwać 50 lat. GNEP może jedynie osłabić koncentrację działu, zwiększając koszty i złożoność dzięki nowym, niewypróbowanym technologiom.

Szybkie reaktory, powolny postęp

GNEP to bardzo długoterminowa wizja; większość z początkowych 250 milionów dolarów zostałaby wydana tylko na zbadanie, jak nowe technologie mogą działać i ile by to kosztowało. Ale myślenie jego zwolenników jest takie, że my… potrzebować bardzo długoterminowa wizja. Departament Energii przewiduje, że do połowy stulecia na całym świecie będzie działać 1000 elektrowni jądrowych, w porównaniu z 441 obecnie. A istniejące dostawy uranu, twierdzą zwolennicy GNEP, nie zasilą tak wielu reaktorów.

Wielkość podaży uranu jest w rzeczywistości nieznana, ponieważ uran przechodził przez długi okres obniżonych cen i niewiele osób ostatnio go szukało. Według źródeł branżowych wiadomo, że istnieje około 3 milionów ton, ale może tam być około 12 milionów ton. (Badania MIT z 2003 r. przewidywały, że wciąż jest wystarczająca ilość uranu, aby zbudować 1000 reaktorów i uruchomić je przez 40 lat.) W zakresie, w jakim być może będziemy musieli rozciągnąć ten zasób, GNEP oferuje sposób – przynajmniej na papierze – na odzyskać z niego ogromne ilości dodatkowej energii.

Istniejące reaktory wytwarzają energię w wyniku reakcji łańcuchowej, która rozpoczyna się, gdy wolny neutron uderza w atom U-235, izotop uranu, i rozszczepia jego jądro. Rozszczepiony atom wyrzuca dwa lub trzy neutrony; zwykle jeden rozszczepia inny atom U-235, a inne są absorbowane przez atomy innego izotopu uranu, U-238, tworząc pluton-239 i inne pierwiastki transuranowe (te poza uranem w układzie okresowym). Te transuraniki, wraz z produktami rozszczepienia, takimi jak izotopy cezu, należą do składników odpadów nuklearnych.

Problem w tym, że U-235 jest stosunkowo rzadkim izotopem; naturalny uran składa się z około jednej części U-235 do 142 części U-238, który nie jest tak łatwo rozszczepiony. Uran stosowany w reaktorach jest wzbogacany tak, że U-235 występuje w stężeniu jedna część na 20. GNEP wykorzystałby uran bardziej wydajnie poprzez spalanie transuranów ze zużytego paliwa, po ich oddzieleniu od innych produktów ubocznych poprzez ponowne przetwarzanie. Może również wykorzystać część U-238. Kluczem byłoby opracowanie nowej generacji reaktorów, zwanych reaktorami prędkimi.

Reaktory chłodzone wodą, jak prawie wszystkie reaktory dzisiaj, znacznie spowalniają neutrony po ich uwolnieniu w reakcji łańcuchowej. Ale reaktory zaproponowane przez GNEP tego nie zrobią; do odprowadzania ciepła używali innego materiału, prawdopodobnie stopionego metalu. (Niestety, preferowany do tego celu metal – sód – pali się w kontakcie z wodą lub powietrzem.) Podobnie jak kula bilardowa wystrzelona przez silniejszy kij, neutrony miałyby większy cios – wystarczający do rozłupania części U-238, jak również izotopy transuranowe.

Transuranami zdarza się, że należą do najdłużej żyjących materiałów w strumieniu odpadów, a zatem są jednymi z najtrudniejszych do usunięcia. To właśnie sprawia, że ​​GNEP wydaje się tak atrakcyjny, jak nie tylko rozwiązanie dotyczące zmiany klimatu, ale także rozwiązanie dotyczące odpadów. Finck twierdzi, że teoretycznie ograniczyłoby to ciepło i toksyczność tego, co jest dziś uważane za odpady, wystarczająco, aby Yucca Mountain przetrwała przez ten wiek, zamiast być w pełni zarezerwowanym przed zakopaniem pierwszego pakietu paliwowego.

Pionierzy energetyki jądrowej w przemyśle i rządzie zawsze zakładali, że paliwo będzie przetwarzane w celu odzyskania plutonu do ponownego wykorzystania. Takie przetwarzanie jest sposobem, w jaki Projekt Manhattan zebrał pluton dla bomby, która zniszczyła Nagasaki. (Bomba w Hiroszimie używała wzbogaconego uranu.) W.R. Grace otworzył centrum przetwarzania w West Valley w stanie Nowy Jork w 1965 roku, a później sprzedał je Getty Oil. Zakład działał do 1972 roku, a jego oczyszczenie kosztowało ponad 1,6 miliarda dolarów. General Electric próbował również zbudować fabrykę w Morris w stanie Illinois, ale w 1974 uznano ją za nieoperacyjną. Wtedy prezydent Carter zakazał tej technologii z powodu obaw związanych z proliferacją.

GNEP przywróciłby te pomysły z grobu w znacznie bardziej ambitnej formie, która ponownie budzi takie obawy. Jedynym zmartwieniem jest sposób, w jaki materiał nadający się do użycia w bombie zostałby wydobyty ze zużytego paliwa. Zwolennicy twierdzą, że GNEP zmniejszyłoby ryzyko proliferacji, ponieważ w przeciwieństwie do starych technik ponownego przetwarzania, wciąż stosowanych w niektórych krajach, nowe nie dawałyby czystego plutonu. Ale dzisiaj osiem kilogramów plutonu – ilość potrzebna do wyprodukowania bomby – jest osadzonych w około tonie metrycznej wysoce radioaktywnych odpadów; w nowym systemie byłaby rozcieńczana jedynie niewielką ilością innych materiałów. Krytycy twierdzą, że rządom lub terrorystom znacznie łatwiej byłoby ukraść oddzielony materiał i wydobyć pluton, niż odzyskać pluton z dzisiejszego wypalonego paliwa jądrowego.

Sekretarz ds. energii Samuel Bodman, omawiając GNEP, obiecał, że będzie on odpowiadał na wyzwania globalnego terroryzmu. Chodzi o to, aby zabezpieczyć cykl paliwowy przed dziećmi: kraje takie jak Iran mogłyby wydzierżawić paliwo wzbogacone do poziomu reaktorów – 5 procent U-235 – ale nie do poziomu bomb, zwykle przekraczającego 90 procent U-235. Wysłaliby wypalone paliwo z powrotem do bardziej bezpiecznych krajów w celu ponownego przetworzenia i drugiego obiegu w zaawansowanych reaktorach. Reaktory te, które spaliłyby wiele pierwiastków wytwarzanych w prostszych reaktorach, byłyby zlokalizowane w stabilnych miejscach, takich jak Indiana czy Floryda – lub w krajach, które już posiadają broń jądrową.

Powstałe w ten sposób partnerstwo upodobniłoby amerykańską politykę w zakresie technologii jądrowych do polityki Rosji i Francji, które już odseparowały pluton. Zwolennicy przytaczają to jako dodatkową zaletę programu, który, jak mówi Finck, zapewni Stanom Zjednoczonym długoterminowe, przystępne cenowo, wolne od węgla źródło energii o niskim wpływie na środowisko.

Miraż GNEP

Ale GNEP może być mirażem. Po pierwsze, sponsorzy nie mają pojęcia, ile by to kosztowało; 250 milionów dolarów zaproponowane przez administrację Busha jest przeznaczone na program, który ma nadzieję rozwiązać ten problem. Zwolennicy GNEP twierdzą, że ich technologia rozszerzy podaż paliwa jądrowego na tyle, aby ograniczyć emisje dwutlenku węgla praktycznie na zawsze i pozwoli nam uniknąć widma wyboru między globalnym ociepleniem a bardzo kosztowną energią. Wydawałoby się jednak, że oszczędzanie na paliwie jądrowym może być praktyczne tylko wtedy, gdy cena nie jest celem.

Richard L. Garwin, emerytowany kolega IBM i współautor siedmiu książek o broni jądrowej i energii jądrowej, szacuje, że istniejące zakłady przetwarzania, takie jak ta działająca we Francji, dostarczają reaktorom pluton w cenie około 1000 USD za kilogram zaoszczędzonego uranu. Ale rynkowa cena uranu, jak wskazuje, wynosi około 100 dolarów za kilogram i może być na chwilowym szczycie.

Paliwo to tylko część kosztów energii jądrowej, a Finck twierdzi, że ponowne przetwarzanie paliwa i ponowne użycie go w szybkich reaktorach zwiększyłoby tylko około 10 procent całkowitych kosztów energii. Nie jest jednak jasne, skąd wziąłby się nawet ten skromny przyrost. Frank N. von Hippel, fizyk i ekspert ds. polityki z Woodrow Wilson School of Public and International Affairs na Uniwersytecie Princeton, zauważa, że ​​Stany Zjednoczone przystąpiły do ​​budowy reaktora prędkiego w latach 70., ale zrezygnowały z tego w 1983 r. po tym, jak Francja, Niemcy i Wielka Brytania je zbudowała, a następnie porzuciła jako zbyt kosztowne i trudne. A po zbudowaniu szybkich reaktorów system przewidziany przez GNEP może wymagać, według sponsorów, nawet jednego drogiego nowego reaktora na każde trzy zwykłe, w zależności od efektywności nowych reaktorów. Garwin mówi o reaktorach prędkich: Nie ma koncepcji, by te rzeczy poruszały się ekonomicznie.

Mam nadzieję, że będziemy mieli więcej reaktorów; Mam nadzieję, że świat będzie miał ich więcej, mówi Garwin, odnosząc się do typów, które dziś działają komercyjnie. Ale stanie się tak tylko wtedy, gdy wejście na ten obszar dla prywatnego przemysłu będzie ekonomicznie opłacalne. A teraz wiele inteligentnych pieniędzy – część z nich przekazywana przez Departament Energii – idzie nie tylko na konwencjonalną energię jądrową, ale także na inne źródła energii wolne od węgla, takie jak wiatr, słońce i węgiel z sekwestracją dwutlenku węgla.

EPRI niedawno przeanalizowała ceny bezemisyjnych źródeł energii elektrycznej i stwierdziła, że ​​gdyby, jak twierdzą producenci, nowe reaktory można było zbudować za 1700 USD za kilowat mocy (mniej niż w latach 80., nawet przed korektą o inflację), wyprodukowałyby prąd za około 49 USD za megawatogodzinę. Chociaż to około dwie trzecie ceny biomasy i połowa ceny wiatru, inne technologie na desce kreślarskiej mogą wystarczyć za niewiele więcej. Według EPRI za około 55 dolarów za megawatogodzinę węgiel można zgazować i spalić, a dwutlenek węgla można oddzielić. Elektrownie działające na zgazowany węgiel nie zostały jeszcze skomercjalizowane, ale można by zbudować konwencjonalne elektrownie pyłowe, które sekwestrowałyby dwutlenek węgla i produkowałyby energię za około 65 dolarów za megawatogodzinę. Technologie te są postrzegane przez inwestorów jako mniejsze ryzyko, a Stany Zjednoczone mają węgiel na setki lat.

Za kilka lat lub kilkadziesiąt lat podatki węglowe mogą stać się powszechne w świecie uprzemysłowionym, wojna w Zatoce Perskiej może podwoić lub potroić cenę ropy, a popyt na energię elektryczną może gwałtownie wzrosnąć – szczególnie, jeśli ktoś wymyśli lepszy akumulator, który mógłby być masowo produkowany do samochodów elektrycznych. Ale nawet jeśli wszystkie te rzeczy pchnęły świat w kierunku energii bezemisyjnej, nadal szukalibyśmy energii bezemisyjnej, która kosztowałaby najmniej. Według EPRI może to być energia jądrowa. Ale Steve Specker, prezes EPRI, spodziewa się wyścigu konnego pomiędzy różnymi technologiami węgla zeroemisyjnego.

Zabawa z proliferacją

Poza kwestią kosztów, GNEP może odwrócić skuteczną strategię przeciwko proliferacji, twierdzą różni naukowcy, w tym von Hippel z Princeton. Twierdzi, że ponowne przetwarzanie zużytego paliwa jądrowego stwarza zbyt duże ryzyko, nawet jeśli pluton zostanie zmieszany z małymi ilościami innych materiałów, które nie są dobrym paliwem bombowym. Przeciwnicy twierdzą, że nie tylko pluton ze zużytego paliwa mógłby dostać się w niepowołane ręce, ale ponowne przetwarzanie w Stanach Zjednoczonych może zachęcić inne kraje do samodzielnego przetwarzania odpadów nuklearnych, udostępniając własne produkty uboczne do produkcji broni.

Biorąc pod uwagę, że Stany Zjednoczone zrezygnowały z ponownego przetwarzania z tego właśnie powodu w połowie lat siedemdziesiątych, von Hippel uważa, że ​​teraz, dzięki GNEP, kraj może go ponownie przyjąć. Stany Zjednoczone od 30 lat odnoszą niezwykłe sukcesy w przeciwstawianiu się rozprzestrzenianiu ponownego przetwarzania w stanach nieuzbrojonych, wysuwając argument: „Nie przetwarzamy; Ty też nie musisz – mówi. To część logiki badania MIT z 2003 r., The Future of Nuclear Power, które wykazało, że ponowne przetwarzanie prowadzone przez Francję, Rosję i Japonię nie zapewnia wystarczającej ochrony przed proliferacją. Stwierdzono również, że perspektywa niedoboru uranu nie byłaby powodem do przeprowadzki do ponownego przetwarzania w Stanach Zjednoczonych przez wiele lat.

Łatwo zrozumieć, dlaczego społeczność naukowa jest zachwycona GNEP. Stanowi ogromne źródło funduszy. To sztuczka z bochenkami i rybami dla uprzemysłowionego świata, zwłaszcza dla biurokratów, którzy chcieliby spełnić przepowiednie swoich poprzedników z lat 50., że moc jest zbyt tania, by mierzyć. Ale GNEP nie ma znaczenia dla odrodzenia energetyki jądrowej. W latach 70. i 80. zakłady energetyczne porzuciły ponad 100 projektów reaktorów i dopiero teraz – zachęcone wysokimi cenami paliw kopalnych i zmianą nastawienia społecznego – myślą o ponownej próbie. Fantazyjny cykl paliwowy mający na celu wspieranie rozwijającego się przemysłu komercyjnego jest bezużyteczny, jeśli nie ma przemysłu komercyjnego. To, czego potrzebuje energia jądrowa, to szybkie uruchomienie i zastąpienie źródeł emitujących dwutlenek węgla w ekonomiczny i nudny sposób. Bez tego nic nie nastąpi.

Matthew L. Wald, reporter w waszyngtońskim biurze New York Times , o przemyśle jądrowym pisze od 27 lat.

ukryć