Generasi IV, masa depan tenaga nuklir

Generasi IV, masa depan tenaga nuklir

Meskipun tenaga nuklir tetap kontroversial, reaktor baru sedang dibangun dalam jumlah yang mengejutkan dan ini akan memberikan bagian terbesar kedua dari energi bebas karbon dunia. Ini juga merupakan industri yang mengalami perubahan cepat seiring dengan hadirnya teknologi baru. Jadi, seperti apa tenaga nuklir dalam beberapa dekade mendatang?

Pada tanggal 2 Desember 1942, di bawah stadion sepak bola Stagg Subject Universitas Chicago, Chicago Pile 1 (CP-1) diaktifkan, menjadi reaktor nuklir pertama di dunia. Hari ini, 78 tahun kemudian, 440 reaktor menghasilkan lebih dari 10 persen listrik dunia, dengan 50 lainnya sedang dibangun.

Meskipun demikian, energi nuklir menderita reputasi yang sangat buruk. Seperti banyak hal dalam hidup, ini disebabkan oleh sejumlah faktor yang rumit. Energi nuklir masih menjadi hal yang misterius bagi banyak orang. Ini terkait dengan senjata nuklir, dan masih di bawah beban propaganda Perang Dingin selama beberapa dekade, serta tiga kecelakaan reaktor yang sangat terkenal di AS, Uni Soviet, dan Jepang.

Di Barat, konstruksi dan pengembangan reaktor melambat hingga merangkak dalam dekade terakhir abad ke-20, tetapi industri ini mungkin berada di ambang kebangkitan. Terlepas dari reputasinya, energi nuklir memiliki sejumlah keunggulan. Tidak hanya bebas karbon, tetapi juga bebas emisi. Ini menghasilkan sejumlah besar daya dengan tapak space yang sangat kecil. Itu dapat ditempatkan di wilayah mana pun. Dan, yang mengejutkan, ia memiliki tingkat kematian per kilowatt terendah dari sumber energi mana pun.

Biaya tenaga nuklir

Namun, energi nuklir memiliki satu masalah besar dan itu adalah biaya. Dengan pembangkit yang menelan biaya hingga US$15 miliar, membangun reaktor jarang menguntungkan. Sebaliknya, sebagian besar pendapatan pembangun berasal dari pengisian bahan bakar dan servis reaktor.

Alasan utama tingginya biaya pembangunan pembangkit listrik tenaga nuklir bukan karena pembangkit listrik tenaga nuklir itu nuklir, tetapi karena mereka besar, sering kali merupakan proyek teknik sipil yang jumlahnya sedikit dan jarang, dan dapat memakan waktu hingga 20 tahun untuk mewujudkannya. on line. Alih-alih produksi massal pabrik, pabrik dibangun di lapangan. Mereka juga memerlukan proses perizinan yang rumit, dengan desain pabrik yang diuji, dimodifikasi, dan diuji ulang di bawah serangkaian persyaratan kualitas, keselamatan, dan keamanan yang unik, serta operator yang diminta untuk memenuhi semua biaya pembuangan limbah.

Semua ini tidak hanya menyebabkan pembengkakan biaya, waktu yang dibutuhkan juga berarti ada banyak peluang untuk kehilangan pengalaman seiring bertambahnya usia dan pensiun para insinyur. Hal ini menyebabkan keanehan seperti Inggris, yang merupakan salah satu pelopor energi nuklir, harus pergi ke luar negeri untuk membantu membangun reaktor terbaru negara itu.

Ada sejumlah cara untuk mengurangi biaya, termasuk menggunakan desain standar, membangun pabrik yang cukup untuk mempertahankan keterampilan dan pengalaman, menggunakan berbagai langkah perampingan manajemen, dan, yang paling penting, dengan menyerang biaya pembangunan terbesar. Reaktor nuklir dan pulau turbin tidak mendominasi biaya sistem canggih ini, melainkan pekerjaan sipil, struktur, dan bangunan; instalasi peralatan listrik; dan biaya tidak langsung lainnya untuk pekerjaan ini di lokasi.

Karena itu, industri nuklir mencari desain reaktor baru, beberapa di antaranya telah dikembangkan selama beberapa dekade, untuk tidak hanya mengurangi biaya konstruksi dan operasi, tetapi juga untuk meningkatkan keselamatan dan efisiensi sambil mengurangi risiko proliferasi senjata nuklir.

Desain reaktor masa depan

Saat ini, industri nuklir berada di Generasi III atau III+. Generasi pertama ditandai dengan reaktor prototipe dari akhir 1940-an, 50-an, dan awal 60-an, dan yang kedua oleh reaktor air ringan komersial pertama dari pertengahan 1960-an hingga pertengahan 1990-an. Ini diikuti oleh Generasi III, yang juga merupakan reaktor air ringan, tetapi mencakup teknologi baru seperti bahan bakar yang lebih andal, sistem pendingin pasif, dan teras reaktor yang kurang rentan terhadap kegagalan. Generasi III+ yang akan dibangun hingga tahun 2030-an merupakan reaktor terbaru dan merupakan desain Generasi III dengan penyempurnaan tambahan.

Apa yang akan datang selanjutnya adalah Generasi IV, yang merupakan keluarga dari desain yang jauh lebih maju dan beragam yang bertujuan untuk membuat pembangkit nuklir tidak hanya lebih murah, tetapi juga secara inheren jauh lebih aman dengan menggabungkan teknologi reaktor baru, serta materials baru dan teknik manufaktur baru.

Pada dasarnya, reaktor Gen IV ini dicirikan oleh pendinginnya, yang dapat berupa air, helium, logam cair, atau garam cair. Mereka juga dibedakan berdasarkan di mana dalam spektrum neutron mereka beroperasi. Artinya, dalam spektrum neutron termal atau spektrum neutron cepat. Yang terakhir, neutron yang menyebabkan fisi dihasilkan oleh reaksi nuklir dan tidak diperlambat, sehingga reaktor beroperasi pada energi neutron yang sangat tinggi, sedangkan yang pertama, reaktor menggunakan moderator untuk memperlambat reaksi, yang terjadi pada energi neutron yang lebih rendah.

Mari kita lihat beberapa reaktor Gen IV. Ini sama sekali bukan daftar yang lengkap, tetapi ini mencakup pesaing utama yang mungkin muncul di pertengahan abad ke-21.

Reaktor Modular Kecil (SMR)

Small Modular Reactors (SMR) adalah reaktor air ringan yang pada dasarnya merupakan versi lanjutan dari reaktor yang digunakan saat ini, kecuali bahwa mereka lebih kecil dan dapat diproduksi secara massal seperti mobil. Ini bertujuan untuk menurunkan biaya energi nuklir dengan memperkenalkan teknik manufaktur pabrik. Intinya, idenya adalah untuk membuat reaktor standar kecil dengan kapasitas masing-masing kurang dari 300 MWe.

Tidak seperti reaktor konvensional, SMR bukanlah proyek teknik sipil besar yang membutuhkan waktu 20 tahun untuk bisa on-line dan 20 tahun lagi untuk menghasilkan keuntungan. Sebaliknya, seperti namanya, SMR didasarkan pada desain yang lebih kecil dan lebih sederhana yang terdiri dari modul tidak hanya reaktor, tetapi juga sebagian besar komponen pendukung.

Hal ini memungkinkan pembangkit listrik dibangun di pabrik atau galangan kapal sebagai modul yang kuat, kemudian dikirim ke lokasi untuk perakitan. Tujuannya adalah untuk tidak hanya menurunkan biaya, tetapi juga secara radikal mempercepat pembangunan pabrik dan sertifikasi untuk mulai beroperasi.

Keuntungan lain dari SMR adalah bahwa konfigurasi pabrik dapat disesuaikan untuk memenuhi kebutuhan pelanggan yang berbeda. Komunitas kecil yang relatif terisolasi dapat memesan pembangkit dengan reaktor tunggal yang dapat melayani, misalnya, beberapa ribu rumah dan bisnis, sementara kota besar dapat memiliki pembangkit dengan banyak reaktor yang dapat menyediakan listrik bagi jutaan orang. Karena kecil, SMR dapat digunakan untuk aplikasi khusus seperti eksplorasi minyak atau melayani pangkalan militer. Selain itu, modul dapat dirancang untuk dikirim dengan cara yang paling tepat, termasuk dengan tongkang, kapal, truk, kereta api, atau bahkan kapal udara.

SMR juga terkenal karena menggabungkan sistem keselamatan pasif yang membutuhkan sedikit atau tidak ada daya listrik untuk beroperasi dan menyediakan pendinginan jika terjadi kecelakaan. Mereka juga lebih mudah untuk dilindungi tanpa memerlukan struktur beton besar karena mereka dapat dengan mudah dipasang di bawah tanah atau di atas kapal atau platform laut di mana mereka duduk di bawah garis air, yang melindungi mereka dengan cara yang sama seperti reaktor di kapal selam.

Reaktor Berpendingin Gasoline Suhu Tinggi (HTGR)

Excessive Temperature Gasoline-Cooled Reactor (TGR) adalah reaktor berpendingin helium dengan moderasi grafit yang beroperasi pada suhu dua atau tiga kali lipat dari reaktor konvensional, tetapi dengan kepadatan daya yang lebih rendah. Konsep ini telah dikembangkan sejak tahun 1940-an, tetapi baru dalam beberapa tahun terakhir teknologinya mulai matang.

Dasar untuk HTGR adalah bahwa ia berjalan pada bahan bakar partikel TRI-structural ISOtropic (TRISO). Alih-alih dibentuk menjadi batang, bahan bakar TSRIO terbuat dari partikel berukuran biji poppy yang terdiri dari uranium, karbon, dan oksigen yang disegel dalam tiga lapisan bahan karbon atau keramik untuk menampung produk limbah nuklir.

Partikel-partikel ini dibentuk menjadi pelet silinder atau bola seukuran bola biliar yang disebut “kerikil.” Hal ini membuat bahan bakar sangat kuat. Ini lebih tahan terhadap iradiasi neutron, korosi, oksidasi, dan suhu tinggi daripada bahan bakar konvensional. Ini berarti kerikil tidak akan meleleh di dalam reaktor, yang dapat bekerja pada suhu yang lebih tinggi. Selain itu, kerikil dapat perlahan-lahan bersirkulasi melalui reaktor, dengan kerikil bekas dikeluarkan dari bagian bawah reaktor sementara kerikil baru dimasukkan untuk menggantikannya di bagian atas.

Reaktor Cepat Berpendingin Gasoline (GFR)

Gasoline-Cooled Quick Reactors (GFR) juga didinginkan oleh helium, tetapi beroperasi pada kepadatan daya yang lebih tinggi daripada HTGR. Mereka awalnya dikembangkan sebagai reaktor pembiakan, yang menghasilkan lebih banyak bahan bakar daripada yang mereka bakar dengan mengubah isotop uranium thorium atau non-fisil menjadi plutonium atau isotop uranium fisil, dengan menggunakan neutron cepat alih-alih neutron lambat yang dihasilkan oleh reaktor konvensional.

Versi lanjutan dari GFR menggunakan inti yang terbuat dari bahan bakar uranium mono-karbida keramik untuk memungkinkannya beroperasi pada suhu tinggi. Bahan bakar juga dikonfigurasi sehingga ada kepadatan tinggi atom uranium per quantity bahan bakar.

Reaktor Cepat Natrium (SFR)

Reaktor cepat lainnya adalah Sodium Quick Reactor (SFR), yang didinginkan oleh natrium cair, yang memiliki kemampuan penghilangan panas yang sangat baik. Ini adalah reaktor kecil karena ini memungkinkan fitur keselamatan yang melekat dan pasif yang tidak bekerja dengan baik di reaktor natrium yang lebih besar. Di Amerika Serikat, bahan bakar yang digunakan adalah paduan logam uranium dan zirkonium yang dilapisi baja, sedangkan di Rusia, Prancis, dan Jepang lebih disukai bahan bakar uranium oksida. Bahan bakar ini memiliki densitas termal yang rendah, sehingga jika inti reaktor menjadi terlalu panas, ia akan mengembang, menyebabkan reaksi nuklir mati secara alami.

Inti juga sangat kompak karena SFR memiliki siklus bahan bakar tertutup. Artinya, uranium dan plutonium didaur ulang di dalam inti sebagai bagian dari reaksi nuklir, memungkinkan reaktor untuk berjalan selama beberapa dekade antara pengisian bahan bakar.

Reaktor Cepat Berpendingin Timbal (LFR)

Lead-Cooled Quick Reactor (LFR) didasarkan pada desain reaktor yang dikembangkan untuk kapal selam nuklir Rusia dan, seperti namanya, menggunakan timbal sebagai elemen pendinginnya. Versi terbaru berjalan dengan uranium nitrida, bukan uranium dioksida. Seperti halnya natrium, timbal menyediakan sistem keamanan pasif serupa yang secara otomatis mengatur reaksi nuklir jika mulai tidak terkendali.

Reaktor Suhu Tinggi Berpendingin Fluor (FHR)

Fluoride-Cooled Excessive Temperature Reactors (FHR) adalah reaktor suhu tinggi yang didinginkan oleh campuran cair lithium fluoride dan garam berilium fluoride, bukan helium. Reaktor ini memiliki kerapatan daya hingga 10 kali lipat dari HTGR menggunakan teknologi bahan bakar partikel TRISO. Garam fluorida memungkinkan reaktor untuk beroperasi pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan reaktor berpendingin helium dan desain masa depan akan menggunakan bahan bakar kerikil.

Reaktor Berbahan Bakar Garam Cair (MSR)

Molten Salt-Fueled Reactor (MSR) sedikit berbeda, di mana garam cair adalah pendingin dan bahan bakar. Alih-alih dibentuk menjadi batang, pelet, atau kerikil, bahan bakar dicampur ke dalam garam fluorida, yang mengalir melalui grafit atau moderator serupa yang menghasilkan neutron lambat dan mengontrol reaksi.

MSR dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi, meskipun ini menimbulkan masalah korosi, sehingga desainnya cenderung ke versi yang lebih dingin. Namun, dengan menggabungkan pendingin dan bahan bakar, menghilangkan limbah dan memperkenalkan bahan bakar baru jauh lebih mudah daripada di reaktor konvensional.

Di luar Gen IV

Seiring meningkatnya permintaan akan energi bebas karbon yang mengarah ke lebih banyak pembangkit nuklir yang dibangun di seluruh dunia, kita akan melihat reaktor Generasi IV ini mulai beroperasi. Karena mereka dirancang agar lebih murah dan lebih cepat untuk dibuat, kemungkinan besar mereka akan menjadi sangat umum dengan sangat cepat. Tapi apa yang akan terjadi setelah Generasi IV? Seperti apa Generasi V?

Dalam banyak hal, mereka akan menjadi versi yang lebih maju dari reaktor Generasi IV, membangun pelajaran dari generasi sebelumnya, tetapi kita juga cenderung melihat pembangkit nuklir baru untuk aplikasi area of interest baru. Sudah ada rencana untuk membangun reaktor kecil untuk digunakan di Bulan, dan pekerjaan sedang dilakukan pada teknologi seperti bahan bakar nuklir yang menyala seperti lilin, dengan reaksi dimulai dari satu ujung dan bergerak ke ujung lainnya karena secara bertahap memakan bahan bakar.

Kita mungkin juga melihat peninjauan kembali pendekatan lain untuk desain reaktor nuklir yang didasarkan pada eksperimen yang dilakukan beberapa dekade lalu, tetapi ditinggalkan demi solusi yang lebih menjanjikan. Beberapa di antaranya benar-benar ditinggalkan sehingga bahkan para ahli di bidang ini hanya memiliki pemahaman yang kabur tentangnya. Kini, mereka kembali diperiksa. Mungkin akan ada hari ketika istilah “bahan bakar nuklir” tidak hanya berarti uranium dan plutonium, tetapi juga yang kurang dikenal seperti torium.

Tentu saja jika fusi nuklir pernah dibuat praktis, maka semua taruhan akan dibatalkan karena fisi nuklir kemungkinan akan terjadi pada lokomotif berbahan bakar batu bara.



Total
0
Shares
Leave a Reply

Your email address will not be published.

Related Posts