گاهی اوقات انرژی هسته ای, عاری از انتشار گازهای گلخانه ای توصیف می شود و این در مورد واکنش های شکافت هسته ای نیز صادق است. اما در این جا لیستی از تمام مراحل چرخه انرژی هسته ای که در آن گازهای گلخانه ای منتشر می شوند، آمئه است: استخراج اورانیوم، آسیاب اورانیوم، تبدیل سنگ معدن اورانیوم به هگزافلوراید اورانیوم، غنی سازی اورانیوم، ساخت سوخت، ساخت راکتور، خارج از سرویس کردن راکتور، بازفرآوری سوخت، دفع زباله های هسته ای، احیای محل معدن، و حمل و نقل در تمام مراحل.
زمان آن فرا رسیده است که هیجان زده شویم، درباره IFR بیاموزیم و خود را برای عصر جدید آماده کنیم. بازی پایان انرژی آغاز شده است.در طی این مراحل، گازهای گلخانه ای به طور مستقیم (به عنوان مثال، توسط کامیون ها) اما همچنین به طور غیر مستقیم (مانند استفاده از موادی مانند فولاد و سیمان، که با استفاده از فرآیندهای شدید انتشار تولید می شوند) منتشر می شوند.
تعیین همه این انتشارات چشم انداز پیچیده ای است، اما ما می توانیم با استفاده از روشی به نام "ارزیابی چرخه عمر" این کار را انجام دهیم. نتیجه یک برآورد از این قبیل (که من با آن موافقم) در پنل بین دولتی گزارش ویژه تغییرات آب و هوایی در مورد منابع تجدید پذیر انرژی و کاهش تغییرات آب و هوایی (Intergovernmental Panel on Climate Change’s Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation) نقل شده است (به صفحه 731 تا 732 مراجعه کنید).
تصویر: چگونه هسته ای از نظر انتشارات چرخه عمر در برابر سایر منابع انرژی قرار می گیرد. گزارش ویژه IPCC در مورد منابع تجدید پذیر انرژی و تغییرات آب و هوایی
سوخت از تولید برق، و از طریق پردازش مجدد، تا تولید توان بیشتر چرخ می زند. سوخت تا زمانی که فقط محصولات شکافت باقی نماند، سایت را ترک نمی کند. این نشان می دهد که علیرغم فهرست طولانی مراحل انتشار گازهای گلخانه ای و بر اساس آن چه که محققان تا کنون توانسته اند در نظر بگیرند، انتشار های کلی گازهای گلخانه ای چرخه عمر انرژی هسته ای به احتمال زیاد کمتر از سوخت های فسیلی است.
بررسی من از برآوردهای مختلف نشان می دهد که میزان انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از انرژی هسته ای بین 10 تا 130 گرم CO2 در هر کیلو وات ساعت قدرت، به طور متوسط 65 گرم در کیلو وات ساعت - یا تقریباً برابر با قدرت باد است. برای مقایسه، توان حاصل از زغال سنگ انتشارهایی در حدود 900 گرم در کیلو وات ساعت و توان حاصل از سوزاندن گاز انتشارهایی در حدود 450 گرم در کیلو وات ساعت دارد. حدود 15 تا 25 درصد از انتشارات گلخانه ای هسته ای از ساخت، نگهداری و خارج از سرویس کردن نیروگاه هسته ای ناشی می شود.
تحلیل دیگری که توسط مشاوران انرژی Jan Willem Storm van Leeuwen و Philip Smith انجام شد، پیش بینی کرد که انتشار گازهای گلخانه ای حاصل از استحصال انرژی هسته ای در نهایت می تواند با سوخت گاز طبیعی رقابت کند. اما برآوردی چنین بالا در بین نتایج نشان داده شده در ارزیابی IPCC به وضوح، داده هایی خارج از محدوده است و این عمدتاً به این دلیل بوده است که فرض می شد که معادن اورانیوم باید به طور کامل به صورت "سایت های سبز" احیا شوند - چیزی که اکثر تحلیلگران آن را ضروری نمی دانند.
اما چرا دامنه برآوردهای پذیرفته شده این قدر گسترده است؟ برای پاسخ به این سؤال، لیست دیگری از عوامل مؤثر بر محاسبه وجود دارد: درجه (خلوص) سنگ معدن؛ روش غنی سازی اورانیوم؛ سن و کارایی راکتور؛ و مفروضات مورد استفاده در روش محاسبه. متأسفانه، این مفروضات می توانند تأثیر زیادی بر نتیجه داشته باشند - در واقع، آنها احتمالاً بزرگ ترین منبع تغییر بین تحلیل های رقابتی هستند.
معدن کاوی برای انرژی به طور کلی به پایان می رسد.
ملاحظات محاسبه
برخی از تجزیه و تحلیل ها بسیاری از فرآیندهای زنجیره تأمین را نادیده می گیرند، مانند گازهای گلخانه ای منتشره در حین استخراج سنگ آهن مورد نیاز برای تولید فولاد، که برای ساخت کامیون ها مورد نیاز است و برای حمل سیمان مورد استفاده ساخت یک راکتور و غیره. و همین طور میلیون ها و میلیون ها زنجیره تأمین. البته همه چیز به طرز وحشیانه ای پیچیده است، اما نادیده گرفتن این مشارکت های زنجیره تأمین منجر به خطاهای سیستماتیک قابل توجهی می شود.شایان ذکر است که بسیاری از مطالعات در مورد چرخه عمر انتشارات ناشی از انرژی باد و انرژی خورشیدی نیز تحت تأثیر خطاهای مشابه قرار می گیرند و انتشارات چرخه واقعی عمر نیز اغلب برای این فناوری ها دست کم گرفته می شود. با این حال، برای اکثر منابع انرژی تجدید پذیر، انتشار گازهای زنجیره تأمین آنها هنوز بسیار کمتر از میزان مربوط به نیروگاه های سوخت فسیلی است (جدول بالا را ببینید).
عیار سنگ معدن نیز تأثیر به سزایی بر میزان کل انتشار گازهای گلخانه ای دارد، زیرا هر چه سنگ معدن خالص کمتر باشد، مواد بیشتری باید برای استخراج اورانیوم پردازش شود. این محاسبه با این واقعیت پیچیده تر می شود که در برخی معادن، مانند سد المپیک استرالیا، اورانیوم به عنوان محصول جانبی سایر معادن (در این مورد مس) استخراج می شود، به این معنی که همه انتشارهای گلخانه ای را نباید به اورانیوم نسبت داد.
هنگامی که اورانیوم از زمین خارج می شود و آسیاب می شود تا کنسانتره سنگ معدن خشک به نام "کیک زرد" تولید شود، سپس باید "غنی" شود تا نسبت اورانیوم شکافت پذیر به اندازه کافی افزایش یابد تا بتواند به عنوان سوخت هسته ای عمل کند. هر روش دارای انتشارهای مختلف گلخانه ای است: برای مثال غنی سازی با استفاده از سانتریفیوژ به انرژی بسیار کمتری در مقایسه با روش دیفیوژن گازی نیاز دارد.
تصویر: هنگامی که میله های سوخت را وارد رآکتور می کنید، انتشار آن صفر است - اما رسیدن آنها به آن مرحله این طور نیست. روسلان کریوبوک/خبرگزاری بین المللی روسیه/Wikimedia Commons
با استفاده ازIFR ، فقط یک توپ گلف از اورانیوم تهی شده حاوی انرژی کافی برای برآوردن تمام نیازهای شما در کل زندگی تان، با جای زیادی برای تکان خوردن، است.
تمیز کردن
آخرین فاکتور مورد توجه، انتشارات گلخانه ای مربوط به پاک سازی معدن اورانیوم است. انرژی مورد نیاز اساساً به قضاوت در مورد اقدامات ایمن در رابطه با به حداقل رساندن رادیو اکتیویته و قرار گرفتن در معرض فلزات سنگین سمی در باطله باقی مانده معدن بستگی دارد.در زمان استخراج اورانیوم از سنگ معدن، حدود 85٪ از رادیو اکتیویته اصلی در باطله های آسیاب باقی می ماند، عمدتا به عنوان ایزوتوپ های توریم و رادون. در حالی که میزان آلایندگی ها و استانداردهای ایمنی از دهه 1950 به میزان قابل توجهی بهبود یافته است، هنوز مشخص نیست که تلاش های فعلی توان بخشی معدن تا چه حد ایمن است. به گفته کمیته علمی سازمان ملل متحد در مورد اثرات تابش اتمی (UNSCEAR) ، جزء جهانی از باطله آسیاب مهمترین منبع قرار گرفتن در معرض رادیولوژی در کل زنجیره سوخت هسته ای است.
تصویر: فعالیت های معدن اورانیوم بر انتشار گازهای گلخانه ای و همچنین آن چه در خود راکتور هسته ای اتفاق می افتد تأثیر دارد. داستین M. رمزی/Wikimedia Commons ، CC BY-SA
سوخت های فسیلی تمام روز و هر روز گازهای گلخانه ای، فلزات سنگین، ذرات معلق و سایر عوامل مضر را به محیط زیست می ریزند. اما سالانه دو میلیون مرگ و میر ناشی از آلودگی هوا، که سوخت های فسیلی سهم عمده ای در آنها دارند، ظاهراً در تلاش برای ترساندن مردم از تشعشعات هسته ای، مسئله ای نیست.دلیل اصلی برآورد بسیار بالای استورم ون لوون و اسمیت از میزان انتشار گازهای چرخه عمر این است که آنها فرض می کردند که پسماندهای معدن اورانیوم باید با استفاده از ساندویچ کردن آنها بین سطوح خاک رس بنتونیت برای بازداشتن تابش، مورد بررسی قرار گیرند. با این حال، بررسی داده های موجود ما نشان داد که توان بخشی جاری معدن منجر به قرار گرفتن در معرض متوسط رادیولوژیکی می شود که کمتر از یک دهم دوز دریافت شده توسط افرادی است که در مکان هایی با غلظت طبیعی عناصر رادیواکتیو در خاک و سنگ ها زندگی می کنند، و در آن جاها بروز سرطان ریه تشخیص داده شده افزایش نیافته است. اگر این واقعیت داشته باشد، و سوای هر گونه مسائل مدیریت ایمنی گسترده تری، نشان دهنده این است که نیازی به اتخاذ اقدامات جدید و شدید برای نو توان کردن فعالیت های معدنی اورانیوم در رابطه با انتشار گازهای گلخانه ای نیست.
مانند هر ارزیابی علمی دیگر، نتیجه گیری ما در مورد چرخه سوخت هسته ای بر اساس آن چه ما می دانیم است، و دانش ما هنوز ناقص است. هنوز ابهاماتی وجود دارد، به ویژه در مورد قضاوت در مورد نحوه برخورد با فرایندهای زوال یا پوسیدگی رادیو اکتیو که هزاران سال ادامه خواهد یافت. نتایج ما همچنین اغلب بر اساس شرایط متوسط است و رویدادهای شدید مانند حادثه های رآکتور یا ریختن زباله های هسته ای را در نظر نمی گیرد.
به هر حال یک چیز واضح است: در نهایت، انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از انرژی هسته ای محصول این واقعیت است که تقریباً هر جنبه ای از این فرآیند، سوای شکافت هسته ای، به انرژی نیاز دارد - و هنوز هم این طور است که بیشتر انرژی جهان از سوخت های فسیلی تامین می شود.
نسل چهارم هسته ای
تصویر: آن چه قبلا زباله بود اکنون می تواند سوخت باشد.
علیرغم ایمن تر از زغال سنگ و گاز و آب بودن، ما فقط می شنویم که هسته ای خطرناک است.جهان در جستجوی "جام مقدس" است: برق بدون کربن به طور ایمن و قابل اطمینان، 24 ساعته در شبانه روز، در هر مکان مشخص و در مقادیری که برای جهانی که به سوی جمعیتی 10 میلیارد نفره در حال حرکت است، اهمیت داشته باشد.
تصویر: تولید برق جهان بر اساس منبع. انجمن جهانی هسته ای
به ما گفته شده است که انتظار "مجموعه ای" از راه حل ها را داریم، اما این کمی فریبنده است. در حال حاضر، تنها پنج منبع اصلی (زغال سنگ، گاز، آب، هسته ای و نفت) بیش از 97 درصد برق جهان را تأمین می کنند و سوخت های فسیلی 67 درصد را تشکیل می دهند. و زمان بر علیه ماست.
چه فناوری هایی می توانند پیشرفت کنند، و جایگزین آن 67 درصد شوند و رشد آینده را تضمین کنند؟ چه فناوری هایی قادر به انجام کارهای سنگین هستند؟
برخی می گویند زمان برای رو آوری به انرژی هسته ای که 15 درصد از برق جهان را تأمین می کند فرا رسیده است. اما گسترش هسته ای با نگرانی هایی مواجه شده است که در حالی که اساس آن در حقیقت وجود دارد، بی تناسب بزرگ جلوه داده شده اند.
نگرانی های اصلی عبارتند از:
* ایمنی عملیات (به عنوان مثال، جلوگیری از فروپاشی)
* زباله ها در حد زیاد
* استخراج اورانیوم
* در دسترس بودن سوخت
* افزایش مواد شکافت پذیر
جهان در جستجوی "جام مقدس" است: برق بدون کربن به طور ایمن و قابل اطمینان، 24 ساعته در شبانه روز، در هر مکان مشخص و در مقادیری که برای جهانی که به سوی جمعیتی 10 میلیارد نفره در حال حرکت است، اهمیت داشته باشد.برخی از موضوعاتِ درهم کوبی های هسته ای یک افسانه محض است. آیا ژنراتورهای هسته ای می توانند بیمه شوند؟ بله، این واقعیتی است که به راحتی قابل بررسی است. آیا آنها در طول چرخه کامل عمر، گازهای گلخانه ای بالا تولید می کنند؟ خیر، همان طور که گفتیم راکتورهای فعلی از این نظر تقریباً معادل باد و خورشید هستند. سیستم های پیشرفته راکتور، هر دو باد و خورشید را پشت سر خواهند گذاشت.
در مسائل دیگر، هسته ای به طور سریالی محروم از محتواست و بنابراین یک شخصیت شرور را ترسیم می کند. علیرغم ایمن تر از زغال سنگ و گاز و آب بودن، ما فقط می شنویم که هسته ای خطرناک است.
نیروی هسته ای تولید کننده و در بر دارنده ضایعات عملیاتی است. سوخت های فسیلی تمام روز و هر روز گازهای گلخانه ای، فلزات سنگین، ذرات معلق و سایر عوامل مضر را به محیط زیست می ریزند. اما سالانه دو میلیون مرگ و میر ناشی از آلودگی هوا، که سوخت های فسیلی سهم عمده ای در آنها دارند، ظاهراً در تلاش برای ترساندن مردم از تشعشعات هسته ای، مسئله ای نیست.
چگالی انرژی اورانیوم با استفاده از راکتورهای آب سبک فعلی حدود 20000 برابر بیشتر از زغال سنگ است. این بدان معناست که تولید آن چه را که دوست نداریم (تأثیرات استخراج انرژی) برای آن چه که نیاز داریم (انرژی) بسیار کمتر می کنیم. در دنیای واقعی به این می گویند تصمیم سازی مسئولانه. در مبارزات ضد هسته ای، "ناهماهنگی شناختی" نامیده می شود.
نیازی به اتخاذ اقدامات جدید و شدید برای نو توان کردن فعالیت های معدنی اورانیوم در رابطه با انتشار گازهای گلخانه ای نیست.
تصویر: منابع جغرافیایی استرالیا و منابع هیت گیت. معدن کوچک اورانیوم بورلی (بالا) تقریباً چهار برابر بیشتر از معدن زغال سنگ لی کریک (پایین) انرژی در سال تولید می کند. تأثیرات منفی برای بازده مثبت برای اورانیوم بسیار کمتر است.
در زمان استخراج اورانیوم از سنگ معدن، حدود 85٪ از رادیو اکتیویته اصلی در باطله های آسیاب باقی می ماند، عمدتا به عنوان ایزوتوپ های توریم و رادون. منطقی باشد یا نباشد، این نگرانی ها تاثیر گذار است. اما آنها به لطف طراحی راکتور شگفت انگیز نسل IV ناپدید می شوند: راکتور سریع یکپارچه (IFR)( Integral Fast Reactor).
در این جا نحوه کار آن آمده است. سوخت مصرف شده حاصل از راکتورهای آب سبک فعلی، که ما آن را به عنوان ضایعات سطح بالا می شناسیم، متشکل از حدود 93٪ اورانیوم، 2٪ پلوتونیوم و 5٪ محصولات شکافت (ضایعات واقعی) است. اورانیوم تقریباً فراوان ترین و سنگین ترین ایزوتوپ U-238 است که بر خلاف U-235 نادر، بیشتر در راکتورهای تجاری امروزی بدون استفاده باقی می ماند.
IFR همه آن و همه پلوتونیوم را مصرف می کند و آن را به انرژی تبدیل می کند. که این، چگالی انرژی اورانیوم را حدود 150 برابر افزایش می دهد.
تصویر: راه حل هوشمندانه برای سوخت هسته ای مصرف شده. تام بلیس
نادیده گرفتن این مشارکت های زنجیره تأمین منجر به خطاهای سیستماتیک قابل توجهی می شود.جریان پیامدها حیرت انگیز است. دیگر نیازی به نگرانی در مورد در دسترس بودن سوخت نیست. در سوخت مصرف شده و اورانیوم تهی شده از غنا، ما به طور ناخواسته سوخت کافی برای تامین انرژی سراسر کره زمین در حالت توسعه یافته را برای بیش از 500 سال ذخیره کرده ایم. با استفاده ازIFR ، فقط یک توپ گلف از اورانیوم تهی شده حاوی انرژی کافی برای برآوردن تمام نیازهای شما در کل زندگی تان، با جای زیادی برای تکان خوردن، است.
علاوه بر این، میزان ضایعات موجود (در حال حاضر سوخت) با گذشت زمان کاهش می یابد.
پس از یک دوره گذار، استخراج اورانیوم به پایان می رسد. در حقیقت، معدن کاوی برای انرژی به طور کلی به پایان می رسد، از جمله معادن بسیار خطرناک و مضر زغال سنگ، نفت و گاز. ما به دیگر به این کار نیاز نخواهیم داشت.
این ژنراتورهای جدید در برابر حوادث، از جمله ذوب، بسیار مقاوم هستند. سوخت مانند راکتورهای امروزی سرامیک (اکسید فلز) نیست، آلیاژ فلز است. با گرم شدن بیش از حد، سوخت فلز منبسط می شود. انبساط باعث نشت نوترون می شود و این باعث می شود واکنش زنجیره ای از بین برود. بنابراین با سوخت فلزی، خاموش شدن خودکار را بر اساس قوانین فیزیک دریافت می کنید.
مایع خنک کننده در این فرآیند یک فلز مایع قوی، سدیم، است. در فشار اتمسفر کار می کند، در دمای بسیار بالا می جوشد و هیدروژن تولید نمی کند، که این باعث می شود از آب به عنوان مایع خنک کننده ایمن تر باشد. این همچنین بدان معناست که ایمنی منفعل ممکن می شود، بدون نیاز به جریان برای گردش یا فشار مایع خنک کننده.
علاوه بر این، سدیمی که در معرض سوخت رادیو اکتیو قرار دارد از طریق مدار ثانویه دو جداره از آب تبادل گرما جدا می شود. ساده، قوی و ایمن است.
انتشار های کلی گازهای گلخانه ای چرخه عمر انرژی هسته ای به احتمال زیاد کمتر از سوخت های فسیلی است.
تصویر: یک راکتور سریع خنک شونده با سدیم، بخش تولید کننده قدرت IFR. دولت ایالات متحده
از جفت واحدهای IFR برای مونتاژ یک نیروگاه بزرگ (1.8GWe ) استفاده می شود که شامل یک تأسیسات کوچک پردازش گرمایی در محل (on-site pyro-processing) می شود. سوخت از تولید برق، و از طریق پردازش مجدد، تا تولید توان بیشتر چرخ می زند. سوخت تا زمانی که فقط محصولات شکافت باقی نماند، سایت را ترک نمی کند. این یکی دیگر از ضمانت های بیشتر برای عدم گسترش سلاح ها است.
شورای علمی ابتکارات جهانی بر روی چارچوبی برای همکاری بین المللی و طراحی های استاندارد کار می کند. سرانجام، به نظر می رسد که ما راه حلی برای آب و هوا و انرژی داریم که با مشکل مطابقت دارد.
این یک داستان علمی تخیلی نیست. آزمایشگاه های ملی Argonne در آیداهو این فناوری را با راکتور آزمایشی پرورش دهنده II کامل کردند و تا 30 سال تا اواسط دهه نود آن را اجرا کردند. پس از کشته شدن این طرح به دلیل مصلحت اندیشی سیاسی ضد هسته ای، واقعیت، آن را به صحنه اصلی باز می گرداند.
تصویر: راکتور پرورش دهنده تجربی در آیداهو، نمونه ای اولیه برایIFR . بری بروک
هدف ما پذیرش گسترده هسته ای با کمک IFR و سایر فناوری های پیشرفته است. ما می توانیم کارخانجات عالی نسل III+ (به علاوه سوم) مانند AP 1000 را که در حال حاضر دارای ایمنی منفعل هستند، بسازیم و از مزایای عظیم خروج از سوخت های فسیلی در حال حاضر بهره مند شویم. ما می توانیم این کار را با اطمینان انجام دهیم که راه حل نگرانی های هسته ای باقی مانده ما در مسیر تجاری سازی است.
در مواجهه با تغییرات آب و هوایی، اقدام دیر هنگام در کربن زدایی یک مسیر مسئولانه نیست. زمان آن فرا رسیده است که هیجان زده شویم، درباره IFR بیاموزیم و خود را برای عصر جدید آماده کنیم. بازی پایان انرژی آغاز شده است.
منبع: مانفرد لنزن، University of Sydney، بن هرد، University of Adelaide
