De beste nucleaire optie

Stel je een nucleaire industrie voor die Amerika tientallen jaren van energie kan voorzien door zijn eigen radioactieve afval te gebruiken en de delen van het huidige reactorafval te verbranden die het moeilijkst te verwijderen zijn. Voeg technologie toe die nucleair kaf, uranium dat werd gewonnen en verwerkt maar grotendeels onbruikbaar was, opneemt en omzet in nog meer brandstof. Voeg dan een wereldwijd bedrijfsmodel toe dat het veel minder waarschijnlijk maakt dat bijproducten van reactoren zoals plutonium hun weg vinden naar kernwapens in landen als Iran, zelfs als economische kernenergietechnologie voor de hele wereld beschikbaar komt.

Het Amerikaanse ministerie van Energie promoot verregaande technologieën voor afvalrecycling die nieuwe reactorontwerpen vereisen. Maar bijgewerkte conventionele ontwerpen zoals GE's economisch vereenvoudigde kokendwaterreactor (hier weergegeven) zijn vandaag klaar. (Tegoed: Bryan Christie)

Dat is het verleidelijke triple play dat de regering-Bush hoopt te draaien met het Global Nuclear Energy Partnership (GNEP) dat het eerder dit jaar onthulde, een voorgesteld langetermijnonderzoeks- en ontwikkelingsprogramma dat bijna net zo gedurfd is als het Manhattan-project. De basisconcepten voor het opwerken van brandstof in de kern draaien al bijna een halve eeuw rond. Nu worden ze opnieuw aangeprezen als een manier om overvloedige koolstofvrije brandstof te leveren voor een energie-hongerige wereld die wordt bedreigd door door de mens veroorzaakte klimaatverandering.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2006

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Volgens het plan, waarvoor de regering $ 250 miljoen heeft gevraagd voor het fiscale jaar dat op 1 oktober begint, zouden de Verenigde Staten en bepaalde partnerlanden verbruikte splijtstof verwerken met behulp van nieuwe technieken die een deel ervan in meer brandstof zouden veranderen en de hoeveelheid die opruiming vereist zou minimaliseren . De Verenigde Staten en hun partners zouden ook reactorbrandstof leasen aan andere landen, die hun verbruikte splijtstof dan zouden teruggeven om te worden opgewerkt.

De technologie zou uranium veel efficiënter kunnen exploiteren: Phillip J. Finck, associate director van het Argonne National Laboratory in de buurt van Chicago, zegt dat het tot 100 keer zoveel energie uit uranium kan halen als nu mogelijk is. Nu het afval zich nu ophoopt in reactoren in de Verenigde Staten, zou GNEP volgens de theorie alle elektriciteit kunnen produceren die het land nodig heeft voor decennia, misschien zelfs eeuwen - ervan uitgaande dat er genoeg van de noodzakelijke nieuwe reactoren zouden kunnen worden gebouwd. Dat zou ongeveer een derde van alle Amerikaanse kooldioxide-emissies elimineren (ongeveer het deel dat tegenwoordig afkomstig is van elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen). Dit alles terwijl het afval wordt verminderd en de omleiding van brandstof naar kernwapens wordt tegengegaan.

Multimedia

• Video: Wetenschappers spreken zich uit over de dreiging van de opwarming van de aarde en hoe daarmee om te gaan.

In de praktijk zou GNEP in het beste scenario echter tientallen jaren nodig hebben om zich te ontwikkelen, en in het slechtste geval zou het niets opleveren; het kan om technische redenen een niet-starter blijken te zijn, of de technologie kan economisch niet concurrerend zijn met andere koolstofvrije bronnen van elektriciteit. En het programma zou een meer bescheiden en haalbaar doel kunnen ondermijnen: het nieuw leven inblazen van een nucleaire industrie die sinds 1974 geen succesvol reactorproject heeft gelanceerd.

Tegenwoordig heeft een publiek dat ooit op haar hoede was voor kernenergie zich ervoor opengesteld als een mogelijk antwoord op de opwarming van de aarde. Nieuwe reactorontwerpen die vergelijkbaar zijn met die welke in de huidige commerciële vloot worden gebruikt, maar waarvan wordt gezegd dat ze veiliger en efficiënter zijn, zijn al goedgekeurd of worden beoordeeld door de Amerikaanse Nuclear Regulatory Commission. Nutsbedrijven zijn in verschillende stadia van planning van ten minste 16 van dergelijke reactoren (zie Roeren van Vernieuwing grafiek ) en kunnen al eind volgend jaar aanvragen indienen bij het NRC.

Dergelijke reactoren zijn het meest veelbelovende alternatief op korte termijn voor aanvullende conventionele kolencentrales die enorme hoeveelheden koolstofdioxide produceren. Maar het is onzeker wanneer en of ze zullen worden gebouwd. Als het moet gebeuren, moet de industrie investeerders overtuigen om een ​​grote sprong te maken. Dat betekent hen ervan overtuigen dat de centrales financieel zullen concurreren met andere bronnen die inherent koolstofarm zijn, zoals windturbines, of met kolencentrales die hun koolstofdioxide vastleggen - een technologie die mogelijk haalbaar is, maar nog niet is aangetoond (zie Het vuile geheim) . Volgens het Electric Power Research Institute (EPRI), een non-profit onderzoeksorganisatie voor nutsbedrijven gevestigd in Palo Alto, CA, waarvan de leden eigenaren van kolen en kerncentrales zijn, zijn de reactorontwerpen op korte termijn misschien nauwelijks goedkoper dan de sekwestratietechnologie. En als de Verenigde Staten geen beperkingen opleggen aan de CO2-uitstoot, zal kernenergie moeten blijven concurreren met conventionele kolencentrales.

Ondertussen wacht de industrie nog steeds op een oplossing voor haar belangrijkste probleem op korte termijn: wat te doen met afval dat zich ophoopt bij bestaande kerncentrales. Skip Bowman, president en CEO van het Nuclear Energy Institute, de handelsgroep van de industrie, zegt dat zonder een snelle afvaloplossing de huidige voorzichtige renaissance tot stilstand zal komen. Een bedrijf kan geen vergunning krijgen voor een nieuwe fabriek zonder een plan voor het afval, en op dit moment is wachten tot het Energiedepartement zijn lang uitgestelde Yucca Mountain-afvalopslagplaats in Nevada opent geen plan. In deze context, zegt Bowman, vormt GNEP een afleidingsfactor.

Sommige academici zijn het ermee eens en zeggen dat het Energiedepartement een duidelijke nucleaire strategie moet uitstippelen en daaraan vasthouden. Andrew Kadak, een nucleair ingenieur bij MIT (zie DOE's Wazig Nucleaire Visie) , zegt dat de afdeling een zigzagbeleid heeft gevolgd. Hij beschouwt GNEP als het vijfde nucleaire initiatief in de afgelopen vijf jaar, daarbij verwijzend naar het Nuclear Hydrogen Initiative; Kernenergie 2010 (een poging om tegen dat jaar baanbrekend werk te doen voor een nieuwe conventionele reactor); Generatie IV (een nieuwe reeks reactortechnologieën, zoals gasgekoelde of loodgekoelde installaties); en het Advanced Fuel Cycle Initiative, waar delen van GNEP op lijken.

Als het Energiedepartement de uitstoot van kooldioxide wil verminderen door de beloofde heropleving van kernenergie te bevorderen, zal het moeten opschieten voordat energiebedrijven de markt vullen met conventionele kolencentrales die 50 jaar mee kunnen gaan. GNEP kan de focus van de afdeling alleen maar verzwakken, waardoor de kosten en complexiteit toenemen met nieuwe, onbeproefde technologieën.

Snelle reactoren, trage vooruitgang

GNEP is een zeer lange termijn visie; het grootste deel van de aanvankelijke $ 250 miljoen zou worden uitgegeven om te bestuderen hoe de nieuwe technologieën zouden kunnen werken en wat ze zouden kosten. Maar de voorstanders denken dat we nodig hebben een zeer lange termijn visie. Het Energiedepartement voorspelt dat tegen het midden van de eeuw wereldwijd 1.000 kerncentrales zullen draaien, tegen 441 vandaag. En de bestaande uraniumvoorraad, zo stellen GNEP-voorstanders, zal niet zoveel reactoren voeden.

De omvang van de uraniumvoorraad is in feite onbekend, omdat uranium een ​​lange periode van lage prijzen heeft doorgemaakt en er de laatste tijd niet veel mensen naar op zoek zijn geweest. Volgens bronnen uit de industrie is het bekend dat er ongeveer 3 miljoen ton bestaat, maar er kan nog eens 12 miljoen ton zijn. (Een MIT-studie in 2003 voorspelde dat er nog voldoende uranium beschikbaar was om 1.000 reactoren te bouwen en ze 40 jaar te laten draaien.) Voor zover we deze hulpbron misschien moeten oprekken, biedt GNEP een manier - althans op papier - om er enorme hoeveelheden extra energie uit terugwinnen.

Bestaande reactoren wekken energie op via een kettingreactie die begint wanneer een vrij neutron een atoom van U-235 raakt, een isotoop van uranium, en zijn kern splitst. Het gespleten atoom werpt twee of drie neutronen af; gewoonlijk splitst men een ander U-235-atoom, en andere worden geabsorbeerd door atomen van een ander uraniumisotoop, U-238, om plutonium-239 en andere transurane elementen te vormen (die buiten uranium in het periodiek systeem). Deze transuranen behoren, samen met splijtingsproducten zoals cesiumisotopen, tot de componenten van nucleair afval.

Het probleem is dat U-235 een relatief zeldzame isotoop is; natuurlijk uranium bestaat uit ongeveer één deel U-235 tot 142 delen U-238, dat niet zo gemakkelijk te splitsen is. Uranium dat voor reactoren wordt gebruikt, wordt zodanig verrijkt dat U-235 voorkomt in een concentratie van één op 20. GNEP zou uranium efficiënter gebruiken door transuranen uit verbruikte splijtstof te verbranden, nadat ze door opwerking van de andere bijproducten zijn gescheiden. Het zou ook een deel van de U-238 kunnen exploiteren. De sleutel zou zijn om een ​​nieuwe generatie reactoren te ontwikkelen, snelle reactoren genaamd.

Door water gekoelde reactoren, zoals bijna alle reactoren tegenwoordig, vertragen de neutronen aanzienlijk nadat ze door de kettingreactie zijn vrijgekomen. Maar de door GNEP voorgestelde reactoren zouden dat niet doen; ze zouden een ander materiaal gebruiken, waarschijnlijk gesmolten metaal, om de hitte af te voeren. (Helaas verbrandt het voorkeursmetaal voor dit doel - natrium - bij contact met water of lucht.) Net als een biljartbal die wordt afgeschoten door een krachtiger keu, zouden de neutronen een grotere klap uitdelen - genoeg om een ​​deel van de U-238 te splitsen als evenals de transurane isotopen.

De transuranen behoren tot de materialen met de langste levensduur in de afvalstroom, en dus tot de moeilijkst te verwijderen. Dat is wat GNEP zo aantrekkelijk maakt, niet alleen als oplossing voor klimaatverandering, maar ook als afvaloplossing. Finck zegt dat het in theorie de hitte en toxiciteit van wat tegenwoordig als afval wordt beschouwd voldoende zou verminderen om Yucca Mountain deze eeuw te laten meegaan, in plaats van volgeboekt te zijn voordat de eerste brandstofbundel wordt begraven.

Kernenergiepioniers in de industrie en de overheid gingen er altijd van uit dat brandstof zou worden opgewerkt om het plutonium terug te winnen voor hergebruik. Een dergelijke opwerking is de manier waarop het Manhattan Project plutonium verzamelde voor de bom die Nagasaki vernietigde. (De Hiroshima-bom gebruikte verrijkt uranium.) W.R. Grace opende in 1965 een opwerkingscentrum in West Valley, NY, en verkocht het later aan Getty Oil. De fabriek liep tot 1972 en kostte meer dan $ 1,6 miljard om op te ruimen. General Electric probeerde ook een fabriek te bouwen in Morris, IL, maar deze werd in 1974 onbruikbaar geacht. Toen verbood president Carter de technologie vanwege zorgen over proliferatie.

GNEP zou deze ideeën uit het graf terugbrengen in een veel ambitieuzere vorm die dergelijke zorgen opnieuw oproept. Een zorg is de manier waarop het voor bommen bruikbare materiaal zou worden gewonnen uit de gebruikte brandstof. Backers zeggen dat GNEP het risico van proliferatie zou verminderen, omdat in tegenstelling tot de oude opwerkingstechnieken, die nog steeds in sommige landen worden gebruikt, de nieuwe geen zuiver plutonium zouden opleveren. Maar vandaag is acht kilogram plutonium – de hoeveelheid die nodig is om een ​​bom te maken – ingebed in ongeveer een ton hoogradioactief afval; in het nieuwe systeem zou het worden verdund met slechts een kleine hoeveelheid andere materialen. Volgens critici zouden regeringen of terroristen het veel gemakkelijker vinden om het afgescheiden materiaal te stelen en het plutonium te extraheren dan om plutonium terug te winnen uit de verbruikte splijtstof van vandaag.

Minister van Energie Samuel Bodman, die GNEP besprak, beloofde dat het zou reageren op de uitdagingen van het wereldwijde terrorisme. Het idee is om de brandstofcyclus babyproof te maken: landen als Iran zouden brandstof kunnen leasen die verrijkt is tot reactorniveaus - 5 procent U-235 - maar niet om niveaus te bombarderen, doorgaans meer dan 90 procent U-235. Ze zouden hun verbruikte splijtstof terugsturen naar veiliger landen voor opwerking en een tweede ronde in de geavanceerde reactoren. Deze reactoren, die veel van de elementen zouden verbranden die in de eenvoudigere reactoren zijn geproduceerd, zouden zich op stabiele plaatsen zoals Indiana of Florida bevinden - of in landen die al kernwapens hebben.

Het resulterende partnerschap zou het Amerikaanse beleid inzake nucleaire technologie meer vergelijkbaar maken met dat van Rusland en Frankrijk, die beide plutonium al scheiden. Voorstanders noemen dit een extra bonus van een programma dat, zegt Finck, de Verenigde Staten zal voorzien van een duurzame, betaalbare, koolstofvrije energiebron met een lage impact op het milieu.

De GNEP Mirage

Maar GNEP is misschien een luchtspiegeling. Om te beginnen hebben de sponsors nauwelijks een idee wat het zou kosten; de 250 miljoen dollar die door de regering-Bush is voorgesteld, is bedoeld voor een programma dat hoopt dat uit te zoeken. GNEP-aanhangers zeggen dat hun technologie het aanbod van nucleaire brandstof voldoende zal uitbreiden om de koolstofemissies vrijwel voor altijd te verminderen en ons in staat te stellen het spook te vermijden om te kiezen tussen het broeikaseffect en zeer dure energie. Het lijkt er echter op dat geld besparen op kernbrandstof alleen praktisch kan zijn als prijs geen rol speelt.

Richard L. Garwin, een mede-emeritus van IBM en co-auteur van zeven boeken over kernwapens en kernenergie, schat dat bestaande opwerkingsfabrieken zoals die in Frankrijk, reactoren van plutonium voorzien tegen een prijs van ongeveer $ 1.000 per kilogram bespaard uranium. Maar de marktprijs van uranium, benadrukt hij, ligt rond de $ 100 per kilogram, en het zou op een tijdelijke piek kunnen zijn.

Brandstof is slechts een deel van de kosten van kernenergie, en Finck zegt dat het opwerken van brandstof en hergebruik in snelle reactoren slechts ongeveer 10 procent zou toevoegen aan de totale energiekosten. Maar waar zelfs die bescheiden stijging vandaan zou komen, is niet duidelijk. Frank N. von Hippel, een natuurkundige en beleidsexpert aan de Woodrow Wilson School of Public and International Affairs van Princeton University, merkt op dat de Verenigde Staten in de jaren zeventig van plan waren een snelle reactor te bouwen, maar de inspanning in 1983 lieten vallen nadat Frankrijk, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk heeft ze gebouwd en vervolgens in de steek gelaten als te duur en moeilijk. En als de snelle reactoren eenmaal zijn gebouwd, kan het systeem dat door GNEP wordt voorgesteld, volgens sponsors wel een van de dure nieuwe reactoren nodig hebben voor elke drie gewone reactoren, afhankelijk van hoe effectief de nieuwe reactoren waren. Garwin zegt over de snelle reactoren: Er is geen idee dat deze dingen economisch hun weg vinden.

Ik hoop dat we meer reactoren zullen hebben; Ik hoop echt dat de wereld er meer zal hebben, zegt Garwin, verwijzend naar de typen die tegenwoordig commercieel actief zijn. Maar dat zal alleen gebeuren als het economisch winstgevend lijkt voor de particuliere industrie om op dit gebied te komen. En op dit moment gaat veel slim geld - een deel ervan via het Energiedepartement - niet alleen naar die conventionele kernenergie, maar ook naar andere koolstofvrije energiebronnen, zoals wind, zonne-energie en steenkool met koolstofdioxide-vastlegging.

EPRI analyseerde onlangs de prijzen van koolstofvrije elektriciteitsbronnen en ontdekte dat als, zoals fabrikanten beweren, nieuwe reactoren zouden kunnen worden gebouwd voor $ 1.700 per kilowatt aan capaciteit (minder dan de kosten in de jaren tachtig, zelfs vóór correctie voor inflatie), ze zouden produceren elektriciteit tegen ongeveer $ 49 per megawattuur. Hoewel dat ongeveer tweederde is van de prijs van biomassa en de helft van de prijs van wind, kunnen andere technologieën op de tekentafel het werk voor weinig meer doen. Voor ongeveer $ 55 per megawattuur, zo ontdekte EPRI, kon steenkool worden vergast en verbrand en de kooldioxide worden vastgelegd. Energiecentrales die draaien op vergaste kolen zijn nog niet gecommercialiseerd, maar er zouden conventionele poederkoolcentrales kunnen worden gebouwd die hun koolstofdioxide zouden vasthouden, en ze zouden stroom produceren tegen ongeveer $ 65 per megawattuur. Die technologieën worden door investeerders gezien als een lager risico, en de Verenigde Staten hebben kolen voor honderden jaren.

Over een paar jaar, of een paar decennia, zouden koolstofbelastingen universeel kunnen zijn in de industriële wereld, zou een oorlog in de Perzische Golf de olieprijs kunnen verdubbelen of verdrievoudigen, en zou de vraag naar elektriciteit kunnen stijgen – vooral als iemand met een betere batterij die in massa geproduceerd kan worden voor elektrische auto's. Maar zelfs als al die dingen de wereld in de richting van koolstofvrije energie zouden duwen, zouden we nog steeds op zoek zijn naar de koolstofvrije energie die het minst kost. Dat zou kernenergie kunnen zijn, volgens EPRI. Maar Steve Specker, de voorzitter van EPRI, verwacht een paardenrace tussen verschillende koolstofvrije steenkooltechnologieën.

Spelen met proliferatie

Afgezien van de kostenkwestie, zou GNEP een succesvolle strategie tegen proliferatie kunnen omkeren, zeggen verschillende wetenschappers, waaronder Princeton's von Hippel. Hij stelt dat het opwerken van verbruikte splijtstof een te groot risico met zich meebrengt, zelfs als het plutonium wordt vermengd met kleine hoeveelheden andere materialen die geen goede bommenbrandstof vormen. Niet alleen zou plutonium uit verbruikte splijtstof in verkeerde handen kunnen vallen, zeggen tegenstanders, maar opwerking in de Verenigde Staten zou andere landen kunnen aanmoedigen om zelf kernafval op te werken, waardoor hun eigen bijproducten beschikbaar komen voor wapens.

Gezien het feit dat de Verenigde Staten om die reden halverwege de jaren zeventig de opwerking stopten, vindt von Hippel het onheilspellend dat het land het nu, met GNEP, opnieuw zou kunnen omarmen. De Verenigde Staten zijn al 30 jaar buitengewoon succesvol in het tegengaan van de verspreiding van opwerking naar niet-wapenstaten door het argument te voeren: 'We verwerken niet opnieuw; dat hoeft ook niet', zegt hij. Dat maakt deel uit van de logica van de MIT-studie uit 2003, The Future of Nuclear Power, waarin werd geconcludeerd dat opwerking, zoals die door Frankrijk, Rusland en Japan werd nagestreefd, onvoldoende waarborgen bood tegen proliferatie. Het concludeerde ook dat het vooruitzicht van een uraniumtekort geen reden zou zijn om de komende jaren over te gaan op opwerking in de Verenigde Staten.

Het is gemakkelijk in te zien waarom de onderzoeksgemeenschap verheugd is over GNEP. Het vertegenwoordigt een enorme bron van fondsen. Het is een trucje voor de industrialiserende wereld, vooral voor bureaucraten die de voorspellingen, gemaakt door hun voorgangers uit de jaren vijftig, van macht die te goedkoop is om te meten, willen inlossen. Maar GNEP is niet relevant voor een heropleving van kernenergie. Nutsbedrijven hebben in de jaren zeventig en tachtig meer dan 100 reactorprojecten stopgezet, en pas nu – aangespoord door hoge prijzen voor fossiele brandstoffen en een verschuiving in de publieke opinie – denken ze erover om het opnieuw te proberen. Een mooie brandstofcyclus die bedoeld is om een ​​snelgroeiende commerciële industrie te ondersteunen, is nutteloos als er geen commerciële industrie is. Wat kernenergie nodig heeft, is om snel aan de slag te gaan en koolstofdioxide-uitstotende bronnen op een economische en saaie manier te vervangen. Zonder dat volgt er niets.

Matthew L. Wald, een verslaggever in het Washington-bureau van de... New York Times , schrijft al 27 jaar over de nucleaire industrie.

zich verstoppen