Аэс за ними будущее или будущее без них в публицистическом стиле: за ними будущее или без них?

Атомная энергия как источник электроэнергии растет во всем мире. Бертон Рихтер, почетный директор Национальной ускорительной лаборатории SLAC, объясняет, почему Соединенным Штатам следует разработать собственную политику в области ядерной энергетики.

Кортни Джонстон/Creative Commons/Flickr

Физик Стэнфордского университета Бертон Рихтер считает, что Соединенным Штатам пора стать лидером в области развития безопасной и эффективной ядерной энергетики.

Ядерная энергетика должна играть важную роль в энергетическом будущем Америки, несмотря на широко распространенные опасения по поводу стоимости и безопасности, по словам физика Стэнфордского университета Бертона Рихтера.

Рихтер, почетный директор Национальной ускорительной лаборатории SLAC и лауреат Нобелевской премии по физике, является автором новой книги За дымом и зеркалами: изменение климата и энергия в 21 веке (Cambridge Press, 2010).

5 мая на еженедельном Стэнфордском энергетическом семинаре он обсудил особенности и проблемы ядерной энергетики. По словам Рихтера, ядерная энергия как источник электроэнергии растет во всем мире и также должна быть основным компонентом энергетической политики США. «Последствия наступят через 100 лет, но самое эффективное время начать работать над этим — сейчас», — добавил он.

Противники ядерной энергетики называют четыре основных вопроса: стоимость, радиационная и аварийная вероятность, утилизация отходов и риск распространения оружия, сказал Рихтер. Но по сравнению с нефтью или углем ядерная энергетика производит такое же количество электроэнергии за меньшие деньги и не выделяет парниковых газов. И хотя опасения по поводу хранения радиоактивных отходов и распространения оружия обоснованы, сказал Рихтер, Америке пора стать более экологичными, расширяя ядерную энергетику.

Почему ядерный?

Солнечные панели и ветряные турбины стали образцом чистой энергии, сказал Рихтер. Но не всегда светит солнце и не всегда дует ветер. По его словам, средняя солнечная электростанция имеет КПД всего 22 процента, а это означает, что в течение 24 часов она производит в среднем всего 5,25 часа электроэнергии. А до технологии, позволяющей эффективно накапливать полуденную электроэнергию для полуночного часа, потребуются годы.

В отличие от этого, он указал, что ядерная энергия является чистой и может обеспечить постоянный поток электронов круглосуточно. Он отметил, что Франция, например, получает 80 процентов своей электроэнергии от атомной энергетики и производит примерно вдвое меньше выбросов углекислого газа на доллар валового внутреннего продукта, чем Соединенные Штаты.

«Основная привлекательность атомной энергетики для большей части мира не имеет ничего общего с выбросами парниковых газов», — добавил он. «Это связано с доступными ресурсами». По его словам, японцы используют ядерную энергетику, потому что она дает им энергию для освещения неоновых вывесок Токио, не завися от зарубежных стран в плане ископаемого топлива.

Китайский синдром

Для многих американцев угроза аварии достаточна, чтобы отговорить их от перехода на ядерную энергетику в национальном масштабе, признал Рихтер. Но в то время как печально известная авария в Чернобыле в 1986 году в бывшем Советском Союзе убила или заболела множество людей, аналогичная авария здесь повлекла бы за собой гораздо меньшие потери, сказал он.

АЭС советской эпохи, такие как Чернобыль, практически не имели инфраструктуры для сдерживания, отметил он. Напротив, когда в 1919 году на заводе в Три-Майл-Айленде в Пенсильвании произошла утечка ядерного материала.По его словам, 79 толстые окружающие экраны не позволяли радиоактивным материалам нанести вред рабочим и гражданскому населению. «Причина, по которой «Три-Майл-Айленд» оказывает такое большое влияние, заключается в фильме Джейн Фонды под названием «. Китайский синдром », — сказал Рихтер. В популярном фильме, выпущенном за несколько дней до аварии на Три-Майл-Айленд, репортер раскрывает нарушения техники безопасности на атомной электростанции.

Хотя риски, связанные с плавлением и другими авариями, минимальны, хранение радиоактивных отходов представляет собой серьезную проблему для здоровья и технологий, признал Рихтер. По его словам, некоторые отходы будут сохраняться в раскаленном радиоактивном состоянии в течение 300 000 лет. По его словам, Соединенные Штаты уже произвели 60 000 тонн ядерных отходов и произведут еще 60 000 тонн к тому времени, когда их нынешние реакторы отключатся.

Соединенные Штаты недавно отказались от планов по хранению большей части этих отходов под горой Юкка в Неваде. Некоторые предлагали строить специальные реакторы, чтобы поглотить отработавшее ядерное топливо и превратить его в менее радиоактивные соединения. Но большинство исследований по переработке отходов проводится в других странах, а не в нашей стране, сказал Рихтер.

Что касается отработавшего ядерного топлива, «у нас нет четкого плана», — сказал он. «Любите это или ненавидите, у нас это есть».

Америка как ядерный лидер

С точки зрения национальной безопасности, многие атомные электростанции производят материалы, которые могут стать топливом для ядерного оружия, и защита этих ресурсов будет иметь решающее значение, если ядерная энергия получит широкое распространение, предупредил он. Но из-за того, что американцы так упорно сопротивлялись ядерной энергетике, ряд стран не желали прислушиваться к рекомендациям США относительно будущей глобальной роли ядерной энергетики.

Международное сообщество было бы более заинтересовано в сотрудничестве с Соединенными Штатами в развитии безопасной и эффективной ядерной энергетики, если бы правительство США взяло на себя обязательства по этой технологии, сказал Рихтер.

Соединенным Штатам пора стать лидером в этой области, сказал он, отметив, что Америка имеет первоклассные проекты атомных электростанций и превосходную основу для регулирования ядерной энергетики. «Мы очень хороши, и люди очень заинтересованы в том, чтобы узнать, как что-то делать у нас», — сказал он.

Для Рихтера наука об устойчивой энергетике — это самое простое. Настоящей проблемой будет разработка политики, которая сделает научные рекомендации реальностью. «Политика намного сложнее, чем физика», — сказал он.

Семинар по энергетике спонсируется Стэнфордским институтом окружающей среды Вудса и Предварительным институтом энергетики. Грегори Яцко, председатель Комиссии по ядерному регулированию США, обсудит проблемы регулирования атомных электростанций на специальном семинаре во вторник, 18 мая, в 16:15. в корпусе 420, кабинет 40. Лекция бесплатная и открыта для публики.

Дэниел Стрейн — стажер-писатель в Институте окружающей среды Вудса при Стэнфордском университете.

Марк Шварц, Институт окружающей среды Вудса: (650) 723-9296, [email protected]

Спорное будущее атомной энергетики в США

В настоящее время в США строятся два ядерных реактора на заводе Фогтл в Джорджии. Они превышают бюджет на миллиарды долларов и отстают от графика на годы.

Энергетическая компания Джорджии

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Президент Джо Байден поставил перед собой амбициозные цели по борьбе с изменением климата: к 2030 году вдвое сократить выбросы углерода в США и добиться нулевого уровня выбросов углерода к 2050 году. План требует производства электроэнергии — сектора экономики, который проще всего озеленить, считают аналитики. — к 2035 году стать безуглеродным.

Откуда берётся всё это чистое электричество?

Несколько цифр из Управления энергетической информации США (EIA) иллюстрируют проблему. В 2020 году в США было произведено около четырех триллионов киловатт-часов электроэнергии. Около 60 процентов этого объема приходится на сжигание ископаемого топлива, в основном природного газа, примерно на 10 000 генераторов, больших и малых, по всей стране. Всю эту электроэнергию необходимо будет заменить — и даже больше, потому что спрос на электроэнергию, как ожидается, будет расти, особенно если мы будем питать ею больше автомобилей.

Возобновляемые источники энергии, такие как солнце и ветер, растут быстрее, чем ожидалось; вместе с гидроэлектростанциями они впервые превзошли уголь в 2019 году и теперь производят 20 процентов электроэнергии в США. В феврале EIA прогнозировало, что к 2050 году возобновляемые источники энергии будут производить более 40% энергии — возможно, значительный рост, но все еще далеко от того, что необходимо для обезуглероживания энергосистемы к 2035 году и предотвращения климатического кризиса.

Недавно эта непростая задача заставила некоторых защитников окружающей среды пересмотреть альтернативу, которой они давно опасались: ядерную энергию.

В октябре прошлого года ротор турбины был установлен на четвертом энергоблоке завода Vogtle, одном из двух строящихся реакторов.

Фотография предоставлена ​​компанией Georgia Power Company

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Атомная энергетика имеет много преимуществ. Его углеродный след эквивалентен ветру, меньше, чем солнечный, и на несколько порядков меньше, чем уголь. Атомные электростанции занимают гораздо меньше места на ландшафте, чем солнечные или ветряные электростанции, и они производят энергию даже ночью или в безветренные дни. В 2020 году они произвели в США столько же электроэнергии, сколько и возобновляемые источники энергии, то есть пятую часть от общего количества.

Но бушуют споры о том, должна ли ядерная энергия быть важной частью решения проблемы климата в США. Большинство американских атомных станций сегодня приближаются к концу своего проектного срока службы, и только одна была построена за последние 20 лет. Сторонники атомной энергии теперь делают ставку на конструкции следующего поколения, такие как небольшие модульные версии обычных легководных реакторов или усовершенствованные реакторы, разработанные, чтобы быть более безопасными, дешевыми и более гибкими.

«За последние полвека мы ввели так мало инноваций, что есть над чем поработать, — говорит Эшли Финан, директор Национального центра инноваций в области реакторов при Национальной лаборатории Айдахо.

Тем не менее, расширение ядерной энергетики сталкивается с некоторыми серьезными препятствиями, и вечные опасения по поводу безопасности и долгоживущих радиоактивных отходов, возможно, не самые большие: критики также говорят, что ядерные реакторы просто слишком дороги, и их строительство занимает слишком много времени, чтобы приносить большую пользу. помочь с климатическим кризисом.

Президент Дуайт Эйзенхауэр выступил с речью «Атом во имя мира» перед Генеральной Ассамблеей Организации Объединенных Наций 8 декабря 1953 года, через восемь лет после того, как два японских города были разрушены американскими атомными бомбами, а США и Советский Союз подготовка к ядерной войне.

Банк изображений МАГАТЭ, Организация Объединенных Наций, Нью-Йорк

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Бомбы на орала

Испытательный реактор в Национальной лаборатории Айдахо, где сейчас работает Финан, произвел первую электроэнергию из ядерной энергии в 1951 году. Его успех вскоре был провозглашен в знаменитой речи президента Дуайта Эйзенхауэра «Атом для мира». в ООН в 1953 году. Арджун Махиджани, физик-ядерщик, руководитель некоммерческого Института энергетических и экологических исследований, отмечает, что речь была произнесена вскоре после испытательного термоядерного взрыва в Советском Союзе, когда атомные страхи были на пределе. вершина горы.

«По сути, он сказал, что это слишком мрачно и мрачно — дайте мне сказать что-нибудь хорошее», — объясняет Махиджани. Речь Эйзенхауэра открыла новую ядерную эру: глобальный интерес к ядерной энергетике резко возрос, и страны по всему миру начали строить большие реакторы, часто с использованием технологий и опыта из Соединенных Штатов.

К 1996 г. атомная энергетика обеспечивала 17,6% мировой электроэнергии. Сегодня это составляет около 10 процентов. Авария на Фукусиме в 2011 году является основной причиной снижения. С тех пор 48 ядерных реакторов Японии практически не работали; Германия закрыла 11 из 17 своих реакторов и намерена закрыть оставшиеся шесть к 2022 году. Бельгия, Испания и Швейцария также сворачивают свои ядерные программы.

Соединенные Штаты, по-прежнему являющиеся крупнейшим в мире производителем ядерной электроэнергии, в настоящее время имеют 94 реактора в 28 штатах. Но после аварии на Три-Майл-Айленде в 1979 году, когда недалеко от Мидлтауна, штат Пенсильвания, частично расплавился реактор, энтузиазм в отношении ядерной энергии померк.

Средний возраст американских электростанций, срок эксплуатации которых составляет 40 лет, составляет 39 лет; за последнее десятилетие по крайней мере пять из них были выведены из эксплуатации досрочно, в основном потому, что стоимость обслуживания и более дешевые источники энергии сделали их слишком дорогими в эксплуатации.

Последнее закрытие произошло только на прошлой неделе, 30 апреля, когда был остановлен второй из двух реакторов на электростанции Индиан-Пойнт на реке Гудзон к северу от Нью-Йорка. Еще несколько лет назад эти реакторы обеспечивали четверть электроэнергии города. EIA прогнозирует, что производство атомной энергии в период с 2018 по  2025 год сократится на 17 процентов по всей стране. Станция, которая когда-то обеспечивала четверть электроэнергии Нью-Йорка, закрылась 30 апреля 2021 года9.0003

Фотография Кены Бетанкур, Getty Images

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

С опозданием и превышением бюджета

Хотя противодействие окружающей среде могло быть основной силой, препятствовавшей ядерному развитию в 1980-х и 90-х годах, сейчас самой большой проблемой могут быть затраты. В последнее время в США было построено мало атомных станций, потому что их строительство здесь очень дорого, что делает цену их энергии высокой.

Якопо Буонджорно, профессор ядерной науки и техники в Массачусетском технологическом институте, возглавил группу ученых, которые недавно завершили двухлетнее исследование, посвященное изучению будущего ядерной энергетики в США и Западной Европе. Они обнаружили, что «без снижения затрат ядерная энергия не будет играть значительной роли» в обезуглероживании энергетического сектора.

«На Западе атомная промышленность существенно утратила способность строить большие электростанции», — говорит Буонджорно, указывая на усилия компании Southern Company по установке двух новых реакторов на заводе Vogtle в Уэйнсборо, штат Джорджия. Они строятся с 2013 года, в настоящее время они превысили бюджет на миллиарды долларов (стоимость увеличилась более чем вдвое) и отстают от графика на годы. Во Франции, занимающей второе место после США по выработке атомной энергии, новый реактор во Фламанвиле опоздал на десятилетие и более чем в три раза превышает бюджет.

«Мы явно утратили ноу-хау по строительству традиционных атомных электростанций мощностью в гигаватт», — говорит Буонджорно. Он и его коллеги обнаружили, что в США в течение десятилетий не строились новые заводы, поэтому у команд, работающих над таким проектом, как Vogtle, не было опыта обучения, необходимого для эффективного выполнения работы. Это приводит к задержкам в строительстве, что увеличивает затраты.

В других местах реакторы по-прежнему строятся с меньшими затратами, «в основном там, где проекты строятся в рамках бюджета и графика», — объясняет Финан. Лидерами являются Китай и Южная Корея. (Справедливости ради следует отметить, что на некоторых из недавних крупномасштабных реакторов в Китае также наблюдались перерасход средств и задержки.) 

«Стоимость ядерной энергетики в Азии составляет четверть или даже меньше новых построек на Западе», — говорит Финан. Согласно отчету Finan и Массачусетского технологического института, одной из причин является гораздо более низкая стоимость рабочей силы, а другой — лучшее управление проектами.

Исследование Массачусетского технологического института предполагает, что стандартизация конструкций реакторов и многократное строительство одного и того же реактора является ключом к снижению затрат. Одним из способов сделать это могут быть небольшие модульные реакторы (ММР), которые обычно считаются менее 300 МВт по сравнению с 1000 МВт традиционной атомной электростанции. Их меньший размер, по словам Буонджорно, может позволить производить компоненты этих реакторов на заводах, обеспечивая экономию производства и сокращая время строительства и неопределенности. Небольшие реакторы можно было использовать по отдельности или объединить в одну большую электростанцию.

В США компания NuScale недавно получила от Комиссии по ядерному регулированию одобрение на сертификацию конструкции своего ММР, став первой и единственной компанией, сделавшей это. Его реактор представляет собой миниатюрную версию традиционного реактора, в котором вода под давлением охлаждает активную зону, в которой происходит деление ядер. Но в конструкции NuScale весь реактор сам погружается в бассейн с водой, предназначенный для защиты от случайного расплавления.

NuScale надеется построить 12 таких реакторов для производства 720 мегаватт в Национальной лаборатории Айдахо в качестве пилотного проекта. Его поддержало Министерство энергетики США, которое выделило до 1,4 миллиарда долларов на демонстрацию технологии. NuScale планирует продать завод энергетическому консорциуму Utah Associated Municipal Power Systems.

В прошлом году восемь из 36 коммунальных предприятий консорциума отказались от участия в проекте, сославшись на высокую стоимость. Недавно компания объявила, что реализация проекта будет отложена до 2030 года, а стоимость вырастет с 4,2 млрд долларов до 6,1 млрд долларов.

Противники ядерного оружия указывают на это последнее разочарование как на еще один пример того, почему ядерное оружие не справляется со своей задачей.

«Если ваш первый ММР не будет построен до конца 2020-х годов, а затем вам придется его запустить, не говоря уже о создании совершенно новой глобальной цепочки поставок, собираетесь ли вы добиться нулевого уровня выбросов к 2035 году?» — спрашивает Махиджани из IEER. «Вы не можете внести существенный вклад вовремя». Он добавляет, что долгая история перерасхода средств и задержек в отрасли особенно проблематична при рассмотрении обязательств по климату. «Нет места для серьезных ошибок».

Атомная электростанция Сан-Онофре закрылась в 2013 году, что привело к увеличению выбросов углекислого газа в Калифорнии.

Фотография Майка Блейка, Reuters

Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.

Переменная и нестабильная сеть

В электрической сети предложение должно точно соответствовать постоянно колеблющемуся спросу; на данный момент нет больших резервуаров для хранения электронов, таких как те, что есть у нас для воды. Возобновляемые источники энергии усложняют этот процесс балансировки, потому что они производят нестабильную подачу электроэнергии — когда пасмурно или нет ветра, сети требуется больше энергии из других источников.

Будущее ядерной энергетики будет частично зависеть от того, насколько хорошо она сможет сбалансировать сеть, которая все больше зависит от возобновляемых источников энергии. Атомная энергия традиционно считалась источником энергии базовой нагрузки: реакторы работают как можно чаще, чтобы распределить свои огромные фиксированные затраты на наибольшее количество киловатт-часов. В отличие от газовых турбин, которые можно включать и выключать за считанные секунды, чтобы «следить за нагрузкой», реакторам требуется час или больше, чтобы сократить свою производительность вдвое.

Дело не в том, что реакторы не могут следовать за нагрузкой; они просто медленнее. «Они могут и делают, потому что должны», — говорит Буонджорно. «Это просто никогда не было привлекательным экономическим предложением».

Прошлой осенью Министерство энергетики выделило по 80 миллионов долларов каждой из двух компаний, работающих над усовершенствованными конструкциями реакторов, предназначенных частично для решения этой проблемы. Первый, TerraPower, стартап, основанный Биллом Гейтсом, работает над реактором с натриевым охлаждением, который вместо того, чтобы использовать свое тепло непосредственно для привода турбины и выработки электроэнергии, хранит тепло в резервуаре с расплавленной солью, где его можно используется для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Второй грант был предоставлен компании X-energy на реактор с газовым охлаждением, работающий при очень высоких температурах и производящий пар, подходящий для промышленных процессов, а также для производства электроэнергии. Такое «переключение нагрузки», говорят Финан и Буонджорно, может помочь ядерным реакторам справляться с переменным спросом на электроэнергию, одновременно способствуя обезуглероживанию промышленности. Небольшие реакторы могут быть даже размещены рядом с заводом, которому требуется как тепло, так и электричество. Однако производимые ими высокоактивные отходы необходимо будет транспортировать в централизованное место для обращения с ними.

Но ни один из этих новых проектов не развивается достаточно быстро, чтобы соответствовать целям Байдена. Чиновники Министерства энергетики назвали свое решение поддержать эти два пилотных проекта, которые должны быть полностью запущены к 2028 году, «своим самым смелым шагом».

Между тем, есть более прямой способ сбалансировать изменчивость возобновляемых источников энергии: хранить электроэнергию в батареях. Рынок аккумуляторных батарей для коммунальных предприятий стремительно растет; она увеличилась на 214 процентов в 2020 году, и EIA прогнозирует, что к 2023 году емкость аккумуляторов вырастет с нынешних 1600 мегаватт до 10 7009. 0003

Махиджани считает, что ядерная энергия не понадобится для балансировки сети. Исследование, которое он провел в 2016 году в штате Мэриленд, показало, что увеличение емкости аккумуляторов в сочетании со стимулами для потребителей к сокращению потребления электроэнергии в часы пик почти позволит коммунальным предприятиям сбалансировать изменчивость возобновляемых источников энергии.

Им просто нужно хранить немного энергии в виде водорода, который можно получить, используя воду из возобновляемых источников, а затем преобразовать обратно в электричество в топливном элементе. Этот процесс в настоящее время очень дорог, говорит Махиджани, но «пока это не гигантские суммы, он доступен».

Окно возможностей

В ближайшие десятилетия ядерная энергетика во всем мире может сыграть важную роль. По данным торговой группы Всемирной ядерной ассоциации, Китай, крупнейший источник выбросов парниковых газов, увеличил свою ядерную мощность на 6 процентов в 2020 году и в настоящее время строит 17 новых реакторов. Индия строит шесть. США вряд ли смогут повторить это в ближайшее время.

Эксперты резко расходятся во мнениях относительно необходимости строительства новых атомных электростанций в США. Некоторые модели предполагают, что при наличии правильных политических стимулов было бы возможно достичь поставленной Байденом цели к 2035 году по обезуглероживанию энергосистемы путем создания только возобновляемых источников энергии.

Существующие атомные электростанции — это отдельная история. Преимущество того, что они пока остаются в сети, признано более широко, хотя Махиджани, например, утверждает, что их безуглеродную энергию можно было бы заменить более дешевой, инвестируя в новый ветер и солнечную энергию.

Поскольку они уже построены, эти реакторы, по сути, являются невозвратными затратами, а поскольку большинство из них эксплуатируются десятилетиями, они уже обесценились. Тем не менее, во многих местах их энергии приходится конкурировать на рынке, что некоторым может не удаться. Это было одним из факторов, стоящих за решением закрыть Индиан-Пойнт, как признал владелец завода, корпорация Entergy.

Состояние существующих электростанций имеет большое значение: включая Индиан-Пойнт, семь гигаватт атомных электростанций находятся под угрозой отключения до 2026 года из-за низких цен на электроэнергию.

«Отказ от атомных электростанций полностью сводит на нет успехи, связанные с возобновляемыми источниками энергии», — говорит Буонджорно. Когда в 2013 году закрылась атомная электростанция Сан-Онофре, которая производила около 8 процентов электроэнергии в Калифорнии, местная стоимость электроэнергии увеличилась, а выбросы углекислого газа в Калифорнии увеличились на 9 процентов.0,2 миллиона тонн в следующем году.

В отчете Массачусетского технологического института говорится, что в следующем десятилетии наиболее рентабельной и надежной сетью станет смешанная энергия. «Наш анализ показывает, что большая доля атомной энергии, большая доля возобновляемых источников энергии и некоторое количество хранилищ — это лучшее сочетание, которое является низкоуглеродным, надежным и с наименьшими затратами», — говорит Буонджорно.