Hur kan världen uppnå de djupa minskningar av koldioxidutsläpp som är nödvändiga för att bromsa eller vända effekterna av klimatförändringarna? Författarna till en ny MIT-studie säger att om inte kärnenergi på ett meningsfullt sätt införlivas i den globala blandningen av energitekniker med låga koldioxidutsläpp, utmaningen med klimatförändringarna kommer att bli mycket svårare och dyrare att lösa. För att kärnenergi ska ta sin plats som en viktig energikälla med låga koldioxidutsläpp, dock, frågor om kostnader och politik måste tas upp.

I "The Future of Nuclear Energy in a Carbon-strained World, " släppt av MIT Energy Initiative (MITEI) den 3 september, författarna analyserar orsakerna till den nuvarande globala avstängningen av kärnenergikapacitet – som för närvarande bara står för 5 procent av den globala primärenergiproduktionen – och diskuterar åtgärder som kan vidtas för att stoppa och vända den trenden.

Studiegruppen, ledd av MIT-forskare i samarbete med kollegor från Idaho National Laboratory och University of Wisconsin i Madison, presenterar sina resultat och rekommendationer vid evenemang i London, Paris, och Bryssel denna vecka, följt av händelser den 25 september i Washington, och den 9 oktober i Tokyo. MIT doktorander och studenter och postdoktorer, samt lärare från Harvard University och medlemmar i olika tankesmedjor, bidrog också till studien som medlemmar i forskargruppen.

"Vår analys visar att förverkligandet av kärnenergins potential är avgörande för att uppnå en djupt kolfri energiframtid i många regioner i världen, säger studieordförande Jacopo Buongiorno, TEPCO-professorn och biträdande avdelningschef för Institutionen för kärnvetenskap och teknik vid MIT. Han lägger till, "Införlivar ny policy och affärsmodeller, såväl som innovationer inom konstruktion som kan göra utbyggnaden av kostnadseffektiva kärnkraftverk mer överkomliga, skulle kunna göra det möjligt för kärnenergi att hjälpa till att möta den växande globala efterfrågan på energiproduktion samtidigt som utsläppen minskar för att hantera klimatförändringarna."

Studiegruppen noterar att särskilt elsektorn är en främsta kandidat för djup avkolning. Den globala elförbrukningen är på väg att växa med 45 procent till 2040, och teamets analys visar att uteslutningen av kärnkraft från lågkoldioxidscenarier kan få den genomsnittliga kostnaden för el att eskalera dramatiskt.

"Förstå de möjligheter och utmaningar som kärnkraftsindustrin står inför kräver en omfattande analys av tekniska, kommersiell, och politiska dimensioner, säger Robert Armstrong, direktör för MITEI och Chevron-professorn i kemiteknik. "Under de senaste två åren, detta team har undersökt varje fråga, och den resulterande rapporten innehåller vägledning som beslutsfattare och branschledare kan tycka är värdefulla när de utvärderar alternativ för framtiden."

Rapporten diskuterar rekommendationer för byggande av kärnkraftverk, nuvarande och framtida reaktorteknik, affärsmodeller och policyer, och reaktorsäkerhetsreglering och licensiering. Forskarna finner att förändringar i reaktorkonstruktionen behövs för att inleda en tid av säkrare, mer kostnadseffektiva reaktorer, inklusive beprövad byggledningspraxis som kan hålla kärnkraftsprojekt i tid och inom budget.

"En förändring mot serietillverkning av standardiserade anläggningar, inklusive mer aggressiv användning av tillverkning i fabriker och skeppsvarv, kan vara en genomförbar kostnadsreduktionsstrategi i länder där produktiviteten i den traditionella byggsektorn är låg, " säger MIT gästforskare David Petti, studiedirektör och laboratoriestipendiat vid Idaho National Laboratory. "Framtida projekt bör också inkludera reaktorkonstruktioner med inneboende och passiva säkerhetsfunktioner."

Dessa säkerhetsfunktioner kan inkludera kärnmaterial med hög kemisk och fysisk stabilitet och konstruerade säkerhetssystem som kräver begränsad eller ingen nödväxelström och minimalt med yttre ingrepp. Funktioner som dessa kan minska sannolikheten för att allvarliga olyckor inträffar och mildra konsekvenserna utanför anläggningen i händelse av en incident. Sådana konstruktioner kan också underlätta licensieringen av nya anläggningar och påskynda deras globala utbyggnad.

"Regeringens roll kommer att vara avgörande om vi ska dra nytta av de ekonomiska möjligheter och koldioxidsnåla potential som kärnkraft har att erbjuda, säger John Parsons, studieordförande och universitetslektor vid MIT:s Sloan School of Management. "Om denna framtid ska förverkligas, regeringstjänstemän måste skapa nya utsläppspolicyer som lägger all energiteknik med låga koldioxidutsläpp (d.v.s. förnybar energi, kärn, fossila bränslen med kolavskiljning) på lika villkor, samtidigt som man utforskar alternativ som stimulerar privata investeringar i kärnkraftsutveckling."

Studien beskriver detaljerade alternativ för statligt stöd till kärnkraft. Till exempel, författarna rekommenderar att beslutsfattare bör undvika för tidig stängning av befintliga anläggningar, som undergräver ansträngningarna att minska utsläppen och öka kostnaderna för att nå utsläppsminskningsmålen. Ett sätt att undvika dessa stängningar är implementeringen av nollutsläppskrediter – betalningar som görs till elproducenter där el genereras utan utsläpp av växthusgaser – som forskarna noterar att för närvarande finns i New York, Illinois, och New Jersey.

Ett annat förslag från studien är att regeringen stödjer utveckling och demonstration av ny kärnteknik genom att använda fyra "spakar":finansiering för att dela regulatoriska licenskostnader; finansiering för att dela forsknings- och utvecklingskostnader; finansiering för att uppnå specifika tekniska milstolpar; och finansiering för produktionskrediter för att belöna framgångsrik demonstration av ny design.

Studien inkluderar en undersökning av det nuvarande kärnkraftsregleringsklimatet, både i USA och internationellt. Medan författarna noterar att betydande sociala, politisk, och kulturella skillnader kan finnas mellan många av länderna i kärnenergigemenskapen, de säger att den grundläggande grunden för att bedöma säkerheten för kärnreaktorprogram är ganska enhetlig, och bör återspeglas i en rad grundläggande samordnade regleringsprinciper. De rekommenderar att regulatoriska krav för avancerade reaktorer samordnas och anpassas internationellt för att möjliggöra internationell utbyggnad av kommersiella reaktorkonstruktioner, och att standardisera och säkerställa en hög säkerhetsnivå över hela världen.

Studien avslutas med en betoning på det akuta behovet av både kostnadsbesparande framsteg och framåttänkande politik för att göra framtiden för kärnkraft till verklighet.

"The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World" är den åttonde i serien "Future of..." av studier som är avsedda att fungera som guider för forskare, beslutsfattare, och industri. Varje rapport undersöker vilken roll teknologier spelar som kan bidra i stor skala för att möta snabbt växande global energiefterfrågan i en koldioxidbegränsad värld. Kärnkraft var föremål för den första av dessa tvärvetenskapliga studier, med rapporten "Future of Nuclear Power" från 2003 (en uppdatering publicerades 2009). Serien har även inkluderat en studie om framtiden för kärnbränslecykeln. Andra rapporter i serien har fokuserat på koldioxidbindning, naturgas, elnätet, och solenergi. Dessa omfattande rapporter är skrivna av multidisciplinära team av forskare. Forskningen informeras av en framstående extern rådgivande kommitté.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.