Fejlsikker atomkraft

I februar fløj jeg gennem det indre af en maskine, der kunne repræsentere fremtiden for atomkraft. Jeg var på en virtual reality-turné på Shanghai Institute of Applied Physics i Kina, som planlægger i de næste par år at bygge en eksperimentel reaktor, hvis design gør en nedsmeltning langt mindre sandsynlig. Inde i kernen - et supervarmt, intenst radioaktivt sted, hvor intet menneske nogensinde vil gå - skrællede lagene af kraftværket tilbage foran mig: det ydre kar af rustfrit stål, det indre lag af en højteknologisk legering og til sidst atombrændstoffet selv, titusindvis af kugler på størrelse med billardkugle, der indeholder partikler af radioaktivt materiale.

Givet hidtil uset adgang til de indre funktioner i Kinas avancerede nukleare F&U-program, var jeg vidne til, at en ny nuklear teknologi blev født. Gennem den virtuelle reaktor snoede et indviklet system af rør, der transporterede væsken, der gør dette system til noget særligt: ​​et smeltet salt, der afkøler reaktoren og transporterer varme til at drive en turbine og lave elektricitet. I det mindste i teorien kan denne type reaktorer ikke lide den slags katastrofale fejl, der skete i Tjernobyl og Fukushima, hvilket gør de dyre og overflødige sikkerhedssystemer, der har drevet omkostningerne ved konventionelle reaktorer, unødvendige. Desuden skulle de nye anlæg producere lidt affald og måske endda æde eksisterende atomaffald op. De kunne køre på uran, som driver 99 procent af atomkraftværkerne i verden, eller de kunne i sidste ende køre på thorium, som er renere og mere rigeligt. Det ultimative mål for Shanghai Institute: at bygge en smeltet salt-reaktor, der kunne erstatte teknologien fra 1970'erne i nutidens atomkraftværker og hjælpe med at vænne Kina fra kulet, der forurener luften i Shanghai og Beijing, hvilket indvarsler en æra med billige priser. , rigelig, kulstoffri energi.

Denne historie var en del af vores september 2016-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I løbet af de næste to årtier håber Kina at bygge den verdens største atomkraftindustri . Planerne omfatter så mange som 30 nye konventionelle atomkraftværker (ud over de 34 reaktorer, der er i drift i dag) samt en række næstegenerationsreaktorer, herunder thoriumsmeltet-saltreaktorer, højtemperaturgaskølede reaktorer (som ligesom smeltede -saltreaktorer, er både højeffektive og iboende sikre), og natriumkølede hurtige reaktorer (som kan forbruge brugt brændsel fra konventionelle reaktorer til at lave elektricitet). Kinesiske planlæggere ønsker ikke kun at udvide landets indenlandske nukleare kapacitet dramatisk, men også at blive verdens førende leverandør af atomreaktorer og komponenter, en udsigt, som mange vestlige iagttagere finder alarmerende.

Shanghai Institutes indsats for at udvikle reaktorer med smeltet salt, en teknologi, der har siddet næsten glemt i USA i årtier, afspejler, hvor vovede Kinas nukleare ambitioner er. Allerede nu har regeringen investeret omkring to milliarder kinesiske renminbi ($300 millioner) i løbet af de sidste fem år i R&D i smeltet salt. At bygge egentlige anlæg vil kræve titusinder af milliarder mere. Som med andre innovative nukleare teknologier, der er under udvikling rundt om i verden, er der få garantier: Selvom folk har kørt små, eksperimentelle reaktorer med smeltet salt, er der aldrig nogen, der faktisk har bygget en i brugsskala og tilsluttet den til nettet. Alligevel forventer den kinesiske regering at have et anlæg i kommerciel størrelse op at køre inden for 15 år, hvilket hjælper med at genoplive den belejrede atomkraftindustri.

De første eksperimenter med smeltet-salt-reaktorer blev udført på Oak Ridge National Laboratory, i Tennessee, under dets direktør Alvin Weinberg i slutningen af ​​1950'erne. Dagens kinesiske program er faktisk frugten af ​​et unikt og noget kontroversielt partnerskab mellem Oak Ridge og Shanghai Institute. Det amerikanske forskningsprogram fortsatte i mere end et årti, men blev til sidst lukket ned til fordel for den teknologi, der bruges i langt de fleste atomkraftværker i dag. Set i bakspejlet bidrog den beslutning ikke kun til en lovende atomteknologis undergang, men også til industriens lange stagnation.

I dag har verden dog mere end nogensinde brug for atomenergi, hvis vi skal begrænse klimaændringerne. Ifølge Det Internationale Energiagentur verdens nukleare kapacitet skal mere end fordobles i midten af ​​århundredet hvis vi skal holde os inden for 2 °C efter opvarmning. Som det ser ud nu, virker det usandsynligt. Adskillige lande, herunder Kina og Indien, er gået i gang med massive atomkraftudbygninger, men de fleste vil medføre store, konventionelle reaktorer - teknologi, der er for dyr for store dele af resten af ​​verden. Selv lande, såsom Tyskland, der har råd til atomkraft, udfaser den, fordi de frygter endnu en katastrofe. Det gør de fejlsikre atomkraftværker, der udvikles på Shanghai Institute, til af største hast.

Verden har mere end nogensinde brug for atomenergi, hvis vi skal begrænse klimaforandringerne.

Efter min virtuelle rundtur førte Kun Chen, en af ​​programmets ledende videnskabsmænd, mig tilbage til instituttets hovedadministrationsbygning. Sneen var faldet natten over, og det var bidende koldt. I auditoriet var en lille skare af medarbejdere samlet til en tale af Xu Hongjie, direktøren for programmet for smeltet salt. Det var ugen før den lange nyårsferie, og instituttets årlige banket blev afholdt den aften. Xu talte i mere end to timer om historien om smeltet salt-teknologi og dens udsigter for fremtiden.

Dette har været Kinas drøm i et halvt århundrede, sagde han. Tidligere manglede vi den nødvendige viden og kompetencer til at gøre det til virkelighed. Nu har vi ressourcerne og teknologien og ekspertisen. Nu kan vi gøre det.

Kædereaktioner

Alvin Weinberg kom først til Oak Ridge i 1945, lige efter dets laboratorier var blevet bygget i de nordlige Tennessee-bakker for at fremstille uran og plutonium i våbenkvalitet. En veteran fra Manhattan Project, Weinberg blev direktør af det hurtigt voksende nationale laboratorium i 1955 og beklædte stillingen indtil 1973. Han var en banebrydende atomfysiker og en atomkraftfilosof, der brugte udtrykket Faustian bargain til at beskrive spændingen mellem det industrialiserede samfunds tørst efter rigelig energi og den ekstreme årvågenhed, der er nødvendig for at holde atomkraft sikker. For at gøre denne energikilde både ren og ekstremt billig, mente han, ville forbindelsen mellem atomkraft og atomvåben skulle brydes. Og måden at bryde den forbindelse på var thorium-smeltet-salt-reaktoren.

Under Weinbergs ledelse drev et team af entusiastiske unge kemikere, fysikere og ingeniører en lille, eksperimentel smeltet salt-reaktor fra 1965 til 1969. Den reaktor ved Oak Ridge kørte på uran; Weinbergs endelige mål var at bygge en, der udelukkende ville køre på thorium, som i modsætning til uran ikke nemt kan laves om til en bombe. Men eksperimentet med smeltet salt blev opgivet i begyndelsen af ​​1970'erne. En stor grund var, at Weinberg formåede at fremmedgøre sine overordnede ved at advare mod farerne ved konventionel atomkraft på et tidspunkt, hvor snesevis af sådanne reaktorer allerede var under opførelse eller i planlægningsstadiet.

I slutningen af ​​århundredet havde USA bygget 104 atomreaktorer, men konstruktionen af ​​nye var næsten gået i stå, og teknologien forblev fast i 1970'erne. Fordi konventionelle reaktorer kræver enorme, dyre indeslutningsbeholdere, der kan sprænge i luften under ekstreme forhold, og fordi de bruger omfattende eksterne kølesystemer til at sikre, at kernen i fast brændsel ikke overophedes og forårsager en løbsk reaktion, der fører til en nedsmeltning, er de enormt dyrt. To nye reaktorer, der bygges nu i Georgien, kan koste 21 milliarder dollars, 50 procent over det oprindelige skøn på 14 milliarder dollars. Alt det for 40 år gammel teknologi.

Men i dag, hvor klimaændringerne accelererer, og embedsmænd og videnskabsmænd søger en nuklear teknologi uden de dyre problemer, der har stoppet den konventionelle version, nyder smeltet salt en renæssance. Virksomheder som f.eks Terrestrisk energi , Transatomisk kraft , Moltex , og Flibe energi kappes om at udvikle nye smeltet salt-reaktorer. Forskningsprogrammer om forskellige former for teknologien er i gang på universiteter og institutter i Japan, Frankrig, Rusland og USA, foruden det på Shanghai Institute. Udover arbejdet med at udvikle fastbrændselsreaktorer, der køles af smeltet salt (som den, jeg rejste på virtuelt i Shanghai), er der endnu mere radikale designs, der også bruger radioaktive materialer opløst i smeltet salt som brændstof (som Weinbergs eksperiment gjorde ).

Som alle kernekraftværker, smeltet salt reaktorer exciterer atomer i et radioaktivt materiale at skabe en kontrolleret kædereaktion. Reaktionen frigiver varme, der koger vand, hvilket skaber damp, der driver en turbine til at generere elektricitet. Fastbrændselsreaktorer afkølet med smeltet salt kan køre ved højere temperaturer end konventionelle reaktorer, hvilket gør dem mere effektive, og de arbejder ved atmosfærisk tryk - hvilket betyder, at de ikke kræver dyre fartøjer af den slags, der gik i stykker ved Tjernobyl. Smeltet-saltreaktorer, der bruger flydende brændsel, har en endnu mere attraktiv fordel: Når temperaturen i kernen når en vis tærskel, udvider væsken sig, hvilket bremser kernereaktionerne og lader kernen afkøle. For at drage fordel af denne egenskab er reaktoren bygget som et badekar, med en aftapningsprop i bunden; hvis temperaturen i kernen bliver for høj, smelter proppen, og brændstoffet løber ud i en afskærmet tank, typisk under jorden, hvor det opbevares sikkert, mens det afkøles. Disse reaktorer burde være i stand til at tappe mere af den energi, der er til rådighed i radioaktivt materiale, end de konventionelle gør. Det betyder, at de dramatisk bør reducere mængden af ​​nukleart affald, der skal håndteres og opbevares.

Fordi de ikke kræver enorme indeslutningsstrukturer og har brug for mindre brændstof for at producere den samme mængde elektricitet, er disse reaktorer mere kompakte end nutidens atomkraftværker. De kunne masseproduceres på fabrikker og kombineres i arrays for at danne større kraftværker.

Alt dette burde gøre dem billigere at bygge. I modsætning til vind og sol, som er blevet langt billigere med tiden, er atomkraftværker blevet meget dyrere. Ifølge U.S. Energy Information Administration steg de inflationsjusterede omkostninger ved at bygge et atomkraftværk fra $1.500 pr. kilowatt kapacitet i begyndelsen af ​​1960'erne til mere end $4.000 pr. kilowatt i midten af ​​1970'erne. I sin seneste beregning fandt VVM i 2013, at tallet var steget til mere end 5.500 dollars - dyrere end et solenergianlæg eller en vindmøllepark på land, og langt mere end et naturgasanlæg. Disse forudgående omkostninger forstærkes af reaktorernes store størrelse; ved det gennemsnit, som EIA nævner, ville et anlæg på én gigawatt koste 5,5 milliarder dollars, en risikabel investering for enhver virksomhed.

Disse forhåndsomkostninger opvejes af det faktum, at atomkraftværker er relativt billige i drift: på nye værker er de udjævnede omkostninger til elektricitet, som måler omkostningerne ved produceret strøm i hele anlæggets levetid, $95 pr. megawatt-time, ifølge til VVM - sammenlignelig med omkostningerne ved elektricitet fra kulfyrede værker og mindre end solenergi ($125 en megawatt-time). Alligevel er naturgasanlæg langt billigere at bygge, og prisen på den elektricitet, de producerer ($75 per megawatt-time, ifølge EIA) er også lavere. Stramning af reglerne for kulstofemissioner gør atomkraft mere attraktiv, men at sænke omkostningerne ved byggeri er afgørende for fremtiden for kulstoffri atomkraft.

Det er den pitch, der laves af en ny gruppe af startups, der arbejder på avancerede atomreaktorer, flere af dem finansieret af Silicon Valley-investorer. Transatomic Power, for eksempel, blev grundlagt af et par MIT PhD'er, Leslie Dewan og Mark Massie, som har designet et 520 megawatt anlæg (omtrent på størrelse med et gennemsnitligt kulværk i dag), som de tror kan bygges for 2 milliarder dollars, eller $3.846 pr. kilowatt kapacitet. Det er på linje med omkostningerne ved at bygge et solcelleanlæg - men ville have den store fordel, at det er i stand til at producere strøm kontinuerligt, ikke kun når solen skinner. Terrestrial Energy, som for nylig vandt en forskningsbevilling fra den canadiske regering til at bygge en prototype-reaktor, siger, at dens smeltede salt-reaktor i sidste ende kunne bygges for så lidt som $2.000 pr. kilowatt.

Men selvom designs med smeltet salt har givet energi til opfindsomme unge teknologer, er det stadig en skræmmende udsigt at få en ny atomkraftteknologi licenseret og bygget i USA. Blot at ansøge om en licens fra Nuclear Regulatory Commission kan tage år og koste hundredvis af millioner af dollars, hvilket er grunden til, at nogle af disse startups måske aldrig kommer i gang. Hvad mere er, selv $2 milliarder ville være mange penge for investorer og forsyningsselskaber at bruge på en uprøvet teknologi med tvivlsomme økonomiske fordele. Derfor er programmet tættest på at producere en fungerende reaktor i Folkerepublikken Kina.

Tænk stort

Selv da det oprindelige eksperiment med smeltet salt-teknologi var ved at afvikle i USA i 1970'erne, var en lille gruppe forskere ved Shanghai Institute of Applied Physics, en del af det kinesiske videnskabsakademi, i gang med sin egen undersøgelse af thorium-brændstof. smeltet salt reaktorer. Men Kina, som først ville starte sit første atomkraftværk i 1991, manglede ekspertise og penge til at udvikle det sofistikerede maskineri og dyre materialer i avancerede reaktorer. I det 21. århundrede, som alle andre lande med atomkraft, var Kina afhængig af konventionelle reaktorer. Men gløderne af konceptet glødede stadig i hovedet på kinesiske atomforskere.

Tidslinjerne er aggressive, i det mindste efter standarderne for den langsomt bevægende atomindustri.

Fra kinesisk synspunkt har thorium en særlig fordel: Mens fastlandet Kina har en lille procentdel af verdens uran, har det masser af thorium. At have en rigelig kilde til kulstoffri energi ville løse flere af Kinas energidilemmaer på én gang. I centralregeringens øjne er vi ikke her for at lave modne teknologier – vi er nødt til at skabe noget nyt, noget strategisk, siger Kun Chen, videnskabsmanden i smeltet salt, der ledede min virtuelle tur i Shanghai. Du skal tænke stort.

Chen er uddannet på det prestigefyldte University of Science and Technology i Kina i Hefei og fik en ph.d. fra Indiana University og arbejdede i flere år på Argonne National Laboratory (som ligesom Oak Ridge er en del af det amerikanske energiministerium). Men han kom tilbage til Kina for at bygge en reaktor, der ændrede verden.

Han hørte om det i 2009, da han besøgte Shanghai for at præsentere et seminar på Institute of Applied Physics. En videnskabsmand der fortalte ham om thoriumsmeltet-saltreaktoren - et projekt, der endnu ikke er finansieret eller annonceret. Vores team fik de fleste af de tekniske dokumenter fra nettet – de blev lagt ud af Oak Ridge-teamet, husker Xu Hongjie, direktøren for programmet for smeltet salt, mens han rystede på hovedet i enten beundring eller forbløffelse over amerikanernes åbenhed. De postede alt der gratis.

På Xus opfordring sluttede Chen sig til Shanghai Instituttet i 2010, og i dag står han for samarbejdet med Oak Ridge. Det amerikanske laboratorium bidrager med forskning i materialer, kontrolsystemer og computersimuleringer til projektet og har bygget et stort testanlæg for smeltet salt som blev finansieret af det kinesiske videnskabsakademi. Mens nogle videnskabsmænd og fortalere for atomkraft ihærdigt modsætter sig ideen om at hjælpe Kina med at bygge en verdensførende atomindustri, er mange Oak Ridge-ingeniører bare ivrige efter at se reaktorer med smeltet salt bygget et sted. En af de vigtige ting at indse er, at en række nøglepersoner i reaktorer med smeltet salt trækker sig meget hurtigt tilbage eller går bort, siger David Holcombe, der leder Oak Ridges samarbejde med Shanghai Institute. Du kan ikke bare importere et nyt sæt medarbejdere, hvis vi vil bevare denne evne. Kina leverer den finansiering, der giver os mulighed for at overføre den viden, for at få praktisk erfaring med at bygge og drive disse reaktorer.

Jeg blev slået af tilliden og idealismen hos de unge videnskabsmænd, der arbejder på instituttet – en optimisme, der ikke er set i amerikanske nukleare kredse i årtier.

Til at starte med planlægger Shanghai Institute at tage en hybrid tilgang ved at bruge smeltet salt til at afkøle en fastbrændselskerne svarende til dem i konventionelle atomkraftværker. Derefter, siger Chen, vil holdet gå videre til flydende brændstoffer for fuldt ud at realisere teknologiens potentiale for sikkerhed og effektivitet. Først vil brændstoffet være uran, men de kinesiske ingeniører planlægger senere at skifte til thorium.

Tidslinjerne er aggressive, i det mindste efter atomindustriens standarder. Shanghai Institute sigter mod at starte et fastbrændselsanlæg i kommerciel skala i 2030 og en 100 megawatt demonstrationsreaktor med flydende brændsel i 2035. Meget af det nuværende arbejde, fortalte Chen mig, fokuserer på at løse de komplekse VVS-udfordringer forbundet med stærkt ætsende smeltet salt. Jeg blev slået af tilliden og idealismen hos de unge videnskabsmænd, der arbejder på instituttet – en optimisme, der ikke er set i amerikanske nukleare kredse siden Weinbergs tid.

På min sidste dag i Shanghai slentrede Kun Chen og jeg rundt på instituttets grund. Sneen var for det meste væk, men den iskolde vind var stadig skarp. Han viste mig campus' seneste byggeprojekt: en tre-etagers høj bygning i lagerstørrelse til at huse programmet for smeltet thorium-salt. Alle kemi-laboratorier, alle maskinværksteder, alle computere, alle kontorer og testsløjfer og pumper og prototyper, vil blive anbragt her, når bygningen åbner senere på året. Det var bare en skal på det tidspunkt, men det var et symbol på Kinas engagement i den næste atomæra. Drømmen om amerikanske videnskabsmænd ved Oak Ridge for et halvt århundrede siden er ved at tage form her, tusindvis af kilometer væk.

skjule