Niezawodna energia jądrowa

W lutym przeleciałem przez wnętrze maszyny, która mogłaby reprezentować przyszłość energetyki jądrowej. Byłem na wycieczce w wirtualnej rzeczywistości w Szanghajskim Instytucie Fizyki Stosowanej w Chinach, który planuje w ciągu najbliższych kilku lat zbudować eksperymentalny reaktor, którego konstrukcja znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo stopienia się metalu. Wewnątrz jądra — supergorącego, silnie radioaktywnego miejsca, do którego nigdy nie wejdzie żaden człowiek — warstwy elektrowni oderwały się przede mną: zewnętrzne naczynie ze stali nierdzewnej, wewnętrzna warstwa zaawansowanego technologicznie stopu i wreszcie paliwo jądrowe dziesiątki tysięcy kulek wielkości kuli bilardowej zawierających cząstki materiału radioaktywnego.

Mając bezprecedensowy dostęp do wewnętrznych mechanizmów zaawansowanego chińskiego programu badawczo-rozwojowego w dziedzinie jądrowej, byłem świadkiem narodzin nowej technologii jądrowej. Przez wirtualny reaktor krążył skomplikowany system rurek przenoszących płyn, który czyni ten system wyjątkowym: stopioną sól, która chłodzi reaktor i przenosi ciepło, napędzając turbinę i wytwarzając energię elektryczną. Przynajmniej teoretycznie, ten typ reaktora nie może cierpieć z powodu katastrofalnej awarii, która miała miejsce w Czarnobylu i Fukushimie, czyniąc niepotrzebnymi drogie i zbędne systemy bezpieczeństwa, które podniosły koszty konwencjonalnych reaktorów. Co więcej, nowe elektrownie powinny wytwarzać niewiele odpadów, a nawet mogą pochłaniać istniejące odpady nuklearne. Mogłyby działać na uranie, który zasila 99% elektrowni jądrowych na świecie, lub w końcu na torze, który jest czystszy i występuje w większej ilości. Ostateczny cel Shanghai Institute: zbudować reaktor na stopioną sól, który mógłby zastąpić technologię z lat 70. w dzisiejszych elektrowniach jądrowych i pomóc Chinom odzwyczaić się od węgla zanieczyszczającego powietrze Szanghaju i Pekinu, zapoczątkowując erę taniego , obfita, bezemisyjna energia.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Chiny mają nadzieję, że w ciągu najbliższych dwóch dekad zbudują największy na świecie przemysł energetyki jądrowej . Plany obejmują aż 30 nowych konwencjonalnych elektrowni jądrowych (oprócz 34 reaktorów działających obecnie), a także różnorodne reaktory nowej generacji, w tym reaktory toru ze stopioną solą, reaktory wysokotemperaturowe chłodzone gazem (które, podobnie jak - reaktory solne są zarówno wysoce wydajne, jak i z natury bezpieczne) oraz reaktory prędkie chłodzone sodem (które mogą zużywać wypalone paliwo z reaktorów konwencjonalnych do wytwarzania energii elektrycznej). Chińscy planiści chcą nie tylko radykalnie zwiększyć krajową moc jądrową w kraju, ale także stać się wiodącym światowym dostawcą reaktorów jądrowych i komponentów, co dla wielu zachodnich obserwatorów jest niepokojące.

Wysiłki Shanghai Institute zmierzające do opracowania reaktorów na stopioną sól, technologii, która od dziesięcioleci jest prawie zapomniana w Stanach Zjednoczonych, odzwierciedla śmiałe ambicje nuklearne Chin. Już teraz rząd zainwestował około dwóch miliardów chińskich renminbi (300 milionów dolarów) w ciągu ostatnich pięciu lat w badania i rozwój w zakresie stopionej soli. Budowa rzeczywistych elektrowni będzie wymagała dziesiątek miliardów więcej. Podobnie jak w przypadku innych innowacyjnych technologii jądrowych opracowywanych na całym świecie, istnieje niewiele gwarancji: chociaż ludzie mają małe, eksperymentalne reaktory na stopioną sól, nikt nigdy nie zbudował takiego na skalę przemysłową i nie podłączył go do sieci. Mimo to chiński rząd spodziewa się, że w ciągu 15 lat powstanie i będzie działać elektrownia o wielkości komercyjnej, która pomoże ożywić nękany przemysł energetyki jądrowej.

Pierwsze eksperymenty z reaktorami stopionej soli zostały przeprowadzone w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, pod kierownictwem Alvina Weinberga pod koniec lat pięćdziesiątych. Dzisiejszy chiński program jest w rzeczywistości owocem wyjątkowego i nieco kontrowersyjnego partnerstwa między Oak Ridge i Shanghai Institute. Amerykański program badawczy trwał ponad dekadę, ale ostatecznie został zamknięty na korzyść technologii stosowanej w ogromnej większości dzisiejszych elektrowni jądrowych. Z perspektywy czasu ta decyzja przyczyniła się nie tylko do upadku obiecującej technologii jądrowej, ale także do długiej stagnacji przemysłu.

Dziś jednak świat potrzebuje energii jądrowej bardziej niż kiedykolwiek, jeśli mamy ograniczyć zmiany klimatyczne. Według Międzynarodowej Agencji Energii światowa moc jądrowa musi wzrosnąć ponad dwukrotnie do połowy stulecia jeśli mamy pozostać w granicach 2 °C przed ociepleniem. W obecnej sytuacji wydaje się to mało prawdopodobne. Kilka krajów, w tym Chiny i Indie, rozpoczęło masową rozbudowę energii jądrowej, ale większość będzie wymagała dużych, konwencjonalnych reaktorów – technologii, która jest zbyt droga dla większości reszty świata. Nawet kraje takie jak Niemcy, które mogą sobie pozwolić na energię jądrową, wycofują się z niej, ponieważ obawiają się kolejnej katastrofy. To sprawia, że ​​bezpieczne w razie awarii elektrownie jądrowe opracowywane w Instytucie w Szanghaju są niezwykle pilne.

Świat potrzebuje energii jądrowej bardziej niż kiedykolwiek, jeśli mamy ograniczyć zmiany klimatyczne.

Po mojej wirtualnej wycieczce Kun Chen, jeden z czołowych naukowców programu stopionej soli, odprowadził mnie z powrotem do głównego budynku administracyjnego instytutu. W nocy spadł śnieg i było przejmująco zimno. W audytorium mały tłum pracowników zebrał się, by porozmawiać z Xu Hongjie, dyrektorem programu stopionej soli. To był tydzień przed długim księżycowym świętem Nowego Roku i tej nocy odbywał się doroczny bankiet instytutu. Xu przez ponad dwie godziny mówił o historii technologii stopionej soli i jej perspektywach na przyszłość.

To było marzenie Chin od pół wieku, powiedział. Wcześniej brakowało nam niezbędnej wiedzy i umiejętności, aby to urzeczywistnić. Teraz mamy zasoby, technologię i wiedzę. Teraz możemy to zrobić.

Reakcje łańcuchowe

Alvin Weinberg po raz pierwszy przybył do Oak Ridge w 1945 roku, zaraz po wybudowaniu laboratoriów na wzgórzach północnego Tennessee do produkcji uranu i plutonu przeznaczonego do broni. Weteran Projektu Manhattan, Weinberg został dyrektorem szybko rozwijającego się laboratorium krajowego w 1955 r. i piastował tę funkcję do 1973 r. Był pionierem fizyki jądrowej i filozofem energetyki jądrowej, który użył wyrażenia faustowskie targowanie się, aby opisać napięcie między pragnieniem obfitości energii w uprzemysłowionym społeczeństwie a nadzwyczajną czujnością niezbędną do zapewnić bezpieczeństwo energii jądrowej. Uważał, że aby to źródło energii było zarówno czyste, jak i niezwykle tanie, musiałby zostać zerwany związek między energią jądrową a bronią jądrową. A sposobem na zerwanie tego połączenia był reaktor toru ze stopioną solą.

Pod kierownictwem Weinberga zespół entuzjastycznych młodych chemików, fizyków i inżynierów eksploatował mały, eksperymentalny reaktor na stopioną sól w latach 1965-1969. Ten reaktor w Oak Ridge pracował na uranie; Ostatecznym celem Weinberga było zbudowanie takiego, który działałby wyłącznie na torze, który w przeciwieństwie do uranu nie może być łatwo przerobiony na bombę. Ale eksperyment ze stopioną solą został porzucony na początku lat siedemdziesiątych. Jednym z ważnych powodów było to, że Weinbergowi udało się zrazić przełożonych, ostrzegając przed niebezpieczeństwami konwencjonalnej energii jądrowej w czasie, gdy dziesiątki takich reaktorów było już w budowie lub w fazie planowania.

Do końca stulecia Stany Zjednoczone zbudowały 104 reaktory jądrowe, ale budowa nowych prawie się zatrzymała, a technologia utknęła w latach 70. XX wieku. Ponieważ konwencjonalne reaktory wymagają ogromnych, kosztownych zbiorników zabezpieczających, które mogą wybuchnąć w ekstremalnych warunkach, oraz ponieważ wykorzystują rozbudowane zewnętrzne systemy chłodzenia, aby zapewnić, że rdzeń na paliwo stałe nie przegrzeje się i nie spowoduje niekontrolowanej reakcji prowadzącej do stopienia, są one ogromnie kosztowny. Dwa nowe reaktory budowane obecnie w Gruzji mogą kosztować 21 miliardów dolarów, czyli o 50 procent więcej niż pierwotnie szacowano na 14 miliardów dolarów. Wszystko to dla 40-letniej technologii.

Dziś jednak, gdy zmiany klimatyczne przyspieszają, a urzędnicy rządowi i naukowcy poszukują technologii jądrowej bez kosztownych problemów, które zablokowały konwencjonalną wersję, stopiona sól przeżywa renesans. Firmy takie jak Energia naziemna , Moc transatomowa , Moltex , oraz Energia Flibe walczą o opracowanie nowych reaktorów na stopioną sól. Programy badawcze dotyczące różnych form technologii są prowadzone na uniwersytetach i instytutach w Japonii, Francji, Rosji i Stanach Zjednoczonych, oprócz tego w Instytucie w Szanghaju. Oprócz prac nad opracowaniem reaktorów na paliwo stałe, chłodzonych stopioną solą (takich jak ten, który zwiedziłem praktycznie w Szanghaju), istnieją jeszcze bardziej radykalne projekty, które również wykorzystują materiały radioaktywne rozpuszczone w stopionej soli jako paliwo (tak jak w eksperymencie Weinberga ).

Jak wszystkie elektrownie jądrowe, Reaktory na stopioną sól wzbudzają atomy w materiale radioaktywnym aby stworzyć kontrolowaną reakcję łańcuchową. Reakcja uwalnia ciepło, które gotuje wodę, tworząc parę, która napędza turbinę do wytwarzania energii elektrycznej. Reaktory na paliwo stałe chłodzone stopioną solą mogą pracować w wyższych temperaturach niż reaktory konwencjonalne, dzięki czemu są bardziej wydajne i działają pod ciśnieniem atmosferycznym – co oznacza, że ​​nie wymagają drogich zbiorników, które pękły w Czarnobylu. Reaktory ze stopioną solą, które wykorzystują paliwo płynne, mają jeszcze bardziej atrakcyjną zaletę: gdy temperatura w rdzeniu osiąga pewien próg, ciecz rozszerza się, co spowalnia reakcje jądrowe i pozwala na ochłodzenie rdzenia. Aby wykorzystać tę właściwość, reaktor zbudowany jest jak wanna, z korkiem spustowym w dnie; jeśli temperatura w rdzeniu jest zbyt wysoka, korek topi się, a paliwo spływa do osłoniętego zbiornika, zwykle pod ziemią, gdzie jest bezpiecznie przechowywane podczas ochładzania. Reaktory te powinny być w stanie wykorzystać więcej energii dostępnej w materiałach radioaktywnych niż konwencjonalne. Oznacza to, że powinni radykalnie zmniejszyć ilość odpadów nuklearnych, które muszą być przetwarzane i składowane.

Ponieważ nie wymagają ogromnych konstrukcji zabezpieczających i potrzebują mniej paliwa do wytworzenia takiej samej ilości energii elektrycznej, reaktory te są bardziej kompaktowe niż dzisiejsze elektrownie jądrowe. Mogłyby być produkowane masowo, w fabrykach i łączone w tablice, tworząc większe elektrownie.

Wszystko to powinno sprawić, że będą tańsze w budowie. W przeciwieństwie do energii wiatrowej i słonecznej, które z biegiem czasu stały się znacznie tańsze, elektrownie jądrowe stały się znacznie droższe. Według amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej skorygowany o inflację koszt budowy elektrowni jądrowej wzrósł z 1500 USD za kilowat mocy na początku lat 60. do ponad 4000 USD za kilowat w połowie lat 70. XX wieku. W swoich ostatnich obliczeniach z 2013 r. EIA ustaliła, że ​​kwota ta wzrosła do ponad 5500 USD – drożej niż elektrownia słoneczna lub lądowa farma wiatrowa io wiele więcej niż elektrownia na gaz ziemny. Ten koszt początkowy jest wzmocniony przez duże rozmiary reaktorów; przy średniej podanej przez EIA, jednogigawatowa elektrownia kosztowałaby 5,5 miliarda dolarów, co jest ryzykowną inwestycją dla każdej firmy.

Te koszty początkowe są równoważone przez fakt, że elektrownie jądrowe są stosunkowo tanie w eksploatacji: w nowych elektrowniach uśredniony koszt energii elektrycznej, który mierzy koszt energii wytwarzanej przez cały okres eksploatacji elektrowni, wynosi 95 USD za megawatogodzinę, zgodnie z do EIA — porównywalne z kosztem energii elektrycznej z elektrowni węglowych i mniej niż energia słoneczna (125 USD za megawatogodzinę). Mimo to elektrownie na gaz ziemny są znacznie tańsze w budowie, a koszt wytwarzanej przez nie energii elektrycznej (75 dolarów za megawatogodzinę, według EIA) jest również niższy. Zaostrzenie przepisów dotyczących emisji dwutlenku węgla sprawia, że ​​energia jądrowa jest bardziej atrakcyjna, ale obniżenie kosztów budowy ma kluczowe znaczenie dla przyszłości bezemisyjnej energetyki jądrowej.

Taką opinię przedstawia nowy zbiór startupów pracujących nad zaawansowanymi reaktorami jądrowymi, z których kilka jest finansowanych przez inwestorów z Doliny Krzemowej. Na przykład Transatomic Power została założona przez dwóch doktorów MIT, Leslie Dewan i Marka Massie, którzy zaprojektowali elektrownię o mocy 520 megawatów (mniej więcej wielkości dzisiejszej przeciętnej elektrowni węglowej), którą ich zdaniem można zbudować za 2 miliardy dolarów. lub 3846 USD za kilowat mocy. Jest to zgodne z kosztem budowy elektrowni słonecznej, ale miałoby ogromną zaletę w postaci możliwości ciągłego wytwarzania energii, nie tylko wtedy, gdy świeci słońce. Terrestrial Energy, który niedawno wygrał grant badawczy od rządu kanadyjskiego na budowę prototypowego reaktora, twierdzi, że jego reaktor na stopioną sól mógłby ostatecznie zostać zbudowany już za 2000 dolarów za kilowat.

Ale chociaż projekty wykorzystujące stopioną sól pobudziły pomysłowych młodych technologów, uzyskanie licencji na nowatorską technologię energetyki jądrowej i zbudowanie jej w Stanach Zjednoczonych pozostaje zniechęcającą perspektywą. Samo ubieganie się o licencję do Komisji Dozoru Jądrowego może trwać latami i kosztować setki milionów dolarów, dlatego niektóre z tych startupów mogą nigdy nie ruszyć z miejsca. Co więcej, nawet 2 miliardy dolarów to dużo pieniędzy, które inwestorzy i przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą wydać na niesprawdzoną technologię o wątpliwych korzyściach finansowych. Dlatego program najbliższy produkcji działającego reaktora znajduje się w Chińskiej Republice Ludowej.

Myśl na wielką skalę

Nawet gdy pierwotny eksperyment z technologią stopionej soli dobiegał końca w Stanach Zjednoczonych w latach 70., niewielka grupa naukowców z Shanghai Institute of Applied Physics, będącego częścią Chińskiej Akademii Nauk, rozpoczynała własne badania nad paliwem toru. reaktory ze stopioną solą. Jednak Chinom, które nie uruchomiły swojej pierwszej elektrowni jądrowej dopiero w 1991 roku, brakowało wiedzy i pieniędzy na opracowanie zaawansowanych maszyn i drogich materiałów w zaawansowanych reaktorach. W XXI wieku, podobnie jak wszystkie inne kraje dysponujące energią jądrową, Chiny polegały na reaktorach konwencjonalnych. Ale żar koncepcji wciąż płonął w umysłach chińskich naukowców nuklearnych.

Linie czasowe są agresywne, przynajmniej jak na standardy wolno rozwijającego się przemysłu jądrowego.

Z chińskiego punktu widzenia tor ma szczególną zaletę: podczas gdy Chiny kontynentalne mają niewielki procent światowego uranu, mają dużo toru. Posiadanie obfitego źródła energii bezemisyjnej rozwiązałoby kilka dylematów energetycznych Chin za jednym razem. W oczach rządu centralnego nie jesteśmy tu po to, by tworzyć dojrzałe technologie – musimy stworzyć coś nowego, coś strategicznego – mówi Kun Chen, naukowiec zajmujący się stopioną solą, który prowadził moją wirtualną wycieczkę po Szanghaju. Musisz myśleć na wielką skalę.

Wykształcony na prestiżowym Uniwersytecie Nauki i Technologii Chin w Hefei, Chen uzyskał stopień doktora na Uniwersytecie Indiana i przez kilka lat pracował w Argonne National Laboratory (które, podobnie jak Oak Ridge, jest częścią Departamentu Energii USA). Ale wrócił do Chin, aby zbudować reaktor, który zmieni świat.

Usłyszał o tym w 2009 roku, kiedy odwiedził Szanghaj, aby wygłosić seminarium w Instytucie Fizyki Stosowanej. Tamtejszy naukowiec opowiedział mu o reaktorze z torem na stopioną sól – projekcie, który nie został jeszcze sfinansowany ani ogłoszony. Nasz zespół otrzymał większość dokumentów technicznych z sieci — zostały one opublikowane przez zespół z Oak Ridge, wspomina Xu Hongjie, dyrektor programu stopionej soli, kręcąc głową z podziwu lub zdumienia otwartością Amerykanów. Zamieścili tam wszystko za darmo.

Za namową Xu Chen dołączył do Instytut Szanghajski w 2010 roku, a dziś odpowiada za współpracę z Oak Ridge. Amerykańskie laboratorium wnosi do projektu badania nad materiałami, systemami sterowania i symulacjami komputerowymi i zbudowało duży obiekt do testowania stopionej soli który został sfinansowany przez Chińską Akademię Nauk. Podczas gdy niektórzy naukowcy i zwolennicy energii jądrowej zaciekle sprzeciwiają się pomysłowi pomocy Chinom w budowie wiodącego na świecie przemysłu jądrowego, wielu inżynierów z Oak Ridge po prostu chce zobaczyć gdzieś zbudowane reaktory na stopioną sól. Jedną z ważnych rzeczy, o których należy zdać sobie sprawę, jest to, że wiele kluczowych osób w reaktorach na stopioną sól bardzo szybko przechodzi na emeryturę lub odchodzi, mówi David Holcombe, który kieruje współpracą Oak Ridge z Instytutem w Szanghaju. Nie możesz po prostu zaimportować nowego zestawu pracowników, jeśli zamierzamy utrzymać tę zdolność. Chiny zapewniają finansowanie, które pozwala nam na transfer tej wiedzy, aby zdobyć praktyczne doświadczenie w budowie i eksploatacji tych reaktorów.

Uderzyła mnie pewność siebie i idealizm młodych naukowców pracujących w instytucie – optymizm niespotykany od dziesięcioleci w kręgach nuklearnych USA.

Na początek Shanghai Institute planuje zastosować podejście hybrydowe, używając stopionej soli do chłodzenia rdzenia na paliwo stałe, podobnego do tego w konwencjonalnych elektrowniach jądrowych. Następnie, jak mówi Chen, zespół przejdzie do paliw płynnych, aby w pełni wykorzystać potencjał technologii w zakresie bezpieczeństwa i wydajności. Początkowo paliwem będzie uran, ale chińscy inżynierowie planują później przejść na tor.

Linie czasowe są agresywne, przynajmniej jak na standardy przemysłu jądrowego. Instytut w Szanghaju zamierza do 2030 r. uruchomić komercyjną elektrownię na paliwo stałe, a do 2035 r. demonstracyjny reaktor na paliwo ciekłe o mocy 100 megawatów. Jak powiedział mi Chen, znaczna część obecnych prac koncentruje się na rozwiązywaniu złożonych problemów związanych z hydrauliką silnie żrąca stopiona sól. Uderzyła mnie pewność siebie i idealizm młodych naukowców pracujących w instytucie – optymizm niespotykany w amerykańskich kręgach nuklearnych od czasów Weinberga.

Ostatniego dnia mojego pobytu w Szanghaju Kun Chen i ja spacerowaliśmy po terenie instytutu. Śnieg prawie zniknął, ale lodowaty wiatr nadal był ostry. Pokazał mi najnowszy projekt budowlany kampusu: trzykondygnacyjny budynek wielkości magazynu, w którym mieścił się program stopionej soli toru. Wszystkie laboratoria chemiczne, wszystkie warsztaty mechaniczne, wszystkie komputery, wszystkie biura, pętle testowe, pompy i prototypy będą się tutaj mieścić, gdy budynek zostanie otwarty jeszcze w tym roku. Wtedy była to tylko skorupa, ale symbol zaangażowania Chin w następną erę nuklearną. Marzenie amerykańskich naukowców z Oak Ridge, pół wieku temu, nabiera kształtu tutaj, tysiące mil stąd.

ukryć