Det bästa kärnkraftsalternativet

Föreställ dig en kärnkraftsindustri som kan driva Amerika i årtionden genom att använda sitt eget radioaktiva sopor, som bränner upp de delar av dagens reaktoravfall som är svårast att kassera. Lägg till teknik som tar upp kärnvapenagnar, uran som bröts och bearbetades men som mestadels var oanvändbart, och omvandlar det till ännu mer bränsle. Lägg sedan till en global affärsmodell som gör det mycket mindre sannolikt att reaktorbiprodukter som plutonium hittar vägen till kärnvapen i länder som Iran, även när ekonomisk kärnkraftsteknik blir tillgänglig för hela världen.

Det amerikanska energidepartementet främjar långtgående avfallsåtervinningstekniker som kräver nya reaktorkonstruktioner. Men uppdaterade konventionella konstruktioner som GE:s ekonomiska förenklade kokvattenreaktor (visas här) är klara idag. (Kredit: Bryan Christie)

Det är det lockande trippelspelet Bush-administrationen hoppas kunna vända med det Globala Nuclear Energy Partnership (GNEP) som den avslöjade tidigare i år, ett föreslaget långsiktigt forsknings- och utvecklingsprogram nästan lika djärvt som Manhattan-projektet. De grundläggande koncepten för upparbetning av bränsle i dess hjärta har funnits under mer än ett halvt sekel. Nu presenteras de på nytt som ett sätt att tillhandahålla rikligt med kolfritt bränsle för en energihungrig värld som hotas av klimatförändringar orsakade av människor.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2006

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Enligt planen, för vilken administrationen har begärt 250 miljoner dollar för räkenskapsåret som börjar den 1 oktober, skulle USA och vissa partnerländer behandla använt kärnbränsle med hjälp av nya tekniker som skulle förvandla en del av det till mer bränsle och minimera mängden som kräver bortskaffande . USA och dess partners skulle också hyra ut reaktorbränsle till andra länder, som sedan skulle lämna tillbaka sitt använda bränsle för att upparbetas.

Tekniken skulle kunna utnyttja uran mycket mer effektivt: Phillip J. Finck, biträdande direktör vid Argonne National Laboratory nära Chicago, säger att den skulle kunna utvinna upp till 100 gånger så mycket energi från uran som nu är möjligt. Med det avfall som nu ligger på hög vid reaktorer runt om i USA, går teorin att GNEP kan producera all el som landet kommer att behöva i årtionden, kanske till och med århundraden – förutsatt att tillräckligt många av de nödvändiga nya reaktorerna kunde byggas. Det skulle eliminera ungefär en tredjedel av alla amerikanska koldioxidutsläpp (ungefär den del som idag kommer från fossilbränslekraftverk). Allt detta samtidigt som det minskar avfallet och omintetgör avledningen av bränsle till kärnvapen.

Multimedia

• Video: Forskare talar ut om hotet från global uppvärmning och hur man hanterar det.

Men i praktiken skulle GNEP i det bästa scenariot ta decennier att utveckla, och i det värsta skulle det kanske inte producera någonting; det kan visa sig vara en icke-startare av tekniska skäl, eller så kan tekniken vara ekonomiskt okonkurrenskraftig med andra kolfria elkällor. Och programmet kan undergräva ett mer blygsamt och uppnåeligt mål: att återuppliva en kärnkraftsindustri som inte har startat ett framgångsrikt reaktorprojekt sedan 1974.

Idag har en allmänhet som en gång var försiktig med kärnenergi öppnat upp för det som ett möjligt svar på den globala uppvärmningen. Nya reaktorkonstruktioner som liknar de som används i dagens kommersiella flotta – men som sägs vara säkrare och effektivare – har redan godkänts eller granskats av U.S. Nuclear Regulatory Commission. Verksamheten är i olika stadier av planering av minst 16 sådana reaktorer (se Omrörningar av förnyelse Diagram ) och kan lämna in ansökningar till NRC så tidigt som i slutet av nästa år.

Sådana reaktorer är det mest lovande alternativet på kort sikt till ytterligare konventionella kolanläggningar som producerar enorma mängder koldioxid. Men det är osäkert när eller om de kommer att byggas. Om det ska hända måste branschen övertala investerare att ta ett stort steg. Det innebär att övertyga dem om att anläggningarna kommer att konkurrera ekonomiskt med andra källor med låga koldioxidutsläpp, som vindkraftverk, eller med kolanläggningar som binder deras koldioxid – en teknik som kan vara möjlig men som ännu inte har demonstrerats (se Den smutsiga hemligheten) . Enligt Electric Power Research Institute (EPRI), en ideell forskningsorganisation för allmännyttiga ändamål baserad i Palo Alto, Kalifornien, vars medlemmar inkluderar ägare av kol- och kärnkraftverk, kan reaktorkonstruktionerna på kort sikt knappt vara billigare än sekvestreringstekniken. Och om USA inte sätter några begränsningar på koldioxidutsläppen måste kärnkraften fortsätta konkurrera med konventionella kolkraftverk.

Samtidigt väntar industrin fortfarande på en lösning på sitt huvudproblem på kort sikt: vad man ska göra med avfall som samlas på befintliga kärnkraftverk. Skip Bowman, VD och koncernchef för Nuclear Energy Institute, industrins handelsgrupp, säger att utan en snabb avfallslösning kommer dagens trevande renässans att stanna av. Ett företag kan inte få licens för en ny anläggning utan en plan för avfallet, och i nuläget är det ingen plan att vänta på att energidepartementet öppnar sitt länge försenade avfallsförvar i Yucca Mountain i Nevada. I detta sammanhang, säger Bowman, presenterar GNEP en distraktionsfaktor.

Vissa akademiker håller med och säger att energidepartementet måste skapa en tydlig kärnkraftsstrategi och hålla fast vid den. Andrew Kadak, en kärnkraftsingenjör vid MIT (se DOE:s Blurred Nuclear Vision) , säger avdelningen har följt sicksackpolicyer. Han räknar GNEP som det femte kärnkraftsinitiativet under de senaste fem åren, med hänvisning till Nuclear Hydrogen Initiative; Nuclear Power 2010 (ett försök att bryta mark på en ny konventionell reaktor det året); Generation IV (en ny serie reaktorteknologier, såsom gas- eller blykylda anläggningar); och Advanced Fuel Cycle Initiative, vilka delar av GNEP liknar.

Om energiavdelningen vill minska koldioxidutsläppen genom att främja den utlovade återupplivningen av kärnkraften måste det skynda sig innan kraftbolagen fyller marknaden med konventionella kolkraftverk som kan hålla i 50 år. GNEP kan bara försvaga avdelningens fokus och lägga till kostnader och komplexitet med nya, oprövade teknologier.

Snabba reaktorer, långsam utveckling

GNEP är en mycket långsiktig vision; de flesta av de initiala 250 miljonerna skulle spenderas bara för att studera hur den nya tekniken kan fungera och vad de skulle kosta. Men dess förespråkares tanke är att vi behöver en mycket långsiktig vision. Energidepartementet förutspår att 1 000 kärnkraftverk kommer att vara igång över hela världen vid mitten av seklet, upp från 441 idag. Och den befintliga uranförsörjningen, hävdar GNEP-förespråkare, kommer inte att mata så många reaktorer.

Storleken på uranförsörjningen är i själva verket okänd, eftersom uran gick igenom en lång period av pressade priser, och det är inte många som letat efter det på sistone. Enligt industrikällor är det känt att cirka 3 miljoner ton finns, men ytterligare cirka 12 miljoner ton kan finnas där ute. (En MIT-studie 2003 förutspådde att det fortfarande fanns tillräckligt med uran för att bygga 1 000 reaktorer och driva dem i 40 år.) I den mån vi kan behöva sträcka ut denna resurs erbjuder GNEP dock ett sätt – åtminstone på papperet – att återvinna stora mängder extra energi från den.

Befintliga reaktorer genererar energi genom en kedjereaktion som börjar när en fri neutron träffar en atom av U-235, en isotop av uran, och delar dess kärna. Den delade atomen kastar av sig två eller tre neutroner; vanligtvis delar man en annan U-235-atom, och andra absorberas av atomer från en annan uranisotop, U-238, för att bilda plutonium-239 och andra transuraniska element (de som ligger bortom uran i det periodiska systemet). Dessa transuraner, tillsammans med klyvningsprodukter som cesiumisotoper, är bland komponenterna i kärnavfallet.

Problemet är att U-235 är en relativt sällsynt isotop; naturligt uran består av ungefär en del U-235 till 142 delar U-238, som inte är lika lätt att klyva. Uran som används i reaktorer anrikas så att U-235 förekommer i en koncentration av en del av 20. GNEP skulle använda uran mer effektivt genom att bränna transuraner från använt bränsle, efter att de separerats från andra biprodukter genom upparbetning. Det kan också utnyttja en del av U-238. Nyckeln skulle vara att utveckla en ny generation reaktorer, kallade snabba reaktorer.

Reaktorer som kyls av vatten, som nästan alla reaktorer är idag, bromsar neutronerna avsevärt efter att de släpps ut av kedjereaktionen. Men de reaktorer som föreslagits av GNEP skulle inte; de skulle använda ett annat material, förmodligen smält metall, för att föra bort värmen. (Tyvärr brinner den föredragna metallen för detta ändamål – natrium – vid kontakt med vatten eller luft.) Som en biljardboll skjuten av en kraftfullare kö, skulle neutronerna få ett större slag – tillräckligt för att dela en del av U-238 som såväl som de transuraniska isotoperna.

Transuranerna råkar vara bland de mest livslängda materialen i avfallsströmmen, och därmed några av de svåraste att göra sig av med. Det är det som gör att GNEP verkar så tilltalande som inte bara en klimatförändringslösning utan också en avfallslösning. Finck säger att det teoretiskt skulle minska värmen och toxiciteten hos det som idag anses vara tillräckligt avfall för att få Yucca Mountain att hålla under detta århundrade, istället för att vara fullbokat innan det första bränsleknippet begravs.

Kärnkraftspionjärer inom industri och regering antog alltid att bränslet skulle upparbetas för att återvinna plutonium för återanvändning. Sådan upparbetning är sättet som Manhattan-projektet samlade in plutonium för bomben som förstörde Nagasaki. (Hiroshimabomben använde anrikat uran.) W. R. Grace öppnade ett upparbetningscenter i West Valley, NY, 1965 och sålde det senare till Getty Oil. Anläggningen pågick till 1972 och kostade mer än 1,6 miljarder dollar att städa upp. General Electric försökte också bygga en fabrik i Morris, IL, men den bedömdes vara obrukbar 1974. Sedan förbjöd president Carter tekniken på grund av spridningsproblem.

GNEP skulle föra tillbaka dessa idéer från graven i en mycket mer ambitiös form som väcker sådana farhågor igen. En oro är hur det bombanvändbara materialet skulle utvinnas från det använda bränslet. Anhängare säger att GNEP skulle minska risken för spridning, för till skillnad från de gamla upparbetningsteknikerna, som fortfarande används i vissa länder, skulle de nya inte ge rent plutonium. Men idag är åtta kilo plutonium – den mängd som krävs för att göra en bomb – inbäddad i ungefär ett metriskt ton högradioaktivt avfall; i det nya systemet skulle det spädas ut med endast en liten mängd andra material. Regeringar eller terrorister skulle ha mycket lättare att stjäla det separerade materialet och utvinna plutonium, säger kritiker, än att återvinna plutonium från dagens använt kärnbränsle.

Energisekreterare Samuel Bodman, som diskuterade GNEP, lovade att den skulle svara på utmaningarna med global terrorism. Tanken är att babysäkra bränslecykeln: länder som Iran skulle kunna hyra bränsle berikat till reaktornivåer – 5 procent U-235 – men inte till bombnivåer, vanligtvis högre än 90 procent U-235. De skulle skicka tillbaka sitt använda bränsle till säkrare länder för upparbetning och en andra omgång inuti de avancerade reaktorerna. Dessa reaktorer, som skulle bränna många av de grundämnen som produceras i de enklare reaktorerna, skulle placeras på stabila platser som Indiana eller Florida – eller i länder som redan har kärnvapen.

Det resulterande partnerskapet skulle göra den amerikanska politiken för kärnteknik mer lik Rysslands och Frankrikes, som båda redan separerar plutonium. Förespråkarna nämner detta som en extra bonus för ett program som, säger Finck, kommer att förse USA med en långsiktig, prisvärd, kolfri energikälla med låg miljöpåverkan.

GNEP Mirage

Men GNEP kan vara en hägring. Dels har sponsorerna knappt någon aning om vad det skulle kosta; de 250 miljoner dollar som Bushadministrationen föreslagit är för ett program som hoppas kunna reda ut det. GNEP-stödjare säger att deras teknik kommer att utöka utbudet av kärnbränsle tillräckligt för att minska koldioxidutsläppen praktiskt taget för alltid och tillåta oss att undvika spöket att välja mellan global uppvärmning och mycket dyr energi. Det verkar dock som att det bara kan vara praktiskt att spara pengar på kärnbränsle om priset inte är något föremål.

Richard L. Garwin, en IBM-stipendiat emeritus och medförfattare till sju böcker om kärnvapen och kärnkraft, uppskattar att befintliga upparbetningsanläggningar som den som är verksamma i Frankrike förser reaktorer med plutonium till ett pris av cirka 1 000 dollar per kilo sparat uran. Men marknadspriset på uran, påpekar han, är runt 100 dollar per kilogram, och det kan vara på en tillfällig topp.

Bränsle är bara en del av kostnaden för kärnkraft, och Finck säger att upparbetning av bränsle och återanvändning av det i snabba reaktorer bara skulle lägga till cirka 10 procent till de totala energikostnaderna. Men var ens den blygsamma ökningen skulle komma ifrån är inte klart. Frank N. von Hippel, fysiker och policyexpert vid Princeton Universitys Woodrow Wilson School of Public and International Affairs, konstaterar att USA satte sig för att bygga en snabb reaktor på 1970-talet men lade ner ansträngningen 1983 efter Frankrike, Tyskland och Storbritannien byggde dem och övergav dem sedan som för kostsamma och svåra. Och när de snabba reaktorerna väl byggts, kan systemet som GNEP föreställer sig kräva så många som en av de dyra nya reaktorerna för var tredje vanliga, enligt sponsorer, beroende på hur effektiva de nya reaktorerna var. Garwin säger om de snabba reaktorerna: Det finns ingen uppfattning om att dessa saker kommer att ta sig fram ekonomiskt.

Jag hoppas att vi kommer att ha fler reaktorer; Jag hoppas verkligen att världen kommer att ha fler, säger Garwin och syftar på de typer som är kommersiellt verksamma idag. Men det kommer bara att ske om det ser ekonomiskt lönsamt ut för den privata industrin att ta sig in på detta område. Och just nu går en hel del smarta pengar – en del av dem kanaliseras genom energidepartementet – inte bara till den konventionella kärnkraften utan också till andra kolfria energikällor, som vind, sol och kol med koldioxidbindning.

EPRI analyserade nyligen priserna på elkällor utan koldioxidutsläpp och fann att om, som tillverkarna hävdar, nya reaktorer kunde byggas för 1 700 dollar per kilowatt kapacitet (mindre än kostnaden på 1980-talet, även innan justering för inflation), skulle de producera el till cirka 49 USD per megawattimme. Även om det är ungefär två tredjedelar av priset på biomassa och halva priset på vind, kan andra tekniker på ritbordet göra jobbet för mycket lite mer. För cirka 55 dollar per megawattimme, fann EPRI, kunde kol förgasas och brännas och koldioxiden bindas. Kraftverk som drivs på förgasat kol har inte kommersialiserats ännu, men konventionella pulveriserat kolverk skulle kunna byggas som skulle binda deras koldioxid, och de skulle producera kraft till cirka 65 dollar per megawattimme. Dessa tekniker uppfattas av investerare som lägre risk, och USA har hundratals års kol.

Om några år, eller några decennier, kan koldioxidskatter vara universella i industrivärlden, ett krig i Persiska viken kan göra att oljepriset fördubblas eller tredubblas, och efterfrågan på el kan öka – särskilt om någon kom på en bättre batteri som skulle kunna masstillverkas för elbilar. Men även om alla dessa saker drivit världen mot koldioxidfri energi, skulle vi fortfarande leta efter den koldioxidfria energin som kostar minst. Det kan vara kärnkraft, enligt EPRI. Men Steve Specker, ordförande för EPRI, förväntar sig ett hästkapplöpning mellan olika kolteknologier utan kol.

Leker med Proliferation

Utöver kostnadsfrågan kan GNEP vända en framgångsrik strategi mot spridning, säger en mängd olika forskare, inklusive Princetons von Hippel. Han menar att upparbetning av använt kärnbränsle skapar för stor risk, även om plutoniumet blandas med små mängder andra material som inte är bra bombbränsle. Inte bara kunde plutonium från använt bränsle hamna i orätta händer, säger motståndarna, utan upparbetning i USA kan uppmuntra andra länder att själva upparbeta kärnavfall och göra sina egna biprodukter tillgängliga för vapen.

Med tanke på att USA gav upp upparbetningen i mitten av 1970-talet av just den anledningen, tycker von Hippel att det är olycksbådande att landet nu, med GNEP, kunde anamma det igen. Förenta staterna har varit utomordentligt framgångsrika i 30 år med att motsätta sig spridningen av upparbetning till icke-vapenstater genom att framföra argumentet 'Vi upparbetar inte; du behöver inte heller, säger han. Det är en del av logiken i MIT-studien från 2003, The Future of Nuclear Power, som drog slutsatsen att upparbetning som eftersträvades av Frankrike, Ryssland och Japan inte gav tillräckliga skydd mot spridning. Den drog också slutsatsen att utsikten till uranbrist inte skulle vara en anledning att gå över till upparbetning i USA under många år framöver.

Det är lätt att se varför forskarvärlden är glada över GNEP. Det representerar en enorm finansieringskälla. Det är ett trick för den industrialiserande världen, särskilt för byråkrater som vill återlösa förutsägelserna från deras 1950-talsföregångare om makt som är för billig att mäta. Men GNEP är inte relevant för ett återupplivande av kärnkraften. Verksamheten övergav mer än 100 reaktorprojekt på 1970- och 80-talen, och först nu – sporrade av höga fossilbränslepriser och en förändring i allmänhetens attityder – funderar de på att försöka igen. En snygg bränslecykel avsedd att stödja en växande kommersiell industri är värdelös om det inte finns någon kommersiell industri. Vad kärnkraften behöver är att snart komma igång och ersätta koldioxidavgivande källor på ett ekonomiskt och tråkigt sätt. Utan det kommer ingenting att följa.

Matthew L. Wald, en reporter på Washingtonbyrån New York Times , har skrivit om kärnkraftsindustrin i 27 år.

Dölj