• Monday June 24,2019

Nowa technika może sprawić, że jądrowa będzie najlepsza broń przeciwko zmianom klimatu

Anonim

iStockphoto

20 grudnia 1951 roku, tuż za maleńkim miasteczkiem Arco w stanie Idaho, cztery żarówki o mocy 100 W nawleczone na pojedynczy sznur zamigotały do ​​życia, a następnie rozbłysły jaskrawo, stając się pierwszymi urządzeniami zasilanymi kiedykolwiek energią jądrową. Niewielka grupa naukowców obserwujących, pracowników Narodowego Laboratorium Idaho (INL), opiekowała się przyszłością napędzaną przez rozszczepienie atomów.

To byłby sen odroczony. Energia jądrowa utknęła w Ameryce w wyniku nagłośnionych wypadków i obaw związanych z odpadami promieniotwórczymi. Ale naukowcy z INL po cichu walczyli, a teraz fala może się zmieniać: imperatyw ograniczenia emisji gazów cieplarnianych wywołuje renesans atomowy na samym miejscu narodzin energii jądrowej.

Po uzyskaniu 1, 25 miliarda dolarów dofinansowania na badania reaktorów z ustawy o polityce energetycznej z 2005 roku, naukowcy INL pracują nad poprawą bezpieczeństwa, zwiększeniem wydajności, zminimalizowaniem strat i obniżeniem kosztów w nowej generacji reaktorów jądrowych. Nawet jeśli energia odnawialna znajdzie się w głównym nurcie, naukowcy INL nadal wierzą, że energia jądrowa będzie niezbędna do utrzymania podstawowego obciążenia sieci energetycznej - tej części krajowej energii elektrycznej, która musi być dostarczana ze stałą stawką, w przeciwieństwie do zmiennych dostaw od słońca i wiatru. "Energia jądrowa jest głównym źródłem energii wytwarzającym ładunek, który może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych", mówi Kathryn McCarthy, zastępca dyrektora INL ds. Nauki i technologii jądrowej.

W przeciwieństwie do spalania węgla lub innych paliw kopalnych, rozszczepienie - rozbicie jąder atomowych, proces leżący u podstaw energii jądrowej - nie emituje dwutlenku węgla. Reaktor jądrowy wytwarza energię z klastra prętów paliwowych wewnątrz rdzenia, z których każdy jest wypełniony tlenkiem uranu. Za każdym razem, gdy przybywający neutron bombarduje jeden z atomów uranu, atom rozdziela się na dwie części, wydalając energię i uwalniając więcej neutronów, które z kolei zderzają się z innymi atomami i powodują reakcję łańcuchową. Skumulowane ciepło z tego procesu sprowadza wodę do pary, która obraca turbinę w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Rozszczepienie atomu uranu jest 10 milionów razy potężniejsze niż spalanie atomu węgla z węgla, czyniąc energię jądrową skuteczną i niedrogą - przynajmniej w zasadzie. Średni koszt generowania energii jądrowej w Stanach Zjednoczonych był mniejszy niż dwa centy za kilowatogodzinę w 2006 r., Według Ventyx, dostawcy usług komunalnych z Atlanty, co stawia go na równi z węglem. Krytycy, tacy jak współzałożyciel Rocky Mountain Institute i główny naukowiec Amory Lovins, kwestionują tę widoczną parytet, argumentując, że cena energii jądrowej wzrośnie, gdyby zbudowano więcej elektrowni. Obecny koszt dostarczania energii elektrycznej z elektrowni jądrowych jest niski, częściowo dlatego, że wiele elektrowni było opłacanych dawno temu, zauważa Lovins.

Nuklearna niezawodność dnia na dzień sprawia, że ​​jest niezbędnym towarzyszem energii odnawialnej, przekonuje Burton Richter, laureat Nagrody Nobla z fizyki w 1976 roku. "Słońce nie świeci w nocy, a energia wiatru jest bardzo zmienna" - mówi. "Aby osiągnąć nasze cele emisyjne, będziemy musieli uchwycić każdą strzałę w kołczanie, a energia jądrowa jest jedną z tych strzał."

Jednak zanim to się stanie, energia jądrowa będzie musiała przezwyciężyć nierozwiązany problem usuwania odpadów radioaktywnych. W lutym prezydent Obama głęboko szógł długofalowy rządowy plan zagospodarowania odpadów na górze Yucca w Nevadzie, gdy przeciwnicy argumentowali, że strategia jest zbyt ryzykowna. "Teraz nadszedł czas, aby zacząć od nowa i znaleźć realistyczny sposób radzenia sobie z używanym paliwem jądrowym" - mówi Patrick Moore, główny naukowiec w firmie konsultingowej Greenspirit Strategies i współzałożyciel Greenpeace. Ale znalezienie alternatywnego rozwiązania może zająć lata, a niektórzy obserwatorzy zaniepokojeni wpływem odpadów nuklearnych na ludzkie zdrowie nie chcą w międzyczasie posunąć się naprzód. "Myślę, że istnieje tam rozwiązanie; Po prostu nie sądzę, że już na tym wylądowaliśmy ", mówi Mary Woolen, dyrektor wykonawczy non-profit grupy Keep Yellowstone Nuclear Free. "To niemądre, aby zwiększyć skalę energii jądrowej, zanim problem odpadów zostanie rozwiązany."

Dokładnie to zamierzają zrobić naukowcy INL, jednak przekonani, że ich praca ma zasadnicze znaczenie dla dobrobytu planety. Ich wysiłki koncentrują się na dwóch nowych projektach: reaktorze o bardzo wysokiej temperaturze (VHTR) i szybko chłodzonym reaktorze sodowym (SFR). Oba zawierają nieodłączne funkcje bezpieczeństwa, aby zapobiec przegrzaniu rdzenia i uwolnieniu materiału radioaktywnego. Mamy nadzieję, że te nowe podejścia ostatecznie zniszczą pamięć Three Mile Island i Chernobyl i wyeliminują część opozycji politycznej, która powstrzymywała amerykańską energetykę jądrową przez trzy dekady.

VHTR, który jest jeszcze w fazie planowania, ma rdzeń reaktora wykonany z grafitu, substancji, która pozostaje mocna i stabilna nawet w wysokich temperaturach. Gazowy hel chłodzi reaktor i przenosi ciepło na zewnątrz rdzenia. Reaktor wykorzystuje cząstki paliwa z ditlenku uranu, które są również pokryte grafitem, dzięki czemu nie pękają i nie uwalniają produktów rozszczepienia nawet w ekstremalnym cieple. W rezultacie, elektrownie VHTR będą mogły ogrzewać hel do temperatury do 1000 stopni Celsjusza (1800 ° F) - zaledwie trzy razy tyle, ile mogą wytrzymać istniejące reaktory. Ciepło z helu można następnie wykorzystać do wytworzenia pary napędzającej turbinę. W przeciwieństwie do reaktorów typu Czarnobyl, VHTR ma ujemny współczynnik temperaturowy, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem temperatury rdzenia reakcje jądrowe w naturalny sposób zaczynają zwalniać. Ta funkcja zapewnia, że ​​reaktor nigdy nie osiągnie temperatury, która spowodowałaby stopienie. "Bez względu na to, co ludzie robią źle", mówi McCarthy, "jeśli zdarzy się coś nienormalnego, roślina się wyłączy."

VHTR powinien wytwarzać energię elektryczną o około 40 procent wydajniej niż większość reaktorów w Stanach Zjednoczonych. Ciepło, które generuje, będzie również przydatne dla pobliskich zakładów przemysłowych. Instalacje VHTR mogłyby nawet produkować wodór do paliwa za pomocą elektrolizy parowej o wysokiej temperaturze, która rozrywa wiązania cząsteczek wody; ten proces jest o 50 procent bardziej energooszczędny niż istniejące metody produkcji wodoru. W 2005 r. Departament Energii upoważnił INL do budowy instalacji VHTR. Prototyp powinien zostać ukończony w okresie od 2018 do 2021 roku.

Ale najpierw zespół INL musi przezwyciężyć mnóstwo przeszkód technicznych. Na przykład, twarde nowe stopy mogą być konieczne do ochrony niektórych powierzchni wewnątrz reaktora. "W tej chwili materiały nie zawsze istnieją, by radzić sobie z temperaturami i presją, o której mówią" - mówi Richter. Nawet jeśli takie materiały zostaną znalezione, dodaje, mogą dodać miliony dolarów do jeszcze nieznanych kosztów budowy elektrowni VHTR.

Konkurencyjne banki projektowe SFR opracowały nową koncepcję rozszczepienia: bombardowanie atomów uranu neutronami o znacznie większej energii niż te stosowane w tradycyjnej elektrowni jądrowej. Ten skoncentrowany atak atomowy pozwala reaktorowi wyekstrahować 100 razy więcej energii z paliwa uranowego niż obecne reaktory termiczne, które zużywają mniej niż 1 procent potencjalnej energii paliwa. SFR może również spalać zużyte pręty jądrowe z innych reaktorów i zubożonego uranu pozostałego po procesie wzbogacania uranu, co poważnie zagraża problemowi odpadów promieniotwórczych. Naukowcy z branżowej grupy przemysłowej, American Nuclear Society, szacują, że energia, jaką mógłby wyprodukować SFR, mogłaby wywołać te produkty uboczne, by zaspokoić wszystkie amerykańskie potrzeby przez ponad 100 lat. Ponowne wypalanie zużytych prętów w SFR również zmniejsza ich czas rozpadu radioaktywnego; powstałe odpady musiałyby być zamaskowane na kilkaset lat zamiast kilku tysięcy.

Niestety, sód używany do przekazywania ciepła z rdzenia w instalacji SFR jest mieszanym błogosławieństwem. Ciekły sodium jest idealnym środkiem chłodzącym, ponieważ w przeciwieństwie do wody nie hamuje ruchu szybkich neutronów. Poprawia również bezpieczeństwo, ponieważ działa pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym. Ale ciekły sód jest nieprzejrzysty, co utrudnia operatorom reaktorów monitorowanie przepływu ciepła. Aby zrekompensować tę trudność, naukowcy INL opracowują symulacje komputerowe, które modelują sposób, w jaki ciekła sód działa w szybkim reaktorze.

Kilka wczesnych modeli SFR było już od jakiegoś czasu: niskoenergetyczny, eksperymentalny EBR-II Idaho działał przez 30 lat, a 29-letni rosyjski BN-600 nadal działa. Jednak INL nie chce wdrożyć nowego prototypu, dopóki naukowcy nie skończą udoskonalania modeli komputerowych. Może to oznaczać, że ulepszona instalacja SFR nie pojawi się przez kolejne 10 lub 20 lat.

Taka długa linia czasu, w połączeniu z ogromnymi kosztami z góry i utrzymującą się publiczną płochliwością, sugeruje, że nuklearna następna generacja musi stawić czoła potwornej bitwie. Obecne projekty mogą kosztować nawet 10 miliardów dolarów na budowę; nowe będą prawdopodobnie jeszcze droższe. Firmy energetyczne niechętnie angażują się w takie sumy, dopóki nie upewnią się, że ulepszone projekty spełnią ich obietnicę. "Potrzebujemy fabryki demonstracyjnej, która naprawdę przywraca branżę" - mówi David Petti, dyrektor techniczny INL. "Użytkownicy końcowi zasadniczo nam powiedzieli: " Będziemy pierwsi w kolejce do drugiej fabryki. '"

Nawet jeśli INL może skłonić firmy energetyczne do podpisania umowy, długie czasy budowy gwarantują, że renesans jądrowy będzie postępował stopniowo. "Te nowe reaktory nie będą miały szerokiego zastosowania aż do drugiej połowy wieku. Przez następne 50 lat będziemy polegać na obecnym pokoleniu "- mówi Richter.

Utrzymanie dzisiejszych elektrowni jądrowych będzie wymagało znalezienia praktycznego, bezpiecznego i politycznie smacznego sposobu unieszkodliwiania odpadów. "Jeśli chodzi o zużyte paliwo, uwielbiamy go lub nienawidzimy, mamy je" - mówi Richter. "Mamy 60 000 ton z reaktorów, które teraz są uruchomione." Ulepszona konstrukcja SFR może ostatecznie złagodzić problem z odpadami z powodu zdolności reaktora do spalania zużytego paliwa, ale nawet w najlepszym przypadku, ponownie wykorzystane paliwo utrzymywałby niebezpieczne poziomy radioaktywności przez kilka stuleci. Przemysł nuklearny będzie musiał również zająć się powszechnymi obawami dotyczącymi samych reaktorów. Wtajemniczeni twierdzą, że dzisiejsze elektrownie jądrowe są o wiele bezpieczniejsze, niż się wydaje wielu ludziom. Przecież nikt nigdy nie zginął w komercyjnym wypadku jądrowym na amerykańskiej ziemi; z kolei emisje z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi zabijają 24 000 Amerykanów każdego roku, zgodnie z raportem z 2004 r. zleconym przez grupę zadaniową Clean Air, grupę ekologiczną. Jednak w myśleniu po 9 września, elektrownie jądrowe stają się potencjalnymi celami terrorystycznymi i możliwymi źródłami surowca dla broni jądrowej.

George W. Bush popierał badania nuklearne INL, ale jak dotąd nie jest jasne, czy administracja Obamy podziela ten entuzjazm, mówi McCarthy. Mimo to, zagrożenie zmianami klimatycznymi ma kiedyś sceptyczni ekolodzy, tacy jak Patrick Moore z Greenspirit, a także ikony środowiskowe, takie jak Stewart Brand i James Lovelock, którzy rzucają swoje poparcie dla energii jądrowej. "Uważam, że ruch ekologiczny popełnił błąd, polegający na zrzucaniu energii jądrowej za pomocą broni jądrowej" - mówi Moore. "Dla mnie oczywiste jest, że żadna technologia nie zrobi czegoś więcej niż energia nuklearna, aby zmniejszyć zużycie paliw kopalnych."


Going Nuclear

W swoich wysiłkach zmierzających do stworzenia bezpieczniejszych, tańszych i bardziej wydajnych reaktorów jądrowych, krajowe laboratorium w Idaho zbadało pół tuzina konstrukcji reaktorów następnej generacji; te dwa (szybki reaktor chłodzony sodem i reaktor o bardzo wysokiej temperaturze) są najbardziej obiecujące. Oba są skonfigurowane tak, by wykorzystywać prawa fizyki jądrowej, aby uniemożliwić krach, nawet w obliczu awarii technicznej lub błędu operatora. To, czy projekt jest praktyczny, jest nadal nieznane.

Ilustracja: David Combs / Idaho National Laboratory


Ciekawe Artykuły

Things Look El Nià ± o-ish.  Ale rzeczy mogą się zmienić ...

Things Look El Nià ± o-ish. Ale rzeczy mogą się zmienić ...

W poprzednim wpisie napisałem, że "El Nià ± o comin " (prawdopodobnie). "Teraz, prawdopodobnie nie jest to zbyt duży odcinek, aby zastąpić" prawdopodobnie "" prawie, ale nie całkiem zdecydowanie. " Niektóre z kluczowych aspektów El Niño, które zazwyczaj przynosi suszę w niektórych miejscach, zalewają innych, a ogólnie cieplejszy glob, są już na miejscu. Skłoniło to Cent

Poznaj człowieka, który robi zdjęcia drobnoustrojów

Poznaj człowieka, który robi zdjęcia drobnoustrojów

Ernie Mastroianni Senior szkoły średniej, Thomas Deerinck, nie spodziewał się, że jego życie się zmieni, kiedy pewnego razu w połowie lat 70. wszedł do swojej klasy naukowej. Miejscowa naukowiec Betty Barbour przybyła, by podzielić się swoimi oszałamiającymi obrazami mikroskopijnego świata. Miała nadziej

Wracając do Bangladeszu: Z dewastacji, nadziei

Wracając do Bangladeszu: Z dewastacji, nadziei

Zaledwie miesiąc temu Cyclone Sidr - jeden z najgroźniejszych cyklonów uderzających w Bangladesz w ciągu ostatnich 131 lat - uderzył w południowe i południowo-wschodnie regiony kraju. Co najmniej 3 300 osób straciło życie, a miliony zostały bez dachu nad głową. Organizacja Narodów Zjednoczonych szacuje, że burza dotknęła 8, 7 miliona osób, a wiele z nich pozostaje uzależnionych od posiłków i pomocy żywnościowej. Podczas gdy suma zobow

Jakie wielkie oczy masz

Jakie wielkie oczy masz

Według BBC nowe badania wykazały, że ludy północne mają większe oczy i większe mózgi. W rzeczywistości, omawiany papier mówił o oczach, ale nie miał większego wpływu na mózg, co ogranicza się do Suplementu. Niemniej jednak wywarli również wpływ na rozmiar mózgu. Ludy żyjące dalej od równika mają znacznie większe oczodoły, a także większą całkowitą pojemność czaszki (objętość mózgu), podobno. Autorami są Robin Dunbar ze sławy &q

Laboratoryjne naczynia krwionośne mogą zapewnić bezpieczną stację dokującą do dializy

Laboratoryjne naczynia krwionośne mogą zapewnić bezpieczną stację dokującą do dializy

Naczynia krwionośne wyhodowane z własnych komórek skóry pacjentów zostały użyte w celu uczynienia procesu dializy bezpieczniejszym i łatwiejszym dla osób z niewydolnymi nerkami, a naukowcy twierdzą, że proces ten może pewnego dnia zostać wykorzystany do produkcji na zamówienie naczyń krwionośnych dla pacjentów z zaburzeniami krążenia w mózgu. ich serca lub nogi

Ten facet poszedł z dronem ... I zadziałało

Ten facet poszedł z dronem ... I zadziałało

Nazwij to szczęściem początkującego. Nazwij to geniuszem. Jakkolwiek to nazwiesz, fakt pozostaje ten sam: ten facet złapał rybę za pomocą DJI Phantom. Derek Klingenberg, którego pseudonim w YouTube dodaje "Farmer" na czoło swojego imienia, robi "Whip Nae Nae" z krowami, nadaje się do spinania piosenek Kendrick Lamar, a także łowi quadkoptery. Nie trzeba