CAMBRIDGE, Mass. — Radioaktiva material gör kärnkraft möjlig. Dessa grundämnen, såsom uran, sprider energi som kan skördas. Men de är också farliga. De avger strålning. Detta kan skada människor och miljö. Leslie Dewan tror dock att hon kan minska riskerna förknippade med kärnkraft och dess radioaktiva avfall.
Hon beskrev hur vid EmTech 2015, ett möte sammankallat här av Technology Review, en tidning från Massachusetts Institute of Technology.
Dewan är en kärnkraftsingenjör och medgrundare av Transatomic Power, ett lokalt Cambridge-baserat företag. “Jag blev kärnkraftsingenjör för att jag är miljöpartist”, säger hon. Just nu tillhandahåller fossila bränslen – olja, kol och naturgas – mer än 80 procent av världens energi. Men de avger föroreningar när de brinner. De smutsar ner luften och frigör koldioxid, en potent växthusgas.
Tyvärr kommer det att ta lång tid att bygga tillräckligt med solpaneler eller vindkraftsparker för att ersätta fossila bränslen. Kärnkraft kan köpa lite tid – men säkerhet är en prioritet. “Vi behöver kärnkraft vid sidan av sol och vind och bättre batterilagring,” argumenterar Dewan, om miljöskador från fossila bränslen ska begränsas. Jacopo Buongiorno säger faktiskt, “Den enda energikällan som gör att du kan agera nu är kärnkraft.” Han leder Center for Advanced Nuclear Energy Systems vid MIT och är inte involverad i Dewan eller hennes företag.
Kraftindustrin har varit tveksam till att investera i nya kärnkraftverk. Tekniken är dyr. Men ännu viktigare, det har inträffat flera farliga och kostsamma högprofilerade olyckor.
Det inträffade en partiell härdsmälta av bränsle under Pennsylvanias Three Mile Island-olycka 1979. Tjernobylsmältningen i Ukraina 1986 spred radioaktivt material brett. Den omgivande landsbygden är fortfarande förorenad idag. Sedan var det den japanska tsunamin som allvarligt skadade reaktorer vid kärnkraftsanläggningen i Fukushima 2011. Det fick en del av dess kärnbränsle att smälta och släppa ut radioaktiva gaser i luften.
Mot bakgrund av dessa händelser har kraftbolag letat efter säkrare alternativ. Och Dewan tror att hennes företag har en.
En kärnvapen “Crock-Pot” med en nödutgång
Dewans team utvecklar en annan typ av reaktorer än de som nu finns i de flesta kärnkraftverk.
I kärnan av en kärnreaktor finns ett radioaktivt bränsle som klyvs. Det betyder att bränslets atomer periodvis bryts isär och skjuter ut partiklar och energi. Vissa av de utträdande partiklarna kan krossa in i närliggande atomer och få dem att klyvas. Om tillräckligt mycket av detta händer kommer en självuppehållande kedjereaktion att inträffa. Denna process kan producera otroliga mängder energi. Att utnyttja den energin kan värma vatten för att driva turbiner som producerar el.
Nästan alla kärnreaktorer som nu är i drift är en sort som kallas lättvattenreaktorer (och ja, det finns tungvattenreaktorer också). Fasta pellets av uran, ett radioaktivt material, avger värme i reaktorernas kärna. Dessa reaktorer har fått sitt namn från det faktum att vatten rinner genom dem. Detta för bort värmen som används för att tillverka elektricitet. Denna värmeavlägsnande förhindrar också att reaktorbränslet överhettas.
Idag levererar lättvattenreaktorer nästan 5 procent av världens energi. Men de har två problem. De producerar högradioaktivt avfall som måste lagras noggrant i 300 000 år (en hög ordning). Och de kan vara mycket farliga. Om en katastrof inträffar kan kylvattnet rinna ut. Om det händer kan radioaktivt material i reaktorn bli så varmt att det smälter och spyr ut farliga gaser i luften. Vattnet också kan föra med sig gifter ut i miljön. I olyckorna Three Mile Island, Tjernobyl och Fukushima förlorade reaktorer kylvatten. Bränslet smälte och sprutade ut giftiga gaser. Kärnreaktorer är täckta av skyddande “inneslutningskärl”. Men sprickor eller hål utvecklades i dem under dessa olyckor. Det gjorde att radioaktiv gas kunde strömma ut i luften.
Transatomic Powers design återupplivar en teknik som testades för decennier sedan: reaktorn för smält salt. Ingenjörer byggde en av dessa reaktorer på 1960-talet vid Oak Ridge National Laboratory, nära Knoxville, Tennessee. Istället för uranpellets använder en smält saltreaktor uran löst i en vätska. Ett flytande bränsle kan vara säkrare i en nödsituation. Det finns inget kylvatten att oroa sig för. Dessutom kan bränslet snabbt rinna ut ur reaktorn. Den cirklar genom reaktorn i ett rör som har en öppning i botten. Denna öppning är som en nödutgång. För det mesta håller elektrisk kraft utgångsdörren stängd. Men om anläggningen tappar el öppnas utgången. Allt radioaktivt bränsle i reaktorn kommer sedan att rinna ner i en tank under jord. Väl där är det mindre sannolikt att dess strålning flyr ut och skadar miljön. Dewan och Buongiorno är överens om att den smälta saltreaktorn därför borde vara säkrare än en lättvattenreaktor. Men dess design slog aldrig fast på 1960-talet eftersom den var för dyr, säger Dewan. Hennes team har nu designat om reaktorn för att bli mindre och billigare.
Den här reaktorn har ytterligare en fördel, hävdar Dewan: Den kan äta upp kärnavfall. En lättvattenreaktor använder fasta pellets av bränsle inslagna i tunn metall. Med tiden skadar strålning den yttre beläggningen. Metallen absorberar också bitar av atomerna när de klyvs. Dessa bitar kan bromsa kärnkedjereaktionen som används för att generera energi. Så med några års mellanrum måste ingenjörer byta ut pellets. Dessa pellets kommer bara att ha förlorat 4 procent av sin totala energi. Ändå måste de kasseras som avfall. Vanligtvis
t hans avfall blir då kvar på kärnkraftverket. De flesta växter placerar avfallet i stora behållare och sänker sedan ner det i en pool på anläggningen.En smältsaltreaktor skulle kunna använda den överblivna energin i detta avfall, förklarar Dewan. Uranpelletsen skulle lösas upp i ett flytande salt. Det här är inte samma salt som du skulle skaka på din middag. Bordssalt är gjort av natriumklorid. Dewans team planerar att använda ett salt tillverkat av föreningen litiumfluorid, uppvärmd till 600° Celsius (1 112° Fahrenheit).
Utan den där irriterande metallbeläggningen skulle det flytande bränslet kunna stanna i en smält saltreaktor mycket längre, tills 96 procent av energin är borta. Som Dewan uttrycker det, skulle reaktorn “sjuda som en Crock-Pot.”
Fortfarande bara en idé
Transatomic Power har ännu inte byggt en reaktor. Dess team har kört datorsimuleringar. Det är också att testa material i ett labb. Dewan hoppas kunna börja bygga en prototyp senast 2020.
Buongiorno varnar för att ingen oberoende grupp ännu har testat Transatomics påståenden. “Kan reaktorn göra vad de påstår att den kan göra, när det gäller att bränna kärnavfall?” han frågar. “Det har inte verifierats.”
Han håller dock med om att nya reaktorkonstruktioner är viktiga för att säkerställa att människor har tillräckligt med energi i framtiden. “Vi kommer att behöva nya mönster på vägen”, säger han.
Andra grupper i USA, Kina och Japan, konstaterar Dewan, utvecklar också reaktorteknologi för smältsalt.
Transatomic Power hoppas ingenjörer en dag kommer att bygga fungerande kraftverk som använder sina smältsaltreaktorteknik. Den här skissen av ett tvärsnitt ger en uppfattning om hur den växten kan se ut. Reaktorkärlet ses till vänster. Transatomic Power
Power Words
(för mer om Power Words, klicka på här
)
atom
Det grundläggande enhet av ett kemiskt element. Atomer är uppbyggda av en tät kärna som innehåller positivt laddade protoner och neutralt laddade neutroner. Kärnan kretsar kring ett moln av negativt laddade elektroner.
koldioxid
A färglös, luktfri gas som produceras av alla djur när syret de andas in reagerar med de kolrika livsmedel som de har ätit. Koldioxid frigörs också när organiskt material (inklusive fossila bränslen som olja eller gas) förbränns. Koldioxid fungerar som en växthusgas som fångar värme i jordens atmosfär. Växter omvandlar koldioxid till syre under fotosyntesen, den process de använder för att göra sin egen mat. Förkortningen för koldioxid är CO
2.
kedjereaktion
An händelse som en gång startade fortsätter att fortsätta. Det är en term som ofta används för att beskriva atomklyvning i ett kärnkraftverk. När tillräckligt med bränsle packas tätt tillsammans frigör klyvningsatomer neutroner som bombarderar angränsande atomer, vilket inducerar dem till klyvning. Detta skapar en självförsörjande process.
klimatförändring
Lång -term, betydande förändring i jordens klimat. Det kan hända naturligt eller som svar på mänskliga aktiviteter, inklusive förbränning av fossila bränslen och röjning av skog.
element
(in kemi) Vart och ett av mer än hundra ämnen där den minsta enheten av varje är en enda atom. Exempel inkluderar väte, syre, kol, litium och uran.
miljö
Summan av alla saker som finns runt någon organism eller processen och tillståndet som dessa saker skapar för den organismen eller processen. Miljö kan syfta på vädret och ekosystemet som ett djur lever i, eller kanske temperaturen, fuktigheten och placeringen av komponenter i något elektroniksystem eller produkt.
fossilt bränsle
Alla bränsle — såsom kol, petroleum (råolja) eller naturgas — som har utvecklats i jorden under miljontals år från ruttnade rester av bakterier, växter eller djur.
fission
Det spontana uppdelning av en stor enhet i mindre självbärande delar. (i fysik) En process där stora atomkärnor bryts isär för att bilda två eller flera lättare kärnor. Överskottsmassan av moderkärnorna (jämfört med de resulterande mindre) omvandlas till energi.
växthusgas
A gas som bidrar till växthuseffekten genom att absorbera värme. Koldioxid är ett exempel på en växthusgas.
lättvattenreaktor
En typ av kärnreaktor som drivs på fasta pellets av radioaktivt bränsle. Vatten strömmar genom reaktorn för att avlägsna värme. Den förvandlas till ånga och går sedan genom turbiner för att skapa elektricitet. Det kallas ett “lätt vatten ” reaktorn eftersom den använder vanligt vatten, inte vatten gjort med en tung form av väte (deuterium), som vissa reaktorer hade gjort.
smält saltreaktor En typ av kärnreaktor som drivs av ett flytande, radioaktivt bränsle. Det bränslet består av en lösning av anrikat uran (och ibland torium) löst till ett flytande salt. Vätskan rör sig i ett rör som går genom reaktorn, där den tar upp värme. Röret lämnar sedan reaktorn, passerar genom vatten, som tar upp en del av värmen och omvandlar den till ånga. Denna ånga används sedan för att vända turbiner som genererar elektricitet.
naturgas
A blandning av gaser som utvecklats under jorden under miljontals år (ofta i samband med råolja). Den mesta naturgasen börjar som 50 till 90 procent metan, tillsammans med små mängder tyngre kolväten, som propan och butan.
kärntekniker
Någon som testar, bygger eller driver kärnreaktorer eller kärnkraftsteknik.
kärnkraft
Energi härrör från processer som producerar värme genom att dela isär kärnorna av atomer (klyvning) eller tvinga atomkärnor att smälta samman (fusion). Ett kärnkraftverk använder den värmen för att driva turbiner som skapar elektricitet.
kärnreaktor
A stor maskin i vilken radioaktivt bränsle genomgår en stadig kedja av fissionsreaktioner, som genererar värme.
kärnavfall
Bränsle som har gått igenom en kärnreaktor. Vanligtvis är det fortfarande radioaktivt och farligt.
partikel
En minut mängd av något.
prototyp
En första eller tidig modell av någon enhet, system eller produkt som fortfarande behöver förbättras.
radioaktiv
Ett adjektiv som beskriver instabila grundämnen, såsom vissa former (isotoper) av uran och plutonium. Sådana grundämnen sägs vara instabila eftersom deras kärna avger energi som förs bort av fotoner och/eller och ofta en eller flera subatomära partiklar. Detta utsläpp av energi sker genom en process som kallas radioaktivt sönderfall.
salt
En förening tillverkas genom att kombinera en syra med en bas (i en reaktion som också skapar vatten).
natrium
En mjuk , silvrigt metalliskt element som kommer att interagera explosivt när det läggs till vatten. Det är också en grundläggande byggsten av bordssalt (en molekyl som består av en atom natrium och en atom av klor: NaCl).
solar
Att behöva göra med solen, inklusive ljuset och energin den avger.
teknik
Applikationen av vetenskaplig kunskap för praktiska ändamål, särskilt inom industrin — eller de anordningar, processer och system som är resultatet av dessa ansträngningar.
uran
Den största naturligt förekommande element känt. Det kallas element 92, vilket hänvisar till antalet protoner i dess kärna. En form (isotop) är radioaktiv, vilket innebär att den sönderfaller till mindre partiklar. Den andra formen är stabil.
Leave a Reply