Den bedste nukleare løsning

Forestil dig en atomindustri, der kan drive Amerika i årtier ved at bruge sit eget radioaktive affald, og brænde de dele af nutidens reaktoraffald op, som er sværest at bortskaffe. Tilføj teknologi, der tager atomavner, uran, der blev udvundet og behandlet, men som for det meste var ubrugelig, og omdanner det til endnu mere brændstof. Tilføj derefter en global forretningsmodel, der gør det meget mindre sandsynligt, at reaktorbiprodukter såsom plutonium vil finde vej til atomvåben i lande som Iran, selv når økonomisk atomkraftteknologi bliver tilgængelig for hele verden.

Det amerikanske energiministerium fremmer langt ude affaldsgenbrugsteknologier, der kræver nye reaktordesigns. Men opdaterede konventionelle designs som GE's økonomiske forenklede kogende vand-reaktor (vist her) er klar i dag. (Kredit: Bryan Christie)

Det er det lokkende tredobbelte spil, som Bush-administrationen håber at vende med det Global Nuclear Energy Partnership (GNEP), som den afslørede tidligere på året, et foreslået langsigtet forsknings- og udviklingsprogram, næsten lige så dristig som Manhattan-projektet. De grundlæggende brændstofoparbejdningskoncepter i hjertet har været i gang i mere end et halvt århundrede. Nu bliver de udråbt på ny som en måde at give rigeligt kulfrit brændstof til en energihungrende verden truet af menneskeskabte klimaændringer.

Denne historie var en del af vores juli-udgave 2006

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I henhold til planen, som administrationen har anmodet om 250 millioner dollars for for regnskabsåret, der begynder den 1. oktober, ville USA og visse partnerlande behandle brugt nukleart brændsel ved hjælp af nye teknikker, der ville gøre noget af det til mere brændstof og minimere mængden, der kræver bortskaffelse . USA og dets partnere ville også lease reaktorbrændsel til andre lande, som derefter ville returnere deres brugte brændsel for at blive oparbejdet.

Teknologien kunne udnytte uran langt mere effektivt: Phillip J. Finck, associeret direktør ved Argonne National Laboratory nær Chicago, siger, at den kunne udvinde op til 100 gange så meget energi fra uran, som det nu er muligt. Med det affald, der nu er hobet op ved reaktorer rundt om i USA, lyder teorien, at GNEP kunne producere al den elektricitet, landet har brug for i årtier, måske endda århundreder – forudsat at der kunne bygges nok af de nødvendige nye reaktorer. Det ville eliminere omkring en tredjedel af alle amerikanske kuldioxidemissioner (omtrent den del, der i dag kommer fra fossile brændselskraftværker). Alt dette samtidig med at man reducerer spild og forhindrer omdirigeringen af ​​brændstof til atomvåben.

Multimedier

• Video: Forskere udtaler sig om truslen fra global opvarmning og hvordan man håndterer den.

I praksis ville det dog i det bedste scenario tage årtier at udvikle GNEP, og i det værste ville det måske ikke producere noget; det kan vise sig at være en ikke-starter af tekniske årsager, eller teknologien kan være økonomisk ukonkurrencedygtig med andre kulstoffrie elektricitetskilder. Og programmet kunne underminere et mere beskedent og opnåeligt mål: genoplivning af en atomindustri, der ikke har lanceret et vellykket reaktorprojekt siden 1974.

I dag har en offentlighed, der engang var på vagt over for atomenergi, åbnet op for det som et muligt svar på global opvarmning. Nye reaktordesigns svarende til dem, der bruges i nutidens kommercielle flåde - men siges at være sikrere og mere effektive - er allerede godkendt eller under revision af U.S. Nuclear Regulatory Commission. Værktøjer er i forskellige stadier af planlægning af mindst 16 sådanne reaktorer (se Omrøring af fornyelse diagram ) og kan indgive ansøgninger til NRC allerede i slutningen af ​​næste år.

Sådanne reaktorer er det mest lovende alternativ på kort sigt til yderligere konventionelle kulanlæg, der producerer enorme mængder kuldioxid. Men det er usikkert, hvornår eller om de bliver bygget. Hvis det skal ske, skal branchen overtale investorerne til at tage et stort dyk. Det betyder at overbevise dem om, at anlæggene vil konkurrere økonomisk med andre iboende lave kulstof-emitterende kilder, såsom vindmøller, eller med kulværker, der binder deres kuldioxid - en teknologi, der kan opnås, men som endnu ikke er blevet demonstreret (se Den beskidte hemmelighed) . Ifølge Electric Power Research Institute (EPRI), en nonprofit forsyningsforskningsorganisation baseret i Palo Alto, Californien, hvis medlemmer omfatter ejere af kul- og atomkraftværker, kan de kortsigtede reaktordesigns næppe være billigere end sekvestreringsteknologien. Og hvis USA ikke sætter nogen begrænsninger på kulstofemissioner, bliver atomkraft nødt til at blive ved med at konkurrere med konventionelle kulværker.

I mellemtiden venter industrien stadig på en løsning på sit hovedproblem på kort sigt: hvad skal man gøre med affald, der hober sig op på eksisterende atomkraftværker. Skip Bowman, præsident og administrerende direktør for Nuclear Energy Institute, industriens handelsgruppe, siger, at uden en hurtig affaldsløsning vil nutidens foreløbige renæssance gå skrigende i stå. En virksomhed kan ikke få en licens til et nyt anlæg uden en plan for affaldet, og på nuværende tidspunkt er det ikke en plan at vente på, at Energiministeriet åbner sit længe forsinkede Yucca Mountain-affaldsdepot i Nevada. I denne sammenhæng, siger Bowman, præsenterer GNEP en distraktionsfaktor.

Nogle akademikere er enige i, og siger, at energiministeriet er nødt til at skabe en klar nuklear strategi og holde fast i den. Andrew Kadak, en nuklear ingeniør ved MIT (se DOEs slørede nukleare syn) , siger afdelingen har fulgt zigzag-politikker. Han regner GNEP som det femte nukleare initiativ inden for de sidste fem år, med henvisning til Nuclear Hydrogen Initiative; Nuclear Power 2010 (et forsøg på at bryde jorden på en ny konventionel reaktor inden det år); Generation IV (en ny suite af reaktorteknologier, såsom gaskølede eller blykølede anlæg); og Advanced Fuel Cycle Initiative, som dele af GNEP ligner.

Hvis Energiministeriet vil reducere udledningen af ​​kuldioxid ved at fremme den lovede genoplivning af atomenergi, skal det skynde sig, før elselskaberne fylder markedet med konventionelle kulværker, der kan holde i 50 år. GNEP kan kun svække afdelingens fokus og tilføje omkostninger og kompleksitet med nye uafprøvede teknologier.

Hurtige reaktorer, langsom fremgang

GNEP er en meget langsigtet vision; det meste af de oprindelige 250 millioner dollars ville blive brugt bare på at studere, hvordan de nye teknologier kunne fungere, og hvad de ville koste. Men dens fortaleres tankegang er, at vi brug for en meget langsigtet vision. Energiministeriet forudser, at 1.000 atomkraftværker vil køre på verdensplan i midten af ​​århundredet, op fra 441 i dag. Og den eksisterende uranforsyning, hævder GNEP-fortalere, vil ikke fodre så mange reaktorer.

Størrelsen af ​​uranforsyningen er faktisk ukendt, for uran har været igennem en lang periode med pressede priser, og det er ikke mange, der har ledt efter det på det seneste. Ifølge industrikilder vides der at eksistere omkring 3 millioner tons, men yderligere 12 millioner tons eller deromkring kan være derude. (En MIT-undersøgelse i 2003 forudsagde, at der stadig var nok uran til rådighed til at bygge 1.000 reaktorer og drive dem i 40 år.) I det omfang, vi måske bliver nødt til at strække denne ressource, tilbyder GNEP en måde – i det mindste på papiret – til at genvinde enorme mængder ekstra energi fra det.

Eksisterende reaktorer genererer energi gennem en kædereaktion, der begynder, når en fri neutron rammer et atom af U-235, en isotop af uran, og spalter dens kerne. Det splittede atom kaster to eller tre neutroner af sig; normalt spalter man et andet U-235-atom, og andre absorberes af atomer fra en anden uraniumisotop, U-238, for at danne plutonium-239 og andre transuraniske grundstoffer (dem uden for uran i det periodiske system). Disse transuraner er sammen med fissionsprodukter såsom cæsiumisotoper blandt komponenterne i nukleart affald.

Problemet er, at U-235 er en relativt sjælden isotop; naturligt uran består af omkring en del U-235 til 142 dele U-238, som ikke er så let at spalte. Uran, der bruges til reaktorer, beriges, så U-235 opstår i en koncentration på én del i 20. GNEP ville bruge uran mere effektivt ved at brænde transuraner fra brugt brændsel, efter at de er adskilt fra de andre biprodukter gennem oparbejdning. Det kunne også udnytte noget af U-238. Nøglen ville være at udvikle en ny generation af reaktorer, kaldet hurtige reaktorer.

Reaktorer, der afkøles af vand, som næsten alle reaktorer er i dag, bremser neutronerne betydeligt, efter at de er frigivet af kædereaktionen. Men reaktorerne foreslået af GNEP ville ikke; de ville bruge et andet materiale, sandsynligvis smeltet metal, til at bringe varmen væk. (Desværre brænder det foretrukne metal til dette formål – natrium – ved kontakt med vand eller luft.) Som en billardkugle skudt af en mere kraftfuld kø, ville neutronerne give et større slag – nok til at dele noget af U-238 som samt de transuraniske isotoper.

Transuranerne er tilfældigvis blandt de længstlevende materialer i affaldsstrømmen, og dermed nogle af de sværeste at bortskaffe. Det er det, der får GNEP til at virke så tiltalende som ikke kun en klimaændringsløsning, men også en affaldsløsning. Finck siger, at det teoretisk ville reducere varmen og toksiciteten af ​​det, der i dag betragtes som affald nok til at få Yucca Mountain til at holde gennem dette århundrede, i stedet for at være fuldt booket, før det første brændstofbundt er begravet.

Atomkraftpionerer i industri og regering har altid antaget, at brændstof ville blive oparbejdet for at genvinde plutonium til genbrug. Sådan oparbejdning er den måde, Manhattan-projektet indsamlede plutonium til bomben, der ødelagde Nagasaki. (Hiroshima-bomben brugte beriget uran.) W. R. Grace åbnede et oparbejdningscenter i West Valley, NY, i 1965 og solgte det senere til Getty Oil. Anlægget kørte indtil 1972 og kostede mere end 1,6 milliarder dollars at rydde op. General Electric forsøgte også at bygge en fabrik i Morris, IL, men den blev anset for ubrugelig i 1974. Så forbød præsident Carter teknologien på grund af spredningsbekymringer.

GNEP ville bringe disse ideer tilbage fra graven i en meget mere ambitiøs form, der rejser sådanne bekymringer igen. En bekymring er måden det bombeanvendelige materiale ville blive udvundet fra det brugte brændstof. Bagmændene siger, at GNEP ville reducere risikoen for spredning, fordi i modsætning til de gamle oparbejdningsteknikker, der stadig bruges i nogle lande, ville de nye ikke give rent plutonium. Men i dag er otte kilo plutonium - den mængde, der kræves for at lave en bombe - indlejret i omkring et metrisk ton højradioaktivt affald; i det nye system ville det blive fortyndet med kun en lille mængde andre materialer. Regeringer eller terrorister ville finde det langt nemmere at stjæle det adskilte materiale og udvinde plutonium, siger kritikere, end de ville have at genvinde plutonium fra nutidens brugte nukleare brændsel.

Energiminister Samuel Bodman, der diskuterede GNEP, lovede, at den ville reagere på udfordringerne fra global terrorisme. Ideen er at babysikre brændstofkredsløbet: lande som Iran kunne lease brændstof beriget til reaktorniveauer – 5 procent U-235 – men ikke til bombeniveauer, typisk større end 90 procent U-235. De ville sende deres brugte brændsel tilbage til mere sikre lande til oparbejdning og en anden runde inde i de avancerede reaktorer. Disse reaktorer, som ville brænde mange af de grundstoffer, der produceres i de mere simple reaktorer, ville være placeret på stabile steder som Indiana eller Florida - eller i lande, der allerede har atomvåben.

Det resulterende partnerskab ville gøre den amerikanske politik for nuklear teknologi mere lig Ruslands og Frankrigs, som begge allerede adskiller plutonium. Fortalere nævner dette som en ekstra bonus ved et program, der, siger Finck, vil give USA en langsigtet, overkommelig, kulstoffri energikilde med lav miljøbelastning.

GNEP Mirage

Men GNEP kan være et fatamorgana. For det første aner sponsorerne næsten ikke, hvad det ville koste; de 250 millioner dollars, som Bush-administrationen foreslår, er til et program, der håber at finde ud af det. GNEP-støttere siger, at deres teknologi vil udvide forsyningen af ​​atombrændsel nok til at reducere kulstofemissionerne praktisk talt for evigt og tillade os at undgå spøgelset ved at vælge mellem global opvarmning og energi til meget høje priser. Det ser dog ud til, at det kun kan være praktisk at spare penge på nukleart brændsel, hvis prisen ikke er noget formål.

Richard L. Garwin, en IBM-stipendiat emeritus og medforfatter til syv bøger om atomvåben og atomkraft, anslår, at eksisterende oparbejdningsanlæg som det, der opererer i Frankrig, forsyner reaktorer med plutonium til en pris på cirka 1.000 dollars pr. kilogram sparet uran. Men markedsprisen på uran, påpeger han, er omkring 100 dollars pr. kilogram, og det kan være på et midlertidigt højdepunkt.

Brændstof er kun en del af omkostningerne ved atomkraft, og Finck siger, at oparbejdning af brændstof og genbrug af det i hurtige reaktorer kun vil tilføje omkring 10 procent til de samlede energiomkostninger. Men hvor selv den beskedne stigning ville komme fra, er ikke klart. Frank N. von Hippel, en fysiker og politikekspert ved Princeton University's Woodrow Wilson School of Public and International Affairs, bemærker, at USA satte sig for at bygge en hurtig reaktor i 1970'erne, men droppede indsatsen i 1983 efter Frankrig, Tyskland og Det Forenede Kongerige byggede dem og forlod dem derefter som for dyre og vanskelige. Og når først de hurtige reaktorer er bygget, kan det system, som GNEP forestiller sig, kræve så mange som en af ​​de dyre nye reaktorer for hver tredje almindelige, ifølge sponsorer, afhængigt af hvor effektive de nye reaktorer var. Garwin siger om de hurtige reaktorer: Der er ingen forestilling om, at disse ting kommer økonomisk.

Jeg håber, at vi får flere reaktorer; Jeg håber bestemt, at verden vil have flere, siger Garwin med henvisning til de typer, der opererer kommercielt i dag. Men det vil kun ske, hvis det ser økonomisk rentabelt ud for den private industri at komme ind på dette område. Og lige nu går en masse smarte penge - nogle af dem kanaliseret gennem Energiministeriet - ikke kun til den konventionelle atomkraft, men også til andre kulfrie energikilder, såsom vind, sol og kul med kuldioxidbinding.

EPRI analyserede for nylig priserne på kulstoffri elektricitetskilder og fandt ud af, at hvis, som fabrikanterne hævder, nye reaktorer kunne bygges for $1.700 pr. kilowatt kapacitet (mindre end prisen i 1980'erne, selv før justering for inflation), ville de producere elektricitet til omkring $49 per megawatt-time. Selvom det er omkring to tredjedele af prisen på biomasse og halvdelen af ​​prisen på vind, kan andre teknologier på tegnebrættet gøre arbejdet for meget lidt mere. For omkring $55 per megawatt-time, fandt EPRI, kunne kul forgasses og brændes, og kuldioxiden sekvestreres. Kraftværker, der kører på forgasset kul, er ikke blevet kommercialiseret endnu, men der kunne bygges konventionelle pulveriserede kulværker, der ville binde deres kuldioxid, og de ville producere strøm til omkring $65 per megawatt-time. Disse teknologier opfattes af investorer som lavere risiko, og USA har flere hundrede års kul.

Om nogle få år eller et par årtier kan kulstofafgifter være universelle i den industrielle verden, en krig i Den Persiske Golf kan få olieprisen til at fordobles eller tredobles, og efterspørgslen efter elektricitet kan stige - især hvis nogen fandt på en bedre batteri, der kunne masseproduceres til elbiler. Men selvom alle disse ting skubbede verden mod kulstoffri energi, ville vi stadig lede efter den kulstoffri energi, der koster mindst. Det kunne være atomenergi, ifølge EPRI. Men Steve Specker, formanden for EPRI, forventer et hestevæddeløb mellem forskellige kulstoffri teknologier.

Leger med spredning

Ud over omkostningsproblemet kunne GNEP vende en succesfuld strategi mod spredning, siger en række videnskabsmænd, herunder Princetons von Hippel. Han argumenterer for, at oparbejdning af brugt nukleart brændsel skaber en for stor risiko, selvom plutoniumet blandes med små mængder af andre materialer, der ikke danner godt bombebrændstof. Ikke alene kunne plutonium fra brugt brændsel falde i de forkerte hænder, siger modstandere, men oparbejdning i USA kan tilskynde andre lande til selv at oparbejde atomaffald og gøre deres egne biprodukter tilgængelige for våben.

I betragtning af at USA opgav oparbejdning i midten af ​​1970'erne netop af den grund, finder von Hippel det ildevarslende, at landet nu med GNEP kunne omfavne det igen. USA har haft ekstraordinært succes i 30 år med at modsætte sig spredningen af ​​oparbejdning til ikke-våbenstater ved at fremsætte argumentet 'Vi oparbejder ikke; det behøver du heller ikke,« siger han. Det er en del af logikken i MIT-undersøgelsen fra 2003, The Future of Nuclear Power, som konkluderede, at oparbejdning som forfulgt af Frankrig, Rusland og Japan ikke gav tilstrækkelige sikkerhedsforanstaltninger mod spredning. Den konkluderede også, at udsigten til mangel på uran ikke ville være en grund til at gå over til oparbejdning i USA i mange år fremover.

Det er let at se, hvorfor forskersamfundet er glade for GNEP. Det repræsenterer en enorm kilde til midler. Det er et brød-og-fisk-trick for den industrialiserende verden, især for bureaukrater, der gerne vil indløse forudsigelserne fra deres 1950'er-forgængere om magt for billig at måle. Men GNEP er ikke relevant for en genoplivning af atomkraft. Forsyningsselskaber forlod mere end 100 reaktorprojekter i 1970'erne og 80'erne, og først nu - ansporet af høje priser på fossilt brændstof og et skift i offentlighedens holdning - tænker de på at prøve igen. En fancy brændselscyklus beregnet til at støtte en spirende kommerciel industri er ubrugelig, hvis der ikke er nogen kommerciel industri. Det, atomkraft har brug for, er at komme op og køre snart og erstatte kuldioxid-udsendende kilder på en økonomisk og kedelig måde. Uden det følger intet.

Matthew L. Wald, en reporter i Washington Bureau of the New York Times , har skrevet om atomindustrien i 27 år.

skjule