Nowe, bezpieczniejsze reaktory jądrowe, które mogą pomóc w powstrzymaniu zmian klimatycznych

Julian Berman

BP może nie jest pierwszym źródłem informacji o środowisku, ale jego coroczny przegląd energii jest wysoko ceniony przez obserwatorów klimatu. A przesłanie z 2018 r. było surowe: pomimo niepokoju związanego z globalnym ociepleniem, węgiel odpowiadał za 38% światowej mocy w 2017 r. – dokładnie na tym samym poziomie, co w momencie podpisania pierwszego globalnego traktatu klimatycznego 20 lat temu. Co gorsza, emisje gazów cieplarnianych wzrosły w zeszłym roku o 2,7%, największy wzrost od siedmiu lat.

Taka stagnacja doprowadziła wielu decydentów i grupy zajmujące się ochroną środowiska do wniosku, że potrzebujemy więcej energii jądrowej. Nawet badacze ONZ, którzy w przeszłości nie byli entuzjastycznie nastawieni, teraz twierdzą, że każdy plan utrzymania wzrostu temperatury planety poniżej 1,5 °C będzie opierał się na znacznym skoku energii jądrowej.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale zmierzamy w innym kierunku. Niemcy mają zamknąć wszystkie swoje elektrownie jądrowe do 2022 roku; Włochy zagłosowały w referendum za zablokowaniem jakichkolwiek przyszłych projektów w 2011 roku. I nawet jeśli energia jądrowa ma szerokie poparcie społeczne (którego nie ma), jest droga: kilka elektrowni jądrowych w USA zostało niedawno zamkniętych, ponieważ nie mogą konkurować z tanim gazem łupkowym .

Jeśli obecna sytuacja się utrzyma, więcej elektrowni jądrowych zostanie prawdopodobnie zamkniętych i zastąpionych głównie gazem ziemnym, powodując wzrost emisji, przekonywał Union of Concerned Scientists – historycznie nuklearni sceptycy – w 2018 roku. Szacunki sugerują, że jeśli wszystkie te elektrownie zostaną zamknięte, emisje dwutlenku węgla wzrosłyby o 6%.

W tym momencie krytyczna debata nie dotyczy tego, czy wspierać istniejące systemy, mówi Edwin Lyman, pełniący obowiązki dyrektora projektu bezpieczeństwa jądrowego UCS. Bardziej praktyczne pytanie brzmi, czy realne jest rozmieszczenie nowych elektrowni jądrowych w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat w wymaganym tempie.

Na początku 2018 r. istniało 75 oddzielnych zaawansowanych projektów rozszczepienia próbując odpowiedzieć na to pytanie w samej Ameryce Północnej, według think tanku Third Way. Projekty te wykorzystują ten sam rodzaj reakcji, co w konwencjonalnych reaktorach jądrowych, które są używane od dziesięcioleci — rozszczepienie lub rozszczepienie atomów.

Jedną z wiodących technologii jest mały reaktor modułowy (SMR): odchudzona wersja konwencjonalnych systemów rozszczepienia, która ma być tańsza i bezpieczniejsza. NuScale Power z siedzibą w Portland w stanie Oregon ma 60-megawatowy projekt, który jest bliski wdrożenia. (Typowa, kosztowna konwencjonalna elektrownia jądrowa może wytwarzać około 1000 MW mocy).

NuScale ma umowę na zainstalowanie 12 małych reaktorów w celu dostarczania energii do koalicji 46 zakładów energetycznych w zachodnich Stanach Zjednoczonych, ale projekt może być kontynuowany tylko wtedy, gdy członkowie grupy zgodzą się sfinansować go do końca tego roku. Historia sugeruje, że nie będzie to łatwe. W 2011 roku Generation mPower, inny deweloper SMR, miał umowę na budowę do sześciu reaktorów podobnych do NuScale. Miał poparcie właścicieli korporacyjnych Babcock & Wilcox, jednego z największych na świecie producentów energii, ale pakt został odłożony na półkę po mniej niż trzech latach, ponieważ nie pojawili się nowi klienci. Brak zamówień oznaczał, że ceny nie spadną, co sprawiło, że umowa była nie do utrzymania.

Podczas gdy podejście NuScale obejmuje tradycyjne reaktory jądrowe chłodzone lekką wodą i zmniejsza je, tak zwane systemy IV generacji wykorzystują alternatywne chłodziwa. Chiny budują reaktor chłodzony sodem na dużą skalę w prowincji Fujian, który ma rozpocząć pracę do 2023 r., a firma TerraPower z siedzibą w Waszyngtonie opracowuje system chłodzony sodem, który może być zasilany wypalonym paliwem, zubożonym uranem lub uranem prosto z Ziemia. TerraPower — Bill Gates jest inwestorem — zawarł porozumienie z Pekinem w sprawie budowy elektrowni demonstracyjnej do 2022 r., ale ograniczenia administracji Trumpa w handlu z Chinami stawiają jego przyszłość pod znakiem zapytania.

Inny wariant IV generacji, reaktor na stopioną sól, jest bezpieczniejszy niż wcześniejsze konstrukcje, ponieważ może sam się schłodzić, nawet jeśli system całkowicie utraci moc. Kanadyjska firma Terrestrial Energy planuje zbudować w Ontario elektrownię o mocy 190 MW, a jej pierwsze reaktory będą produkować energię przed 2030 r. po kosztach, które według niej mogą konkurować z gazem ziemnym.

Niedługo może zostać uruchomiony jeden reaktor IV generacji. Reaktory o bardzo wysokiej temperaturze chłodzone helem mogą pracować w temperaturze do 1000 °C, a państwowa China National Nuclear Corporation ma we wschodniej prowincji Shandong prototyp o mocy 210 MW, który ma zostać podłączony do sieci w tym roku.

Trzy powody odnowienia nadziei na energetykę jądrową

	Małe reaktory modułowe	Zaawansowane rozszczepienie	Połączenie
	SMR to odchudzona wersja konwencjonalnych reaktorów rozszczepienia. Chociaż wytwarzają znacznie mniej energii, ich mniejszy rozmiar i użycie gotowych komponentów pomagają obniżyć koszty.	Reaktory te zostały zaprojektowane tak, aby były bezpieczniejsze niż tradycyjne reaktory chłodzone wodą, wykorzystując zamiast tego chłodziwa, takie jak płynny sód lub stopione sole. Najbardziej zaawansowany jest reaktor ze złożem żwirowym, chłodzony gazem, takim jak hel; Chiny są gotowe w tym roku podłączyć do sieci pierwszy taki reaktor.	Postęp techniczny jest wciąż powolny po dziesięcioleciach inwestycji, ale firmy termojądrowe koncentrują się na tym, jak powstrzymać plazmę niezbędną do odtworzenia warunków termojądrowych Słońca. Techniki obejmują magnetyczne zamknięcie, które zatrzymuje plazmę w sposób ciągły przy niskim ciśnieniu; inercyjne uwięzienie, przy użyciu laserów i pulsującej plazmy przez nanosekundy na raz; oraz namagnesowaną fuzję celu, która łączy te dwa elementy z impulsami plazmy kontrolowanymi przez magnesy.
Firmy	Moc NuSkali	China National Nuclear Corporation, TerraPower, Terrestrial Energy	ITER, TAE Technologies, General Fusion, Commonwealth Fusion Systems
Moc wyjściowa	50-200 megawatów	190-600 megawatów	100-500 megawatów
Oczekiwana żywotność	60 lat	40-60 lat	35 lat
Koszt	Prototyp o wartości 100 milionów dolarów, 2 miliardy dolarów na rozwój	Łóżka żwirowe: 400 mln do 1,2 mld USD Chłodzona sodem i stopiona sól: prototyp o wartości 1 miliarda dolarów	ITER: obecnie 22 miliardy dolarów Koszt wersji komercyjnej nie jest znany
Dostępny	2026	Łóżko żwirowe w 2019 roku; chłodzony sodem 2025; stopiona sól 2030	Nie wcześniej niż 2035

Jednak dla wielu wielką nadzieją energetyczną pozostaje fuzja jądrowa. Reaktory termojądrowe naśladują proces jądrowy w słońcu, rozbijając lżejsze atomy, aby zamienić je w cięższe i po drodze uwalniając ogromne ilości energii. Na słońcu proces ten jest napędzany grawitacją. Na Ziemi inżynierowie dążą do odtworzenia warunków syntezy jądrowej w niewyobrażalnie wysokich temperaturach — rzędu 150 milionów stopni Celsjusza — ale okazało się, że trudno jest ograniczyć plazmę niezbędną do fuzji atomów.

Jedno rozwiązanie jest budowane przez ITER, wcześniej znany jako Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy, budowany od 2010 roku w Cadarache we Francji. Jego magnetyczny system zamknięcia ma globalne poparcie, ale koszty wzrosły do ​​22 miliardów dolarów z powodu opóźnień i sporów politycznych. Pierwsze eksperymenty, pierwotnie zaplanowane na 2018 r., zostały przesunięte na 2025 r.

General Fusion w Vancouver wykorzystuje kombinację ciśnienia fizycznego i pól magnetycznych do tworzenia impulsów plazmy trwających milionowe części sekundy. Jest to mniej skomplikowane podejście niż ITER, co czyni go znacznie tańszym, ale wyzwania techniczne pozostają, w tym wytwarzanie komponentów tytanowych, które poradzą sobie z obciążeniem. Mimo to General Fusion spodziewa się, że jego reaktory będą gotowe do wdrożenia za 10 do 15 lat.

W międzyczasie firma TAE Technologies z siedzibą w Kalifornii spędziła 20 lat na opracowywaniu reaktora termojądrowego, który przekształca energię bezpośrednio w energię elektryczną. Firma, która otrzymała od inwestorów 500 milionów dolarów, przewidywała w styczniu, że w ciągu pięciu lat będzie komercyjna.

Wielu wyborców po prostu nie wierzy w obietnice firm, że nowe technologie mogą uniknąć starych błędów.

Czy któraś z tych technologii odniesie sukces? Zaawansowane rozszczepienie zmniejsza ilość odpadów nuklearnych — nawet wykorzystując je jako paliwo — i drastycznie zmniejsza ryzyko tragedii takich jak Fukushima czy Czarnobyl. Jednak żadne takie reaktory nie zostały licencjonowane ani rozmieszczone poza Chinami lub Rosją. Wielu wyborców po prostu nie wierzy firmom, gdy obiecują, że nowe technologie mogą uniknąć starych błędów.

Ale to nie tylko polityka: koszt jest również czynnikiem. Zaawansowane rozszczepienie może przyczynić się do zmniejszenia absurdalnie wysokich kosztów początkowych energii jądrowej poprzez stworzenie reaktorów, które mogą być budowane w fabryce, a nie na zamówienie. Spowodowałoby to gwałtowny spadek cen, podobnie jak w przypadku energii wiatrowej i słonecznej. Jednak prywatne firmy rzadko okazują się skuteczne w realizacji tych projektów: największe postępy pochodzą z wysoce scentralizowanych, kierowanych przez państwo programów, które mogą łatwiej absorbować ryzyko.

Dyrektor generalny General Fusion, Chris Mowry, twierdzi, że rozszczepienie po prostu napotyka zbyt wiele barier, aby odnieść sukces. Ma doświadczenie: był założycielem mPower, firmy SMR, która została zlikwidowana w 2014 roku. Reaktory termojądrowe mogą być trudniejsze do zbudowania, sugeruje, ale są bardziej akceptowalne społecznie. To dlatego kapitał wysokiego ryzyka zaczął spływać na fuzje, mówi – inwestorzy są przekonani, że będzie morze chętnych nabywców czekających na tego, kto zdoła sprawić, by to zadziałało jako pierwsze.

Ale czy fuzja naprawdę ma o wiele większe pole manewru? Prawdą jest, że wytwarzane przez nią krótkotrwałe radioaktywne odpady trytu nie stanowią poważnego zagrożenia, a technologia oznacza, że ​​stopienie są niemożliwe. Ale koszty są nadal wysokie, a ramy czasowe wciąż długie – reaktor termojądrowy ITER jest znacznie droższy niż pierwotnie planowano i nie będzie działał przez co najmniej 15 lat. Tymczasem Zieloni politycy w Europie już chcą zamknięcia ITER, a wielu działaczy antynuklearnych nie rozróżnia między rozszczepieniem a fuzją.

Eksperci mogą ustawiać się w kolejce za energią jądrową, ale przekonywanie sceptycznych wyborców to coś innego.

ukryć