211service.com
Fail-Safe Kernenergie
In februari vloog ik door het interieur van een machine die de toekomst van kernenergie zou kunnen vertegenwoordigen. Ik was op een virtual reality-tour bij het Shanghai Institute of Applied Physics in China, dat van plan is in de komende jaren een experimentele reactor te bouwen waarvan het ontwerp een kernsmelting veel minder waarschijnlijk maakt. Binnen in de kern - een superhete, intens radioactieve plek waar geen mens ooit zal komen - pelden de lagen van de energiecentrale voor me af: het buitenste vat van roestvrij staal, de binnenste laag van een hightech legering en tenslotte de nucleaire brandstof zelf, tienduizenden bollen ter grootte van een biljartbal die deeltjes radioactief materiaal bevatten.
Gezien de ongekende toegang tot de innerlijke werking van China's geavanceerde nucleaire R&D-programma, was ik getuige van de geboorte van een nieuwe nucleaire technologie. Door de virtuele reactor kronkelde een ingewikkeld systeem van buizen die de vloeistof transporteerden die dit systeem speciaal maakt: een gesmolten zout dat de reactor koelt en warmte transporteert om een turbine aan te drijven en elektriciteit te maken. In theorie kan dit type reactor in ieder geval niet het soort catastrofale falen ondergaan dat plaatsvond in Tsjernobyl en Fukushima, waardoor de dure en overbodige veiligheidssystemen die de kosten van conventionele reactoren hebben opgedreven, overbodig worden. Bovendien zouden de nieuwe centrales weinig afval moeten produceren en misschien zelfs bestaand kernafval opeten. Ze zouden kunnen draaien op uranium, dat 99 procent van de kerncentrales in de wereld aandrijft, of ze zouden uiteindelijk op thorium kunnen draaien, dat schoner en overvloediger is. Het uiteindelijke doel van het Shanghai Institute: het bouwen van een gesmolten-zoutreactor die de technologie uit de jaren 70 in de huidige kerncentrales zou kunnen vervangen en China zou kunnen helpen af te komen van de steenkool die de lucht van Shanghai en Peking vervuilt, waarmee een tijdperk van goedkope , overvloedige, koolstofvrije energie.
Dit verhaal maakte deel uit van ons septembernummer van 2016
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
In de komende twee decennia hoopt China de 's werelds grootste kernenergie-industrie . De plannen omvatten maar liefst 30 nieuwe conventionele kerncentrales (naast de 34 reactoren die momenteel in bedrijf zijn), evenals een verscheidenheid aan reactoren van de volgende generatie, waaronder thorium-smeltzoutreactoren, gasgekoelde hogetemperatuurreactoren (die, net als gesmolten -zoutreactoren, zijn zowel zeer efficiënt als inherent veilig), en natriumgekoelde snelle reactoren (die verbruikte splijtstof van conventionele reactoren kunnen verbruiken om elektriciteit te maken). Chinese planners willen niet alleen de binnenlandse nucleaire capaciteit van het land drastisch uitbreiden, maar ook 's werelds grootste leverancier van kernreactoren en componenten worden, een vooruitzicht dat veel westerse waarnemers alarmerend vinden.
De inspanningen van het Shanghai Institute om gesmolten-zoutreactoren te ontwikkelen, een technologie die in de Verenigde Staten al tientallen jaren bijna vergeten is, weerspiegelt hoe gewaagd de nucleaire ambities van China zijn. De regering heeft de afgelopen vijf jaar al zo'n twee miljard Chinese renminbi ($300 miljoen) geïnvesteerd in O&O op het gebied van gesmolten zout. Voor het bouwen van echte fabrieken zijn nog tientallen miljarden meer nodig. Net als bij andere innovatieve nucleaire technologieën die over de hele wereld in ontwikkeling zijn, zijn er weinig garanties: hoewel mensen kleine, experimentele gesmolten-zoutreactoren hebben gerund, heeft niemand er ooit een op nutsschaal gebouwd en aangesloten op het elektriciteitsnet. Toch verwacht de Chinese regering dat er binnen 15 jaar een fabriek van commerciële omvang operationeel zal zijn, waarmee de geplaagde kernenergie-industrie nieuw leven wordt ingeblazen.
De eerste experimenten met gesmolten-zoutreactoren werden eind jaren vijftig uitgevoerd in het Oak Ridge National Laboratory, in Tennessee, onder leiding van Alvin Weinberg. Het huidige Chinese programma is in feite het resultaat van een unieke en enigszins controversiële samenwerking tussen Oak Ridge en het Shanghai Institute. Het Amerikaanse onderzoeksprogramma duurde meer dan een decennium, maar werd uiteindelijk stopgezet ten gunste van de technologie die tegenwoordig in de overgrote meerderheid van kerncentrales wordt gebruikt. Achteraf gezien heeft die beslissing niet alleen bijgedragen aan de ondergang van een veelbelovende nucleaire technologie, maar ook aan de langdurige stagnatie van de industrie.
Tegenwoordig heeft de wereld echter meer dan ooit kernenergie nodig als we de klimaatverandering willen beperken. Volgens het Internationaal Energie Agentschap is de de nucleaire capaciteit van de wereld moet tegen het midden van de eeuw meer dan verdubbelen als we binnen 2 °C van de opwarming willen blijven. Zoals het er nu voorstaat, lijkt dat onwaarschijnlijk. Verschillende landen, waaronder China en India, zijn begonnen met het bouwen van massale kernenergie, maar de meeste zullen grote, conventionele reactoren met zich meebrengen - technologie die te duur is voor een groot deel van de rest van de wereld. Zelfs landen, zoals Duitsland, die zich kernenergie kunnen veroorloven, bouwen deze geleidelijk af omdat ze bang zijn voor een nieuwe ramp. Dat maakt de faalveilige kerncentrales die in het Shanghai Institute worden ontwikkeld van het grootste belang.
De wereld heeft kernenergie meer dan ooit nodig als we de klimaatverandering willen beperken.
Na mijn virtuele rondleiding liep Kun Chen, een van de leidende wetenschappers van het gesmolten-zoutprogramma, me terug naar het hoofdbestuursgebouw van het instituut. Er was vannacht sneeuw gevallen en het was bitter koud. In het auditorium had zich een kleine menigte stafleden verzameld voor een lezing door Xu Hongjie, de directeur van het gesmolten-zoutprogramma. Het was de week voor de lange nieuwjaarsvakantie en die avond werd het jaarlijkse banket van het instituut gehouden. Xu sprak meer dan twee uur over de geschiedenis van de gesmolten-zouttechnologie en de vooruitzichten voor de toekomst.
Dit is al een halve eeuw de droom van China, zei hij. Voorheen ontbrak het ons aan de nodige kennis en vaardigheden om het te realiseren. Nu hebben we de middelen, de technologie en de expertise. Nu kunnen we het.
kettingreacties
Alvin Weinberg kwam voor het eerst naar Oak Ridge in 1945, net nadat zijn laboratoria waren gebouwd in de heuvels in het noorden van Tennessee om uranium en plutonium van wapenkwaliteit te maken. Een veteraan van het Manhattan Project, Weinberg werd regisseur van het snelgroeiende nationale laboratorium in 1955 en bekleedde de functie tot 1973. Hij was een baanbrekende kernfysicus en een filosoof van kernenergie die de uitdrukking Faustiaanse koopjes gebruikte om de spanning te beschrijven tussen de honger van de geïndustrialiseerde samenleving naar overvloedige energie en de extreme waakzaamheid die nodig is om kernenergie veilig te houden. Om deze energiebron zowel schoon als extreem goedkoop te maken, meende hij dat de link tussen kernenergie en kernwapens zou moeten worden verbroken. En de manier om die link te verbreken was de thorium gesmolten-zoutreactor.
Onder leiding van Weinberg exploiteerde een team van enthousiaste jonge scheikundigen, natuurkundigen en ingenieurs een kleine, experimentele gesmolten-zoutreactor van 1965 tot 1969. Die reactor in Oak Ridge draaide op uranium; Het uiteindelijke doel van Weinberg was om er een te bouwen die uitsluitend op thorium zou werken, dat, in tegenstelling tot uranium, niet gemakkelijk tot een bom kan worden gemaakt. Maar het gesmolten-zoutexperiment werd begin jaren zeventig stopgezet. Een belangrijke reden was dat Weinberg erin slaagde zijn superieuren van zich te vervreemden door te waarschuwen voor de gevaren van conventionele kernenergie in een tijd waarin tientallen van dergelijke reactoren al in aanbouw waren of in de planningsfase zaten.
Tegen het einde van de eeuw hadden de VS 104 kernreactoren gebouwd, maar de bouw van nieuwe was vrijwel tot stilstand gekomen en de technologie bleef steken in de jaren zeventig. Omdat conventionele reactoren enorme, dure insluitingsvaten nodig hebben die onder extreme omstandigheden kunnen ontploffen, en omdat ze uitgebreide externe koelsystemen gebruiken om ervoor te zorgen dat de vaste-brandstofkern niet oververhit raakt en een op hol geslagen reactie veroorzaakt die tot een kernsmelting leidt, zijn ze enorm duur. Twee nieuwe reactoren die nu in Georgië worden gebouwd, zouden $ 21 miljard kunnen kosten, 50 procent meer dan de oorspronkelijke schatting van $ 14 miljard. Dat alles voor 40 jaar oude technologie.
Tegenwoordig echter, terwijl de klimaatverandering versnelt en overheidsfunctionarissen en wetenschappers op zoek zijn naar een nucleaire technologie zonder de dure problemen die de conventionele versie tot stilstand hebben gebracht, beleeft gesmolten zout een renaissance. Bedrijven zoals Aardse energie , transatomaire kracht , Moltex , en Flibe-energie strijden om nieuwe gesmolten-zoutreactoren te ontwikkelen. Onderzoeksprogramma's naar verschillende vormen van de technologie lopen op universiteiten en instituten in Japan, Frankrijk, Rusland en de Verenigde Staten, naast die van het Shanghai Institute. Naast het werk aan de ontwikkeling van vaste-brandstofreactoren die worden gekoeld door gesmolten zout (zoals degene die ik virtueel in Shanghai toerde), zijn er nog radicalere ontwerpen die ook radioactieve materialen gebruiken die zijn opgelost in gesmolten zout als brandstof (zoals het experiment van Weinberg deed). ).
Zoals alle kerncentrales, gesmolten-zoutreactoren prikkelen atomen in een radioactief materiaal om een gecontroleerde kettingreactie te creëren. De reactie ontketent warmte die water kookt, waardoor stoom ontstaat die een turbine aandrijft om elektriciteit op te wekken. Vaste-brandstofreactoren gekoeld met gesmolten zout kunnen bij hogere temperaturen draaien dan conventionele reactoren, waardoor ze efficiënter zijn, en ze werken bij atmosferische druk - wat betekent dat ze geen dure vaten nodig hebben van het soort dat scheurde in Tsjernobyl. Gesmolten-zoutreactoren die vloeibare brandstof gebruiken, hebben een nog aantrekkelijker voordeel: wanneer de temperatuur in de kern een bepaalde drempel bereikt, zet de vloeistof uit, wat de kernreacties vertraagt en de kern laat afkoelen. Om van deze eigenschap te profiteren, is de reactor gebouwd als een badkuip, met een aftapplug in de bodem; als de temperatuur in de kern te hoog wordt, smelt de plug en loopt de brandstof weg in een afgeschermde tank, meestal ondergronds, waar het veilig wordt opgeslagen terwijl het afkoelt. Deze reactoren zouden meer van de beschikbare energie in radioactief materiaal moeten kunnen aanboren dan conventionele reactoren. Dat betekent dat ze de hoeveelheid kernafval die moet worden behandeld en opgeslagen drastisch moeten verminderen.
Omdat ze geen enorme insluitingsstructuren nodig hebben en minder brandstof nodig hebben om dezelfde hoeveelheid elektriciteit te produceren, zijn deze reactoren compacter dan de huidige kerncentrales. Ze kunnen in massaproductie worden geproduceerd, in fabrieken, en worden gecombineerd in arrays om grotere energiecentrales te vormen.
Dat alles zou ze goedkoper moeten maken om te bouwen. In tegenstelling tot wind- en zonne-energie, die in de loop van de tijd veel goedkoper zijn geworden, zijn kerncentrales veel duurder geworden. Volgens de Amerikaanse Energy Information Administration stegen de voor inflatie gecorrigeerde kosten voor het bouwen van een kerncentrale van $ 1.500 per kilowatt aan capaciteit in het begin van de jaren zestig tot meer dan $ 4.000 per kilowatt halverwege de jaren zeventig. In haar laatste berekening, in 2013, ontdekte de EIA dat het cijfer was gestegen tot meer dan $ 5.500 - duurder dan een zonne-energiecentrale of onshore windpark, en veel meer dan een aardgasinstallatie. Die aanloopkosten worden versterkt door de grote omvang van de reactoren; tegen het gemiddelde dat door de EIA wordt genoemd, zou een fabriek van één gigawatt $ 5,5 miljard kosten, een risicovolle investering voor elk bedrijf.
Die aanloopkosten worden gecompenseerd door het feit dat kerncentrales relatief goedkoop te exploiteren zijn: bij nieuwe centrales bedragen de genivelleerde elektriciteitskosten, die de kosten van opgewekte stroom gedurende de levensduur van de centrale meet, $ 95 per megawattuur, volgens aan de EIA - vergelijkbaar met de kosten van elektriciteit uit kolencentrales, en minder dan zonne-energie ($ 125 per megawattuur). Toch zijn aardgascentrales veel goedkoper te bouwen, en de kosten van de elektriciteit die ze produceren ($ 75 per megawattuur, volgens de EIA) zijn ook lager. Aanscherping van de regelgeving voor koolstofemissies maakt kernenergie aantrekkelijker, maar het verlagen van de bouwkosten is van cruciaal belang voor de toekomst van koolstofvrije kernenergie.
Dat is de toon van een nieuwe lichting startups die werken aan geavanceerde kernreactoren, waarvan verschillende gefinancierd door investeerders uit Silicon Valley. Transatomic Power, bijvoorbeeld, werd opgericht door een paar MIT-promovendi, Leslie Dewan en Mark Massie, die een fabriek van 520 megawatt hebben ontworpen (ongeveer de grootte van een gemiddelde kolencentrale van vandaag) waarvan ze denken dat die kan worden gebouwd voor $ 2 miljard, of $ 3.846 per kilowatt aan capaciteit. Dat komt overeen met de kosten van het bouwen van een zonne-energiecentrale, maar zou het enorme voordeel hebben dat het continu stroom kan produceren, niet alleen als de zon schijnt. Terrestrial Energy, dat onlangs een onderzoeksbeurs van de Canadese regering won om een prototypereactor te bouwen, zegt dat de gesmolten-zoutreactor uiteindelijk kan worden gebouwd voor slechts $ 2.000 per kilowatt.
Maar hoewel gesmolten-zoutontwerpen inventieve jonge technologen hebben gestimuleerd, blijft het een ontmoedigend vooruitzicht om een nieuwe kernenergietechnologie in licentie te geven en te bouwen in de VS. Het simpelweg aanvragen van een licentie bij de Nuclear Regulatory Commission kan jaren duren en honderden miljoenen dollars kosten. Daarom komen sommige van deze startups misschien nooit van de grond. Bovendien zou zelfs $ 2 miljard veel geld zijn voor investeerders en nutsbedrijven om te besteden aan een onbewezen technologie met twijfelachtige financiële voordelen. Daarom is het programma dat het dichtst in de buurt komt van de productie van een werkende reactor in de Volksrepubliek China.
Groot denken
Zelfs toen het oorspronkelijke experiment met gesmolten-zouttechnologie in de jaren zeventig in de VS afliep, lanceerde een kleine groep onderzoekers van het Shanghai Institute of Applied Physics, onderdeel van de Chinese Academie van Wetenschappen, een eigen onderzoek naar thorium-aangedreven gesmolten-zoutreactoren. Maar China, dat pas in 1991 zijn eerste kerncentrale zou opstarten, miste de expertise en het geld om de geavanceerde machines en dure materialen in geavanceerde reactoren te ontwikkelen. Tegen de 21e eeuw vertrouwde China, net als alle andere landen met kernenergie, op conventionele reactoren. Maar de sintels van het concept gloeiden nog steeds in de hoofden van Chinese nucleaire wetenschappers.
De tijdlijnen zijn agressief, althans volgens de normen van de langzaam bewegende nucleaire industrie.
Vanuit Chinees oogpunt heeft thorium een bijzonder voordeel: terwijl het vasteland van China een klein percentage van 's werelds uranium heeft, heeft het veel thorium. Het hebben van een overvloedige bron van koolstofvrije energie zou een aantal van China's energiedilemma's in één keer oplossen. In de ogen van de centrale overheid zijn we hier niet om volwassen technologieën te ontwikkelen - we moeten iets nieuws creëren, iets strategischs, zegt Kun Chen, de gesmoltenzoutwetenschapper die mijn virtuele tour in Shanghai leidde. Je moet groot denken.
Opgeleid aan de prestigieuze Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China, in Hefei, behaalde Chen een doctoraat aan de Universiteit van Indiana en werkte hij een aantal jaren bij Argonne National Laboratory (dat, net als Oak Ridge, deel uitmaakt van het Amerikaanse ministerie van Energie). Maar hij kwam terug naar China om een wereldveranderende reactor te bouwen.
Hij hoorde erover in 2009, toen hij Shanghai bezocht om een seminar te geven aan het Institute of Applied Physics. Een wetenschapper daar vertelde hem over de thorium-smeltzoutreactor - een project dat nog niet is gefinancierd of aangekondigd. Ons team haalde de meeste technische documenten van het web - ze waren gepost door het Oak Ridge-team, herinnert Xu Hongjie, de directeur van het gesmolten-zoutprogramma, zich hoofdschuddend of hij bewonderd of verbaasd is over de openheid van de Amerikanen. Ze hebben daar alles gratis geplaatst.
Op aandringen van Xu sloot Chen zich aan bij de Shanghai Instituut in 2010, en vandaag heeft hij de leiding over de samenwerking met Oak Ridge. Het Amerikaanse laboratorium draagt bij aan onderzoek naar materialen, besturingssystemen en computersimulaties aan het project en heeft een grote testfaciliteit voor gesmolten zout; dat werd gefinancierd door de Chinese Academie van Wetenschappen. Terwijl sommige wetenschappers en voorstanders van kernenergie fel gekant zijn tegen het idee om China te helpen een wereldleidende nucleaire industrie op te bouwen, willen veel ingenieurs van Oak Ridge gewoon graag zien dat er ergens gesmolten-zoutreactoren worden gebouwd. Een van de belangrijkste dingen om te beseffen is dat een aantal sleutelfiguren in gesmolten-zoutreactoren zeer snel met pensioen gaan of overlijden, zegt David Holcombe, hoofd van de samenwerking tussen Oak Ridge en het Shanghai Institute. Je kunt niet zomaar een nieuwe set medewerkers importeren als we deze mogelijkheid willen behouden. China zorgt voor de financiering die ons in staat stelt die kennis over te dragen, om praktijkervaring op te doen bij het bouwen en exploiteren van deze reactoren.
Ik werd getroffen door het vertrouwen en het idealisme van de jonge wetenschappers die aan het instituut werken - een optimisme dat al decennia niet meer in Amerikaanse nucleaire kringen is gezien.
Om te beginnen is het Shanghai Institute van plan om een hybride benadering te volgen, waarbij gesmolten zout wordt gebruikt om een vaste-brandstofkern te koelen, vergelijkbaar met die in conventionele kerncentrales. Vervolgens, zegt Chen, zal het team overgaan op vloeibare brandstoffen om het potentieel van de technologie voor veiligheid en efficiëntie volledig te benutten. De brandstof zal in eerste instantie uranium zijn, maar de Chinese ingenieurs zijn van plan om later over te stappen op thorium.
De tijdlijnen zijn agressief, althans volgens de normen van de nucleaire industrie. Het Shanghai Institute wil tegen 2030 een fabriek voor vaste brandstoffen op commerciële schaal opstarten en tegen 2035 een demonstratiereactor voor vloeibare brandstof van 100 megawatt. Veel van het huidige werk, vertelde Chen, is gericht op het oplossen van de complexe sanitaire uitdagingen die verband houden met de zeer corrosief gesmolten zout. Ik werd getroffen door het vertrouwen en het idealisme van de jonge wetenschappers die aan het instituut werken - een optimisme dat sinds de tijd van Weinberg niet meer is gezien in Amerikaanse nucleaire kringen.
Op mijn laatste dag in Shanghai slenterden Kun Chen en ik over het terrein van het instituut. De sneeuw was grotendeels verdwenen, maar de ijzige wind was nog steeds scherp. Hij liet me het nieuwste bouwproject van de campus zien: een drie verdiepingen hoog gebouw ter grootte van een pakhuis om het thorium-gesmolten-zoutprogramma te huisvesten. Alle scheikundelabs, alle machinewerkplaatsen, alle computers, alle kantoren en de testcircuits en pompen en prototypes, zullen hier worden gehuisvest als het gebouw later dit jaar wordt geopend. Het was destijds slechts een omhulsel, maar het was een symbool van China's toewijding aan het volgende nucleaire tijdperk. De droom van Amerikaanse wetenschappers in Oak Ridge, een halve eeuw geleden, krijgt hier vorm, duizenden kilometers verderop.