Large amounts of carbon dioxide, or CO2, have been put into the atmosphere through our burning of fossil fuels, like oil and coal, leading to climate change. Scientists are now looking for solutions to help address this issue, while still continuing to raise the standards of living for millions of people.
Different communities need different amounts of energy, and how much they need changes over time. Energy can come from many sources, including burning fossil fuels, solar power, wind power, and nuclear power. Scientists can create models to compare how much energy we need to how much energy is available from different sources.
What Are Scientific Models?
Models are how scientists understand the world around us and can help them make predictions about the future. Scientists observe the world around them to gather data, then analyze the data to create a model. This model is a representation of events, ideas, or processes and can help scientists and researchers understand and find patterns within complex systems.
When creating these scientific models, researchers consider economic, environmental, and social impact factors. These models can be used by decision-makers to understand how much energy is needed, and where it can be found. This will help them figure out the best policies to replace the current energy generation that creates CO2 with green alternatives.
Creative and Impactful Solutions
One of these studies was conducted by a group of researchers from the University of Regina, led by Dr. Guohe Huang in Saskatchewan. This province currently generates heat and electricity mainly by burning fossil fuels in the form of coal and gas, but like the rest of the world and Canada, it is working on transitioning to green energy sources that will help its citizens enjoy a better future.
This group of researchers proposes replacing Saskatchewan’s current coal plants with two combined sources of energy generation, wind and nuclear. Wind energy would be produced in the form of wind turbines, and nuclear energy produced by using Small Modular Nuclear Reactors (SMRs). The combination of these energy sources will provide energy autonomy to the province in the future without releasing more CO2 into the environment.
Did You Say Nuclear?
Atoms and the Power Within
Every atom in the universe is held together by enormous amounts of energy. We can harvest this energy by splitting the core, or nucleus, of these tiny particles in a process called fission. This process is done in a nuclear power plant.
One key aspect of nuclear energy generation is known as a chain reaction. In the case of nuclear energy generation, it is a process that starts with a particle hitting and splitting an atom. The result of this collision is energy and the release of multiple smaller particles that will repeat the process of splitting atoms and releasing more energy and more particles until the source of energy is consumed.
Location, Location, Location
One big challenge when replacing energy generation sources is connecting the new source of power to the places where electricity is needed. Electrical power gets to our homes and businesses through the power lines that are along streets - this system is called the electrical grid.
In the case of Saskatchewan, the creative solution is to build the new power plants, friendly to wind and nuclear energy, in the same place where the old generation power stations are located. This solves the problem of connecting the new source to the current grid, lowering costs, and speeding up the process, and also ensures the closure of the previous carbon-emitting power plant.
Small Modular Nuclear Reactors (SMRs)
SMRs, like all nuclear power plants, provide stability to the power grid because electricity can be produced all year round, regardless of the weather or time of day. Compared to traditional nuclear reactors, SMRs are recommended by researchers because they: - Have lower cost as they can be mass-produced in factories, instead of on location. - Are generally simpler and safer as they incorporate extra protection measures in their design. - Require less fuel.
The image is taken from “Development of an optimization-aided small modular reactor siting model – A case study of Saskatchewan, Canada” by Liu, Yanyan, Guohe Huang, Jiapei Chen, Xiaoyue Zhang, Xiaogui Zheng, and Mengyu Zhai. 2021. “Development of an optimization-aided small modular reactor siting model – A case study of Saskatchewan, Canada.” Applied Energy 305, no. 2022, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117867
The Wind Moving Us Forward
Due to Saskatchewan’s geographical location and topography, wind is an attractive and important source of energy to incorporate in the replacement of non-green alternatives.
Wind power is the generation of electricity by capturing kinetic energy, the energy that objects have because of their motion, present in the wind. To capture and use this energy, turbines connected to generators transform the rotation of the blades into electricity.
Wind power is a viable alternative to supplement energy production within the province because: - The region, due to its geographical location, is rich in wind resources. The winds in the area are strong and abundant. - The technology is environmentally friendly, renewable, and safe. - There is support from the province and the community.
Try This at Home: Chain Reaction
Experiment with two different types of chain reactions by using dominoes. With this experiment you will experience a chain reaction that grows linearly, meaning that it grows by the same amount for as long as it runs, and the other grows exponentially, meaning that it will speed up at a rate proportional to the number of elements in the reaction.
Design One: Linear Growth
1. Create a line of dominoes following the image above. Use as many dominoes as you like. 2. Tip the first domino and time how long it takes for all the pieces to fall. 3. Note down the time.
Design Two: Exponential Growth
1. Replicate the design above, using the same number of dominos as you did in Design One. 2. Tip the domino at the bottom of the structure and time the reaction. 3. Note down the time.
Compare the two different times. The second design illustrates the process happening on a chain nuclear reaction as each element in the design will trigger two new reactions (hit two dominoes).
Climate Action: Learn and Share Your Knowledge
When dealing with large-scale projects such as closing coal power plants to lower CO2 emissions, the best tool we have as citizens is participating in the democratic system and directly contacting and asking our elected representatives for effective policies that will help us see a better future.
You may be too young to vote, but you are a powerful climate ally. By learning about climate change and particularly about the technologies discussed in this spotlight, nuclear and wind energy, you can create change in your community, starting with those close to you. Knowledge shared is the power to make the world a better place.
Credit
This Science Spotlight was written based on Liu, Yanyan, Guohe Huang, Jiapei Chen, Xiaoyue Zhang, Xiaogui Zheng, and Mengyu Zhai. 2021. "Development of an optimization-aided small modular reactor siting model – A case study of Saskatchewan, Canada." Applied Energy 305, no. 2022, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117867.
Histoire de la genèse : Les options vertes à l’alimentation
Modélisation du futur
De grandes quantités de dioxyde de carbone, ou CO2, ont été libérées dans l'atmosphère par la combustion de combustibles fossiles, comme le pétrole et le charbon, ce qui a entraîné un changement climatique. Les scientifiques cherchent maintenant des solutions pour aider à résoudre ce problème, tout en continuant à élever le niveau de vie de millions de personnes.
Chaque communauté a besoin d'une quantité d'énergie différente, et cette quantité évolue avec le temps. L'énergie peut provenir de nombreuses sources, dont la combustion de combustibles fossiles, l'énergie solaire, l'énergie éolienne et l'énergie nucléaire. Les scientifiques peuvent créer des modèles pour comparer la quantité d'énergie dont nous avons besoin et la quantité d'énergie disponible à partir de différentes sources.
Quels sont les modèles scientifiques?
Les modèles permettent aux scientifiques de comprendre le monde qui nous entoure et peuvent les aider à faire des prédictions sur l'avenir. Les scientifiques observent le monde qui les entoure pour recueillir des données, puis analysent ces données pour créer un modèle. Ce modèle est une représentation d'événements, d'idées ou de processus et peut aider les scientifiques et les chercheurs à comprendre et à trouver des modèles dans des systèmes complexes.
Lorsqu'ils créent ces modèles scientifiques, les chercheurs tiennent compte des facteurs d'impact économique, environnemental et social. Ces modèles peuvent être utilisés par les décideurs pour comprendre quelle quantité d'énergie est nécessaire et où elle peut être trouvée. Cela les aidera à définir les meilleures politiques pour remplacer la production actuelle d'énergie qui génère du CO2 par des alternatives vertes.
Créativité et solutions avec grand impact
L'une de ces études a été menée par un groupe de chercheurs de l'Université de Regina, dirigé par le Dr Guohe Huang, en Saskatchewan. Cette province produit actuellement de la chaleur et de l'électricité principalement en brûlant des combustibles fossiles sous forme de charbon et de gaz, mais comme le reste du monde et le Canada, elle s'efforce d'opérer une transition vers des sources d'énergie verte qui aideront ses citoyens à jouir d'un meilleur avenir.
Ce groupe de chercheurs propose de remplacer les centrales au charbon actuelles de la Saskatchewan par deux sources combinées de production d'énergie, l'éolien et le nucléaire. L'énergie éolienne serait produite sous forme d'éoliennes, et l'énergie nucléaire serait produite à l'aide de petits réacteurs nucléaires modulaires (PRM). La combinaison de ces sources d'énergie assurera l'autonomie énergétique de la province à l'avenir sans rejeter davantage de CO2 dans l'environnement.
Avez-vous dit Nucléaire?
Les atomes et leurs pouvoirs
Chaque atome de l'univers est maintenu ensemble par d'énormes quantités d'énergie. Nous pouvons récolter cette énergie en divisant le cœur, ou noyau, de ces minuscules particules dans un processus appelé fission. Ce processus est réalisé dans une centrale nucléaire.
Un aspect essentiel de la production d'énergie nucléaire est connu sous le nom de réaction en chaîne. Dans le cas de la production d'énergie nucléaire, il s'agit d'un processus qui commence par la collision d'une particule avec un atome et sa division. Le résultat de cette collision est de l'énergie et la libération de multiples particules plus petites qui vont répéter le processus de division des atomes et libérer plus d'énergie et plus de particules jusqu'à ce que la source d'énergie soit consommée.
Location, Location, Location
L'un des grands défis à relever lors du remplacement des sources de production d'énergie est de connecter la nouvelle source d'énergie aux endroits où l'électricité est nécessaire. L'électricité parvient à nos maisons et à nos entreprises par les lignes électriques qui longent les rues - ce système s'appelle le réseau électrique.
Dans le cas de la Saskatchewan, la solution créative consiste à construire les nouvelles centrales électriques, favorables à l'énergie éolienne et nucléaire, à l'endroit même où se trouvent les centrales de l'ancienne génération. Cela permet de résoudre le problème du raccordement de la nouvelle source au réseau actuel, de réduire les coûts et d'accélérer le processus, tout en assurant la fermeture de l'ancienne centrale émettrice de carbone.
Petits réacteurs nucléaires modulaires
Les PRM, comme toutes les centrales nucléaires, assurent la stabilité du réseau électrique, car l'électricité peut être produite toute l'année, quels que soient le temps et l'heure de la journée. Comparés aux réacteurs nucléaires traditionnels, les PRM sont recommandés par les chercheurs car ils : - ont un coût inférieur car ils peuvent être produits en masse dans des usines, plutôt que sur place. - sont généralement plus simples et plus sûrs car ils intègrent des mesures de protection supplémentaires dans leur conception. - nécessitent moins de combustible.
L’image est tirée de l’article « Development of an optimization-aided small modular reactor siting model – A case study of Saskatchewan, Canada » de Liu, yanyan, Guohe Huang, Jiapei Chen, Xiaoyue Zhang, Xiaogui Zheng, et Mengya Zhai. 2021. Applied Energy 305, no 2022, 1-15. Htttps://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117867
Le vent nous fait avancer
En raison de la situation géographique et de la topographie de la Saskatchewan, le vent est une source d'énergie intéressante et importante à incorporer dans le remplacement des solutions de rechange non écologiques.
L'énergie éolienne est la production d'électricité par la capture de l'énergie cinétique, l'énergie que les objets possèdent en raison de leur mouvement, présente dans le vent. Pour capter et utiliser cette énergie, des turbines reliées à des générateurs transforment la rotation des pales en électricité.
L'énergie éolienne est une alternative viable pour compléter la production d'énergie dans la province car : - La région, de par sa situation géographique, est riche en ressources éoliennes. Les vents dans la région sont forts et abondants. - La technologie est respectueuse de l'environnement, renouvelable et sûre. - Il existe un soutien de la part de la province et de la communauté.
Essayez ça chez vous : Réaction en chaîne
Faites l'expérience de deux types différents de réactions en chaîne en utilisant des dominos. Cette expérience vous permettra d'expérimenter une réaction en chaîne à croissance linéaire, ce qui signifie qu'elle croît de la même manière pendant toute la durée de la réaction, et une autre à croissance exponentielle, ce qui signifie qu'elle s'accélère à un rythme proportionnel au nombre d'éléments de la réaction.
Premier modèle : La croissance linéaire
1. Créez une ligne de dominos en suivant l'image ci-dessus. Utilisez autant de dominos que vous le souhaitez. 2. Faites tomber le premier domino et chronométrer le temps qu'il faut pour que toutes les pièces tombent. 3. Notez le temps.
Deuxième modèle : : La croissance exponentielle
1. Reproduisez le modèle ci-dessus en utilisant le même nombre de dominos que pour le modèle 1. 2. Faites basculer le domino au bas de la structure et chronométrer la réaction. 3. Notez le temps.
Comparez les deux temps différents. Le deuxième modèle illustre le processus d'une réaction nucléaire en chaîne, car chaque élément du modèle déclenche deux nouvelles réactions (en faisant tomber deux dominos).
Action pour le climat : Apprenez et partagez vos connaissances
Lorsqu'il s'agit de projets à grande échelle tels que la fermeture de centrales au charbon pour réduire les émissions de CO2, le meilleur outil dont nous disposons en tant que citoyens est de participer au système démocratique et de contacter et demander directement à nos représentants élus des politiques efficaces qui nous aideront à voir un avenir meilleur.
Vous êtes peut-être trop jeune pour voter, mais vous êtes un allié puissant pour le climat. En vous informant sur le changement climatique et en particulier sur les technologies abordées dans ce dossier, à savoir l'énergie nucléaire et l'énergie éolienne, vous pouvez créer un changement dans votre communauté, en commençant par vos proches. La connaissance partagée est le pouvoir de rendre le monde meilleur.
Contribution
Ce guide « Pleins feux sur la science » a été écrit sur la base de l’article Liu, Yanyan, Guohe Huang, Jiapei Chen, Xiaoyue Zhang, Xiaogui Zheng, et Mengyu Zhai. 2021. "Développement d'un modèle d'implantation de petits réacteurs modulaires assisté par optimisation - Une étude de cas de la Saskatchewan, Canada". Applied Energy 305, no 2022, 1-15. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117867.
