[论文解读] A life cycle assessment of the ISIS-II neutron and muon source

H. M. Wakeling|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2024

Muon and positron interactions and applications被引用 1

一句话总结

本文针对拟议的ISIS-II中子与μ子源，开展了一项简化的生命周期评估（LCA），重点分析其180 MeV直线加速器在建设与运行阶段的环境影响。基于OpenLCA与Idemat数据库，研究发现：建设阶段——尤其是建筑与屏蔽结构——对全球变暖影响（GWI）的贡献远超加速器部件，且建设与运行阶段的GWI处于同一数量级，凸显建筑与屏蔽结构为关键环境热点，亟需采取减缓措施。

ABSTRACT

The ISIS-II Neutron and Muon source is the proposed next generation of, and successor to, the ISIS Neutron and Muon Source based at the Rutherford Appleton Laboratory in the United Kingdom. Anticipated to start construction in 2031, the ISIS-II project presents a unique opportunity to incorporate environmental sustainability practices from its inception. A Life Cycle Assessment (LCA) will examine the environmental impacts associated with each of the ISIS-II design options across the stages of the ISIS-II lifecycle, encompassing construction, operation, and eventual decommissioning. This proactive approach will assess all potential areas of environmental impact and seek to identify strategies for minimizing and mitigating negative impacts, wherever feasible. This presentation will provide insights into the process and first results of the LCA of the entirety of the ISIS-II project.

研究动机与目标

• 评估拟议ISIS-II中子与μ子源在整个生命周期内的环境影响。
• 在设计阶段识别关键环境热点，以指导可持续发展。
• 通过数据驱动的可持续性洞察，支持可行性分析与方案比选。
• 通过从大型科学设施规划初期即嵌入环境影响减量措施，助力英国实现净零目标。

提出的方法

• 采用ISO 14040框架的简化、迭代式LCA，包括四个步骤：目标与范围界定、清单分析、影响评估（LCIA）与结果解释。
• 将功能单位定义为一个运行60年、退役期70年的ISIS-II设施。
• 使用OpenLCA v2.0.3与Idemat LCA数据库进行初始数据建模，计划未来迁移至Ecoinvent以提升精度。
• 应用ReCiPe:2016 LCIA方法，采用中间点（H）影响因子评估全球变暖影响（GWI）。
• 采用蒙特卡洛模拟，结合对数正态分布评估不确定性，数据质量评分源自EcoInvent系统。
• 采用分层不确定性水平估算清单数据：实测数据的不确定性为0–5%，数量级估算的不确定性最高可达80%。

实验结果

研究问题

• RQ1 拟议ISIS-II设施全生命周期中，主要的环境影响贡献因素是什么？
• RQ2 建设阶段与运行阶段在全局变暖影响（GWI）方面如何比较？
• RQ3 设施各组件——尤其是建筑、屏蔽结构与加速器结构——对环境影响的贡献如何？
• RQ4 材料与能源估算中的不确定性在尚未设计完成的设施中，对LCA结果的影响程度如何？
• RQ5 LCA如何在大型粒子加速器的可行性与方案比选阶段，为可持续设计决策提供支持？

主要发现

• 180 MeV直线加速器（LINAC）段的建设对全球变暖影响（GWI）贡献约20 kt CO2 eq，不确定性较高。
• 设施全生命周期内运行阶段的能耗估算约为40 kt CO2 eq，与建设阶段的影响处于同一数量级。
• 建筑与屏蔽结构共同占建设阶段GWI的95%，其中建筑单独贡献53%，屏蔽结构贡献42%。
• FETS、DTL与SDTL组件合计对总建设GWI的贡献不足5%，表明结构部件是环境影响的主要来源。
• 本研究识别出建筑与屏蔽结构为主要环境热点，表明在这些区域优化设计可实现最高的影响削减潜力。
• 研究结果强调了在大型科学设施中早期开展LCA的重要性，未来工作预计将降低不确定性，并扩展至包括退役阶段（C）与完整设施范围。