Felsäker kärnkraft

I februari flög jag genom det inre av en maskin som skulle kunna representera kärnkraftens framtid. Jag var på en virtuell verklighetsturné på Shanghai Institute of Applied Physics i Kina, som planerar att under de närmaste åren bygga en experimentell reaktor vars design gör en härdsmälta mycket mindre sannolik. Inne i kärnan – en superhet, intensivt radioaktiv plats dit ingen människa någonsin kommer att gå – skalade lagren av kraftverket tillbaka framför mig: det yttre kärlet av rostfritt stål, det inre lagret av en högteknologisk legering och slutligen kärnbränslet själv, tiotusentals sfärer i biljardbollstorlek som innehåller partiklar av radioaktivt material.

Med tanke på oöverträffad tillgång till de inre funktionerna i Kinas avancerade kärntekniska FoU-program bevittnade jag en ny kärnteknik som föddes. Genom den virtuella reaktorn slingrade sig ett invecklat system av rör som transporterar vätskan som gör detta system speciellt: ett smält salt som kyler reaktorn och transporterar värme för att driva en turbin och göra elektricitet. Åtminstone i teorin kan den här typen av reaktorer inte drabbas av den typ av katastrofala misslyckanden som hände i Tjernobyl och Fukushima, vilket gör de dyra och överflödiga säkerhetssystemen som har drivit upp kostnaderna för konventionella reaktorer onödiga. Dessutom borde de nya anläggningarna producera lite avfall och kan till och med äta upp befintligt kärnavfall. De kan drivas på uran, som driver 99 procent av kärnkraftverken i världen, eller så kan de så småningom drivas på torium, som är renare och rikligare. Det slutliga målet för Shanghai Institute: att bygga en smältsaltreaktor som kan ersätta 1970-talets teknologi i dagens kärnkraftverk och hjälpa till att avvänja Kina från kolet som smutsar ner luften i Shanghai och Peking, vilket kan inleda en era av billiga priser. , riklig, koldioxidfri energi.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2016

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Under de kommande två decennierna hoppas Kina kunna bygga världens största kärnkraftsindustri . Planerna inkluderar så många som 30 nya konventionella kärnkraftverk (utöver de 34 reaktorer som är i drift idag) samt en mängd olika nästa generations reaktorer, inklusive toriumsmälta-saltreaktorer, högtemperaturgaskylda reaktorer (som likt smälta -saltreaktorer, är både högeffektiva och i sig säkra), och natriumkylda snabba reaktorer (som kan förbruka använt bränsle från konventionella reaktorer för att göra elektricitet). Kinesiska planerare vill inte bara dramatiskt utöka landets inhemska kärnkraftskapacitet utan också bli världens ledande leverantör av kärnreaktorer och komponenter, ett perspektiv som många västerländska observatörer finner alarmerande.

Shanghai Institutes ansträngningar att utveckla smältsaltreaktorer, en teknik som har suttit nästan bortglömd i USA i decennier, återspeglar hur vågade Kinas kärnkraftsambitioner är. Redan har regeringen investerat cirka två miljarder kinesiska renminbi (300 miljoner USD) under de senaste fem åren i FoU med smält salt. Att bygga verkliga anläggningar kommer att kräva tiotals miljarder mer. Som med andra innovativa kärnkraftsteknologier under utveckling runt om i världen finns det få garantier: även om människor har kört små experimentella smältsaltreaktorer, har ingen någonsin byggt en i nyttoskala och kopplat den till nätet. Ändå förväntar sig den kinesiska regeringen att ha en anläggning i kommersiell storlek igång inom 15 år, vilket hjälper till att återuppliva den belägrade kärnkraftsindustrin.

De första experimenten med smältsaltreaktorer utfördes vid Oak Ridge National Laboratory, i Tennessee, under dess chef Alvin Weinberg i slutet av 1950-talet. Dagens kinesiska program är faktiskt frukten av ett unikt och något kontroversiellt partnerskap mellan Oak Ridge och Shanghai Institute. Det amerikanska forskningsprogrammet pågick i mer än ett decennium men stängdes så småningom ner till förmån för den teknik som används i de allra flesta kärnkraftverk idag. I efterhand bidrog det beslutet inte bara till att en lovande kärnteknik försvann utan också till industrins långa stagnation.

Men idag behöver världen kärnkraft mer än någonsin om vi ska begränsa klimatförändringarna. Enligt Internationella energibyrån världens kärnkraftskapacitet måste mer än fördubblas till mitten av seklet om vi ska hålla oss inom 2 °C från uppvärmningen. Som det ser ut nu verkar det osannolikt. Flera länder, inklusive Kina och Indien, har påbörjat massiva kärnkraftsutbyggnader, men de flesta kommer att innebära stora, konventionella reaktorer – teknik som är för dyr för stora delar av resten av världen. Till och med länder, som Tyskland, som har råd med kärnkraft fasar ut den eftersom de fruktar ytterligare en katastrof. Det gör att de felsäkra kärnkraftverken som utvecklas vid Shanghai Institute är av yttersta brådska.

Världen behöver kärnkraft mer än någonsin om vi ska begränsa klimatförändringarna.

Efter min virtuella rundtur ledde Kun Chen, en av programmets ledande forskare, mig tillbaka till institutets huvudbyggnad. Snön hade fallit under natten och det var bittert kallt. I auditoriet hade en liten skara personal samlats för ett föredrag av Xu Hongjie, chefen för programmet för smält-salt. Det var veckan före den långa nyårshelgen, och institutets årliga bankett hölls den kvällen. Xu talade i mer än två timmar om smältsaltteknologins historia och dess framtidsutsikter.

Detta har varit Kinas dröm i ett halvt sekel, sa han. Tidigare saknade vi nödvändiga kunskaper och färdigheter för att det skulle bli verklighet. Nu har vi resurserna och tekniken och kompetensen. Nu kan vi göra det.

Kedjereaktioner

Alvin Weinberg kom först till Oak Ridge 1945, precis efter att dess laboratorier hade byggts i de norra Tennessee-kullarna för att tillverka uran och plutonium för vapen. En veteran från Manhattan Project, Weinberg blev direktör av det snabbt växande nationella labbet 1955 och innehade befattningen fram till 1973. Han var en banbrytande kärnfysiker och en kärnkraftsfilosof som använde uttrycket Faustian bargain för att beskriva spänningen mellan det industrialiserade samhällets törst efter riklig energi och den extrema vaksamhet som krävs för att hålla kärnkraften säker. För att göra denna energikälla både ren och extremt billig, trodde han, måste kopplingen mellan kärnkraft och kärnvapen brytas. Och sättet att bryta den länken var toriumsmält-saltreaktorn.

Under Weinbergs ledning drev ett team av entusiastiska unga kemister, fysiker och ingenjörer en liten experimentell smältsaltreaktor från 1965 till 1969. Den reaktorn vid Oak Ridge körde på uran; Weinbergs slutliga mål var att bygga en som enbart skulle köras på torium, som till skillnad från uran inte lätt kan göras till en bomb. Men experimentet med smält salt övergavs i början av 1970-talet. En stor anledning var att Weinberg lyckades alienera sina överordnade genom att varna för farorna med konventionell kärnkraft vid en tidpunkt då dussintals sådana reaktorer redan var under uppbyggnad eller i planeringsstadiet.

I slutet av århundradet hade USA byggt 104 kärnreaktorer, men byggandet av nya hade nästan stannat av, och tekniken förblev fast på 1970-talet. Eftersom konventionella reaktorer kräver enorma, kostsamma inneslutningskärl som kan sprängas under extrema förhållanden, och eftersom de använder omfattande externa kylsystem för att se till att kärnan i fast bränsle inte överhettas och orsakar en rinnande reaktion som leder till en härdsmälta, är de enormt dyr. Två nya reaktorer som byggs nu i Georgien kan kosta 21 miljarder dollar, 50 procent över den ursprungliga uppskattningen på 14 miljarder dollar. Allt detta för 40-årig teknik.

Men i dag, när klimatförändringarna accelererar och regeringstjänstemän och forskare söker en kärnteknik utan de dyra problem som har stoppat den konventionella versionen, får smält salt en renässans. Företag som t.ex Jordbunden energi , Transatomisk kraft , Moltex , och Flibe energi tävlar om att utveckla nya smältsaltreaktorer. Forskningsprogram om olika former av tekniken pågår vid universitet och institut i Japan, Frankrike, Ryssland och USA, utöver det vid Shanghai Institute. Förutom arbetet med att utveckla reaktorer för fast bränsle som kyls av smält salt (som den jag turnerade praktiskt taget i Shanghai), finns det ännu mer radikala konstruktioner som också använder radioaktiva material lösta i smält salt som bränsle (som Weinbergs experiment gjorde ).

Som alla kärnkraftverk, smältsaltreaktorer exciterar atomer i ett radioaktivt material för att skapa en kontrollerad kedjereaktion. Reaktionen släpper lös värme som kokar vatten, vilket skapar ånga som driver en turbin för att generera elektricitet. Fastbränslereaktorer kylda med smält salt kan köras vid högre temperaturer än konventionella reaktorer, vilket gör dem mer effektiva, och de arbetar vid atmosfärstryck - vilket betyder att de inte kräver dyra kärl av det slag som sprack vid Tjernobyl. Smältsaltreaktorer som använder flytande bränsle har en ännu mer attraktiv fördel: när temperaturen i härden når en viss tröskel expanderar vätskan, vilket saktar ner kärnreaktionerna och låter härden svalna. För att dra nytta av denna egenskap är reaktorn byggd som ett badkar, med en avtappningsplugg i botten; om temperaturen i kärnan blir för hög smälter pluggen och bränslet rinner ut i en avskärmad tank, vanligtvis under jord, där det förvaras säkert när det svalnar. Dessa reaktorer bör kunna tappa mer av den energi som finns tillgänglig i radioaktivt material än vad konventionella gör. Det betyder att de dramatiskt borde minska mängden kärnavfall som måste hanteras och lagras.

Eftersom de inte kräver stora inneslutningsstrukturer och behöver mindre bränsle för att producera samma mängd el, är dessa reaktorer mer kompakta än dagens kärnkraftverk. De kunde masstillverkas, i fabriker och kombineras i arrayer för att bilda större kraftverk.

Allt detta borde göra dem billigare att bygga. Till skillnad från vind och sol, som har blivit mycket billigare med tiden, har kärnkraftverk blivit mycket dyrare. Enligt U.S. Energy Information Administration steg den inflationsjusterade kostnaden för att bygga ett kärnkraftverk från 1 500 dollar per kilowatt kapacitet i början av 1960-talet till mer än 4 000 dollar per kilowatt i mitten av 1970-talet. I sin senaste beräkning, 2013, fann EIA att siffran hade stigit till mer än 5 500 dollar - dyrare än ett solkraftverk eller en vindkraftpark på land, och mycket mer än en naturgasanläggning. Den initiala kostnaden förstärks av reaktorernas stora storlek; vid det genomsnitt som nämns av EIA, skulle en anläggning på en gigawatt kosta 5,5 miljarder dollar, en riskabel investering för vilket företag som helst.

Dessa initiala kostnader balanseras av det faktum att kärnkraftverk är relativt billiga att driva: vid nya anläggningar är den utjämnade kostnaden för el, som mäter kostnaden för el som genereras under anläggningens livslängd, $95 per megawattimme, enligt till EIA – jämförbar med kostnaden för el från koleldade anläggningar och mindre än solenergi (125 USD per megawattimme). Ändå är naturgasanläggningar mycket billigare att bygga, och kostnaden för elen de producerar (75 USD per megawattimme, enligt EIA) är också lägre. Skärpta regler för koldioxidutsläpp gör kärnkraften mer attraktiv, men att sänka byggkostnaderna är avgörande för framtiden för kärnkraft utan koldioxidutsläpp.

Det är förslaget som skapas av en ny skörd av startups som arbetar med avancerade kärnreaktorer, flera av dem finansierade av Silicon Valley-investerare. Transatomic Power, till exempel, grundades av ett par MIT-doktorer, Leslie Dewan och Mark Massie, som har designat en 520 megawatts anläggning (ungefär storleken på en genomsnittlig kolanläggning idag) som de tror kan byggas för 2 miljarder dollar, eller $3 846 per kilowatt kapacitet. Det är i linje med kostnaden för att bygga ett solkraftverk — men skulle ha den stora fördelen att kunna producera kraft kontinuerligt, inte bara när solen skiner. Terrestrial Energy, som nyligen vann ett forskningsanslag från den kanadensiska regeringen för att bygga en prototypreaktor, säger att dess smältsaltreaktor så småningom kan byggas för så lite som 2 000 dollar per kilowatt.

Men även om konstruktioner av smält salt har gett energi till uppfinningsrika unga teknologer, är det fortfarande en skrämmande möjlighet att få en ny kärnkraftsteknik licensierad och byggd i USA. Att helt enkelt ansöka om en licens från Nuclear Regulatory Commission kan ta år och kosta hundratals miljoner dollar, vilket är anledningen till att vissa av dessa startups kanske aldrig kommer igång. Dessutom skulle till och med 2 miljarder dollar vara mycket pengar för investerare och företag att spendera på en oprövad teknik med tvivelaktiga ekonomiska fördelar. Det är därför det program som är närmast att producera en fungerande reaktor finns i Folkrepubliken Kina.

Tänka stort

Även när det ursprungliga experimentet med smältsaltteknologi höll på att avvecklas i USA på 1970-talet, startade en liten grupp forskare vid Shanghai Institute of Applied Physics, en del av den kinesiska vetenskapsakademin, sin egen undersökning av toriumbränsle. smältsaltreaktorer. Men Kina, som inte skulle starta sitt första kärnkraftverk förrän 1991, saknade expertis och pengar för att utveckla det sofistikerade maskineriet och dyra materialen i avancerade reaktorer. På 2000-talet, precis som alla andra länder med kärnkraft, förlitade sig Kina på konventionella reaktorer. Men glöden av konceptet glödde fortfarande i medvetandet hos kinesiska kärnkraftsforskare.

Tidslinjerna är aggressiva, åtminstone med den långsamma kärnkraftsindustrins standarder.

Ur kinesisk synvinkel har torium en särskild fördel: medan Kina på fastlandet har en liten andel av världens uran, har det gott om torium. Att ha en riklig källa till kolfri energi skulle lösa flera av Kinas energidilemman på en gång. I centralregeringens ögon är vi inte här för att göra mogen teknologi – vi måste skapa något nytt, något strategiskt, säger Kun Chen, forskaren med smält salt som ledde min virtuella rundtur i Shanghai. Man måste tänka stort.

Utbildad vid det prestigefyllda universitetet för vetenskap och teknologi i Kina i Hefei, tog Chen en doktorsexamen från Indiana University och arbetade i flera år vid Argonne National Laboratory (som, liksom Oak Ridge, är en del av det amerikanska energidepartementet). Men han kom tillbaka till Kina för att bygga en världsföränderlig reaktor.

Han hörde talas om det 2009, när han besökte Shanghai för att presentera ett seminarium vid Institutet för tillämpad fysik. En forskare där berättade för honom om toriumsmält-saltreaktorn - ett projekt som ännu inte finansierats eller tillkännagavs. Vårt team fick de flesta av de tekniska dokumenten från webben – de postades av Oak Ridge-teamet, minns Xu Hongjie, chefen för programmet för smältsalt, och skakade på huvudet av antingen beundran eller förvåning över amerikanernas öppenhet. De lade upp allt där gratis.

På Xus uppmaning gick Chen med i Shanghai Institute 2010, och idag är han ansvarig för samarbetet med Oak Ridge. Det amerikanska labbet bidrar med forskning om material, styrsystem och datorsimuleringar till projektet och har byggt en stor testanläggning för smältsalt som finansierades av den kinesiska vetenskapsakademin. Medan vissa vetenskapsmän och kärnkraftsförespråkare häftigt motsätter sig idén att hjälpa Kina att bygga en världsledande kärnkraftsindustri, är många Oak Ridge-ingenjörer bara ivriga att se reaktorer med smält salt byggas någonstans. En av de viktiga sakerna att inse är att ett antal nyckelpersoner i smältsaltreaktorer går i pension väldigt snabbt eller går bort, säger David Holcombe, som leder Oak Ridges samarbete med Shanghai Institute. Du kan inte bara importera en ny uppsättning personal om vi ska behålla denna förmåga. Kina tillhandahåller den finansiering som gör att vi kan överföra den kunskapen, för att få praktisk erfarenhet av att bygga och driva dessa reaktorer.

Jag slogs av förtroendet och idealismen hos de unga forskarna som arbetar vid institutet – en optimism som inte setts i amerikanska kärnkraftskretsar på årtionden.

Till att börja med planerar Shanghai Institute att ta ett hybridtillvägagångssätt, med hjälp av smält salt för att kyla en kärna av fast bränsle som liknar de i konventionella kärnkraftverk. Sedan, säger Chen, kommer teamet att gå vidare till flytande bränslen för att fullt ut realisera teknikens potential för säkerhet och effektivitet. Till en början kommer bränslet att vara uran, men de kinesiska ingenjörerna planerar att senare byta till torium.

Tidslinjerna är aggressiva, åtminstone enligt kärnkraftsindustrins standarder. Shanghai Institute siktar på att starta en kommersiell anläggning för fast bränsle till 2030 och en demonstrationsreaktor för flytande bränsle på 100 megawatt till 2035. Mycket av det nuvarande arbetet, berättade Chen för mig, fokuserar på att lösa de komplexa VVS-utmaningarna som är förknippade med starkt frätande smält salt. Jag slogs av förtroendet och idealismen hos de unga forskarna som arbetar vid institutet – en optimism som inte setts i amerikanska kärnkraftskretsar sedan Weinbergs tid.

På min sista dag i Shanghai strosade Kun Chen och jag runt på institutets område. Snön var för det mesta borta, men den isiga vinden var fortfarande skarp. Han visade mig campus senaste byggprojekt: en tre våningar hög byggnad i lagerstorlek för att inrymma programmet för toriumsmälta. Alla kemilabb, alla maskinverkstäder, alla datorer, alla kontor och testslingor och pumpar och prototyper, kommer att inrymmas här när byggnaden öppnar senare i år. Det var bara ett skal på den tiden, men det var en symbol för Kinas engagemang för nästa kärnvapenera. Drömmen för amerikanska forskare vid Oak Ridge, för ett halvt sekel sedan, håller på att ta form här, tusentals mil bort.

Dölj