24. Energia jądrowa?

Popełniliśmy błąd, stawiając znak równości pomiędzy energią nuklearną a bronią nuklearną, tak jakby wszystko co jądrowe, było złe. To jakby medycynę nuklearną zrównać z bronią nuklearną.
Patrick Moore, były dyrektor Greenpeace International

Energia jądrowa występuje w dwóch smakach. Reakcję o pierwszym smaku, czyli rozszczepienie jądra atomowego, umiemy wykorzystywać w elektrowniach – do rozszczepienia jako paliwa używa się uranu, wyjątkowo ciężkiego pierwiastka. Nie umiemy wykorzystać w elektrowniach reakcji o drugim smaku, czyli syntezy (fuzji) jądrowej. W syntezie paliwem byłyby lekkie pierwiastki, w szczególności wodór. Reakcja rozszczepienia polega na rozbiciu ciężkich jąder na jądra o średniej wielkości, czemu towarzyszy uwolnienie energii. Synteza jądrowa polega na złączeniu się dwóch lżejszych jąder w jedno cięższe, co również uwalnia energię.

Zarówno rozszczepienie, jak i synteza mają pewną istotną właściwość: energia nuklearna zawarta w jednym atomie jest w przybliżeniu milion razy większa niż energia chemiczna zawarta w atomie innego paliwa. Oznacza to, że ilość paliwa i odpadów związana z procesem produkcji energii w reaktorze może być milion razy mniejsza niż ilość paliwa i odpadów w elektrowni na węgiel lub gaz o podobnej mocy.

Nadajmy tym kwestiom ludzki wymiar. Ilość paliw kopalnych zużywanych przez „przeciętnego Brytyjczyka” wynosi około 16 kg dziennie – 4 kg węgla, 4 kg ropy i 8 kg gazu [statystyczny Polak zużywa codziennie 10 kg węgla, 1,8 kg ropy i 0,7 kg gazu – red.]

slupek

Rys. 24.1. Produkcja energii elektrycznej per capita w elektrowniach jądrowych w 2007 roku, w kWh na osobę dziennie, w każdym kraju dysponującym energią jądrową.

Oznacza to, że każdego dnia paliwa kopalne o tej masie są wydobywane z dziury w ziemi, przewożone, przetwarzane i spalane na nasze konto. Co roku ze spalania węgla i ropy na przeciętnego Brytyjczyka przypada 11 ton odpadu w postaci dwutlenku węgla – to 30 kg dziennie. W rozdziale "Zrównoważone paliwa kopalne" omówiliśmy pomysł polegający na wychwytywaniu dwutlenku węgla, sprężeniu go do formy stałej lub gazowej i przetransportowaniu gdzieś do miejsca składowania. Wyobraźmy sobie, że każdy z nas musi sam wychwycić i złożyć gdzieś swój dwutlenek węgla. 30 kg dwutlenku węgla dziennie to pełen plecak. I to każdego dnia.

tabela

Rys. 24.2. Rozpoznane, możliwe do wydobycia zasoby uranu. Górna część tabeli zawiera zasoby zidentyfikowane (reasonably assured resources + inferred resources) o koszcie wydobycia poniżej 130 dolarów za kg uranu – stan na 1 stycznia 2005 roku. To zasoby zidentyfikowane na obszarach, gdzie przeprowadzono poszukiwania. W zapasie jest jeszcze 1,3 mln ton zubożonego uranu, produktu ubocznego przetwarzania uranu.

Dla porównania ilość naturalnego uranu potrzebnego do wyprodukowania takiej samej ilości energii, ile dostarcza 16 kg paliw kopalnych, w standardowym reaktorze jądrowym wynosi 2 gramy (swoją drogą, owe 2 gramy to więcej niż jedna milionowa tych 16 kg dziennie, gdyż obecnie budowane reaktory spalają jedynie izotop 235U, który stanowi mniej niż 1% całości uranu). Pozyskanie owych 2 gramów uranu dziennie wymagałoby wydobycia jakichś 200 gramów rudy dziennie. Związane z tym odpady ważą ćwierć grama.

foto

Fot. 24.3. Robotnicy wsuwają pręty paliwowe z uranem do reaktora z moderatorem grafi towym (X-10 Graphite Reactor).

Emisja dwutlenku węgla na pojedynczego Polaka wynosi nieco mniej – 9 ton rocznie (25 kg dziennie) – odrobinę lżejszy plecak.

Strumienie paliw zasilających reaktor i opuszczających go odpadów są więc niewielkie w porównaniu do strumieni związanych z paliwami kopalnymi. „Małe jest piękne”, jednak w przypadku odpadów jądrowych „małe” nie znaczy „bezproblemowe”. To raczej „pięknie mały” problem.

"Zrównoważona" energia z rozszczepienia jądrowego

Rys. 24.1. pokazuje ilość prądu wyprodukowanego globalnie przez elektrownie jądrowe w 2007 roku, w podziale na poszczególne kraje.

Czy energia jądrowa może być „zrównoważona”? Na moment odłóżmy na bok pojawiające się zazwyczaj pytania o bezpieczeństwo i składowanie odpadów. Kluczową kwestią jest to, jak długo możemy jeszcze rozszczepiać atomy. Jak duże są światowe złoża uranu i innych paliw rozszczepialnych? Czy uranu wystarczy już tylko na dziesięciolecia? A może jednak na setki lat?

W celu oszacowania „zrównoważonej” energii z uranu całkowite rezerwy uranu możliwego do pozyskania na lądzie i w morzu podzieliłem przez 6 mld ludzi i zadałem sobie pytanie: „W jakim tempie możemy tego używać, by wystarczyło na tysiąc lat?”.

Prawie cały możliwy do pozyskania uran znajduje się w morzach i oceanach, a nie w ziemi – woda morska zawiera 3,3 mg uranu na m3 wody, co daje 4,5 mld ton w skali globu. Określiłem uran w oceanach jako „możliwy do pozyskania”, co nieco mija się z prawdą – większość wód morskich jest raczej niedostępna, a oceaniczny pas transmisyjny robi pełną rundę w jakieś tysiąc lat. Co więcej, nikt jeszcze nie pochwalił się pozyskaniem uranu z wody morskiej na skalę przemysłową. Zrobimy więc odrębne rachunki dla dwóch przypadków: w pierwszym oszacujemy tylko zasoby uranu z kopalń, w drugim dodamy również uran oceaniczny.

Ruda uranu, którą da się wydobyć z ziemi po cenach niższych niż 130 dolarów za 1 kg uranu, to jedna tysięczna tych 4,5 mld ton. Jeżeli ceny pójdą w górę, powyżej 130 dolarów, opłacalne stanie się pozyskiwanie uranu ze złóż fosforanów o niskiej koncentracji uranu. Pozyskiwanie uranu z fosforanów jest całkowicie wykonalne, przed 1998 rokiem robiono to w USA i w Belgii. W celu oszacowania zasobów uranu kopalnego zsumuję konwencjonalne rudy uranu i fosforany, co daje zasoby całkowite rzędu 27 mln ton uranu (rys. 24.2).

Rozważymy dwie metody wykorzystania uranu w reaktorze: (a) szeroko stosowana metoda pojedynczego przejścia przez reaktor (once-through method) pozwala pozyskać energię głównie z rozszczepialnego izotopu 235U (który stanowi zaledwie 0,7% ogólnej masy uranu), a odrzuca nierozszczepialny 238U; (b) reaktory prędkie powielające (fast breeder reactors), droższe w budowie, przekształcają 238U do rozszczepialnego plutonu 239Pu i produkują mniej więcej 60 razy więcej energii z uranu.

elektrownia

Fot. 24.4. Elektrownia jądrowa Three Mile Island.

Reaktory pracujące w cyklu paliwowym pojedynczego przejścia używające uranu kopalnego.
Elektrownia jądrowa o mocy 1 GW, pracująca w cyklu paliwowym pojedynczego przejścia przez reaktor, zużywa 162 tony uranu rocznie. Stąd też zasoby uranu, o których wiemy, możliwe do wydobycia z ziemi, podzielone między 6 mld ludzi, wystarczyłyby na tysiąc lat, o ile na każdego przypadnie 0,55 kWh energii dziennie. To zrównoważone tempo wyczerpywania uranu pozwoliłoby zasilić zaledwie 136 elektrowni jądrowych i stanowi połowę obecnej produkcji. Bardzo możliwe, że moje szacunki są zaniżone – uranu jeszcze nie brakuje, nie ma więc zachęt do poszukiwań złóż, niewiele działań poszukiwawczych podjęto od lat 80-tych XX w, może więc kolejne złoża czekają na odkrycie. W istocie, opracowanie opublikowane w 1980 roku szacowało, że zasoby rud o niskiej zawartości uranu są ponad tysiąckrotnie większe niż 27 mln ton założonych tutaj przed chwilą.

Czy obecny sposób wykorzystania kopalnego uranu w reakcji pojedynczego przejścia można uznać za zrównoważony? Trudno powiedzieć z uwagi na brak pewności co do wyników przyszłych poszukiwań uranu. Z pewnością, przy obecnym tempie zużycia energii jądrowej, reaktory pojedynczego przejścia mogą pracować jeszcze przez setki lat. Gdybyśmy jednak chcieli 40-krotnie zwiększyć moc w elektrowniach jądrowych na świecie po to, by odejść od paliw kopalnych i poprawiać standard życia, może się okazać, że reaktory pojedynczego przejścia nie są technologią zrównoważoną.

elektrownia

Fot. 24.5. Zakład Rozwoju Energetyki Jądrowej Dounreay (Nuclear Power Development Establishment), którego podstawowym zadaniem był rozwój technologii reaktorów prędkich powielających. Fot. John Mullen

Reaktory prędkie powielające, używające uranu kopalnego
Uran można wykorzystać 60 razy bardziej efektywnie w reaktorach prędkich powielających, które spalają cały uran – zarówno 238U, jak i 235U (w przeciwieństwie do reaktorów pojedynczego przejścia, które spalają głównie 235U). O ile nie pozbywamy się zużytego paliwa, wyplutego przez reaktor pojedynczego przejścia, ten zubożony uran może zostać ponownie użyty – przepuszczenie uranu przez reaktor pojedynczego przejścia nie musi więc być marnotrawstwem. Gdybyśmy zużyli cały możliwy do wydobycia uran (oraz zapasy uranu zubożonego) w 60-krotnie bardziej efektywnych reaktorach prędkich powielających, uzyskalibyśmy 33 kWh na osobę dziennie. Spektrum postaw wobec prędkich reaktorów powielających rozciąga się od „to niebezpieczna i nieudana technologia eksperymentalna, na którą trzeba machnąć ręką” do „możemy i natychmiast powinniśmy zacząć budować reaktory powielające”. Nie czuję się kompetentny, by oceniać ryzyko związane z technologią powielania, nie chcę również umieszczać twierdzeń natury etycznej obok faktów. Chcę jedynie pomóc w zrozumieniu liczb. Jedyne twierdzenie natury etycznej, które tutaj promuję, to: „Potrzebujemy planu, który się domyka”.

slupek

Rys. 24.6. „Zrównoważona” energia z uranu. Dla porównania, produkcja energii z atomu w skali globu wynosi obecnie 1,2 kWh na osobę dziennie. Produkcja energii jądrowej w Wielkiej Brytanii, która niegdyś wynosiła 4 kWh na osobę dziennie, dzisiaj spada.

Reaktor pojedynczego przejścia pracujący na uranie morskim
Uran w morzach i oceanach, pozyskany co do grama i spożytkowany w reaktorach pojedynczego przejścia, odpowiada następującej wartości energii całkowitej:

4,5 mld ton na planetę / 162 ton uranu na gigawatorok = 28 mln gigawatolat na planetę

W jakim tempie możemy pozyskiwać uran z oceanów? Oceany cyrkulują powoli – połowa wód znajduje się w Pacyfiku, a głębokie wody pacyficzne cyrkulują w kierunku powierzchni przy pomocy oceanicznego pasa transmisyjnego w cyklu, który trwa 1600 lat. Wyobraźmy sobie, że pozyskamy 10% uranu na przestrzeni następnych 1600 lat. To tempo pozyskiwania rzędu 280 000 ton rocznie. W reaktorach pojedynczego przejścia dałoby to moc rzędu

2,8 mln gigawatolat / 1600 lat = 1750 GW

co podzielone między 6 mld ludzi daje 7 kWh na osobę dziennie (obecnie moc energetyki jądrowej wynosi 369 GW, nasza liczba odpowiada więc 4-krotnemu wzrostowi w stosunku do stanu obecnego). Wnioskuję, że przy pozyskiwaniu uranu z wód morskich i oceanicznych dzisiejsze reaktory pojedynczego przejścia można by uznać za opcję „zrównoważoną” – przy założeniu, że reaktory uranowe pokryją koszt energetyczny procesu pozyskania uranu z oceanu.

Reaktory prędkie powielające pracujące na uranie morskim
Skoro prędkie reaktory są 60-krotnie bardziej efektywne, pozyskanie tej samej ilości uranu z oceanów mogłoby dostarczyć 420 kWh dziennie na osobę. Nareszcie zrównoważona liczba, która przebija obecne zużycie! Niestety, tylko przy jednoczesnym wsparciu dwóch technologii, z których jedna jest jeszcze w powijakach (pozyskiwanie uranu z oceanów), a druga jest niepopularna (reaktory prędkie powielające).

Uran z rzek
Do uranu z mórz i oceanów dołóżmy uran z rzek. Rzeki dostarczają uranu w tempie 32 000 ton rocznie. Gdyby wykorzystać 10% tego potencjału, paliwa wystarczyłoby na 20 GW w reaktorach pojedynczego przejścia albo 1200 GW w prędkich reaktorach powielających. Reaktory prędkie powielające dostarczyłyby 5 kWh na osobę dziennie.
Wszystkie te liczby podsumowujemy na rys. 24.6.

A co z kosztami?

Jak zwykle w tej książce, w głównych obliczeniach raczej pomijam rachunek ekonomiczny. Niemniej jednak, z uwagi na to, że potencjał mocy opartej na uranie morskim jest jednym z największych na naszej liście „zrównoważonej” produkcji, warto przeanalizować, czy te wartości znajdują jakiekolwiek uzasadnienie ekonomiczne.

Badacze japońscy wynaleźli technologię pozyskiwania uranu z wody morskiej kosztującą 100–300 dolarów za kilogram uranu w stosunku do obecnego kosztu około 20 dolarów za kg uranu z rudy. Z uwagi na to, że uran zawiera znacznie więcej energii w jednej tonie niż paliwa tradycyjne, ten pięcio- czy nawet piętnastokrotny wzrost kosztu uranu miałby niewielki wpływ na koszt energii jądrowej – cena energii pozyskanej z atomu zależy przede wszystkim od kosztu wybudowania i likwidacji elektrowni jądrowej, a nie od ceny paliwa. Nawet cena 300 dolarów za kg zwiększyłaby koszt energii jądrowej o zaledwie 1,5 grosza na kWh. Koszt pozyskania uranu można by zmniejszyć, gdyby woda morska znalazła jeszcze inne zastosowanie – na przykład chłodziłaby elektrownię.

tor

Rys. 24.7. Rozpoznane światowe zasoby toru w monacycie (których wydobycie jest opłacalne).

Jeszcze nie jesteśmy w domu – czy japońska technologia może być użyta na skalę przemysłową? Jaki jest koszt energetyczny pozyskania uranu z wody? W japońskim eksperymencie trzy klatki wypełnione przyciągającym uran absorbentem ważącym 350 kg zgromadziły „ponad 1 kg tzw. żółtego ciasta (70–90% tlenek uranu U3O8), w 240 dni”, co odpowiada 1,6 kg rocznie. Klatki miały powierzchnię przekroju poprzecznego 48 m2. By zasilić 1-gigawatową elektrownię jądrową z reaktorem pojedynczego przejścia, potrzebujemy 160 000 kg uranu rocznie, czyli 100 000 razy więcej niż w japońskim eksperymencie. Gdybyśmy po prostu zwiększyli produkcję w japońskiej technologii, która pasywnie pozyskuje uran z morza, moc rzędu 1 GW wymagałaby wykorzystania przestrzeni absorpcyjnej o powierzchni 4,8 km2 oraz absorbentu o wadze 350 000 ton – to więcej niż waży stal w samym reaktorze. Spróbujmy nadać tym wielkim liczbom ludzki wymiar – gdyby uran dostarczał, dajmy na to, 22 kWh na osobę dziennie, każdy reaktor o mocy 1 GW obsługiwałby 1 mln ludzi, a na każdego z tych ludzi przypadałoby 0,16 kg uranu rocznie. A zatem obsłużenie każdej z tych osób wymagałoby 1/10 japońskiej instalacji eksperymentalnej, o wadze 35 kg na osobę i przestrzeni absorpcyjnej 5 m2 na osobę. Pomysł budowania takich instalacji pozyskiwania uranu jest skalą zbliżony do pomysłu, by „każdy miał swoje 10 m2 paneli słonecznych” albo by „każdy miał swoją jednotonową ciężarówkę oraz specjalne miejsce parkingowe”. Wielkie inwestycje to i owszem, ale nie absurdalnie wielkie.

To były obliczenia dla reaktora pojedynczego przejścia. W przypadku reaktorów prędkich powielających potrzeba 60 razy mniej uranu, waga kolektora uranu na osobę wyniosłaby więc 0,5 kg.

tor

Rys. 24.8. Potencjał toru

Tor
Tor jest pierwiastkiem radioaktywnym podobnym do uranu. Niegdyś używano go do produkcji koszulek żarowych używanych w lampach gazowych. W skorupie ziemskiej jest go trzy razy więcej niż uranu. Gleby zazwyczaj zawierają około 6 cząstek na milion (ppm) toru, a niektóre minerały – 12% tlenku toru. Woda morska zawiera tego pierwiastka mało, jako że tlenek toru nie rozpuszcza się w wodzie. Tor można spalić całkowicie nawet w prostym reaktorze (inaczej niż w przypadku standardowych reaktorów uranowych, które zużywają zaledwie 1% uranu naturalnego). Tor wykorzystywany jest w indyjskich reaktorach nuklearnych. Kiedy wyczerpią się rudy uranu, tor stanie się najprawdopodobniej dominującym paliwem jądrowym.

Reaktory zasilane torem dostarczają 3,6 mld kWh ciepła na tonę toru, co oznacza, że reaktor o mocy 1 GW potrzebuje około 6 ton toru rocznie, przy założeniu, że sprawność generatorów wynosi 40%. Światowe zasoby toru szacowane są na około 6 mln ton – cztery razy więcej niż rozpoznane rezerwy pokazane w tabeli 24.7. Podobnie jak w przypadku uranu, te zasoby mogą być niedoszacowane, z uwagi na niskie obecnie zainteresowanie pracami poszukiwawczymi. Załóżmy, podobnie jak w przypadku uranu, że owe zasoby, podzielone równo przez 6 mld ludzi, mają nam wystarczyć na ponad tysiąc lat – tak „zrównoważona” produkcja energii da nam 4 kWh na osobę dziennie.

Alternatywny reaktor torowy, tzw. „wzmacniacz energii” lub „układ sterowany akceleratorem” (ADS) według szacunków jego wynalazców – laureata nagrody Nobla Carla Rubbii i jego zespołu – może przekształcić 6 mln ton toru w 15 000 terawatolat energii, czyli 60 kWh na osobę dziennie przez tysiąc lat. Zakładając sprawność przekształcania w energię elektryczną rzędu 40%, zapewniłoby to 24 kWh na osobę dziennie przez tysiąc lat. Co więcej, odpady ze wzmacniacza energii byłyby znacznie mniej radioaktywne. Zdaniem Rubbii i jego współpracowników w swoim czasie opłaci się wydobywać znacznie więcej toru niż obecnie szacowane 6 mln ton. Jeżeli ich prognoza (wydobycie 300 razy większe) jest słuszna, wówczas tor wraz ze wzmacniaczem energii mogłyby zapewnić 120 kWh na osobę dziennie przez najbliższe 60 000 lat.

Wykorzystanie terenu

Wyobraźmy sobie, że Wielka Brytania na serio zaczyna odchodzić od paliw kopalnych i buduje masę nowych reaktorów, nawet jeżeli nie będzie to „zrównoważone”. Czy wszystkie reaktory potrzebne do znacznego uniezależnienia transportu i ciepłownictwa od węgla zmieszczą się w Wielkiej Brytanii? Musimy znać wartość mocy na jednostkę powierzchni elektrowni jądrowej, a ta wynosi około 1 000 W/m2 (rys. 24.10). Wyobraźmy sobie, że w elektrowni jądrowej produkujemy 22 kWh na osobę dziennie – to w sumie 55 GW (mniej
więcej tyle, ile w energetyce jądrowej we Francji), które mogłyby być dostarczone przez 55 elektrowni jądrowych, każda zajmowałaby 1 km2. To mniej więcej 0,02% powierzchni kraju. Elektrownie wiatrowe o tej samej mocy średniej potrzebowałyby 500 razy więcej przestrzeni – 10% kraju. Gdyby elektrownie jądrowe sytuować parami wzdłuż wybrzeża (o długości około 3 000 km), wówczas mielibyśmy dwie elektrownie na 100 km. Chociaż wymagana powierzchnia jest raczej skromna, owe elektrownie zajęłyby 2% wybrzeża (2 kilometry z każdych stu).

Załóżmy, że w Polsce również pozyskujemy z atomu 22 kWh na osobę dziennie. To w sumie 34 GW, dostarczone na przykład przez 34 elektrownie jądrowe o mocy 1 GW, z których każda zajmuje 1 km2. To 0,01% powierzchni kraju. Elektrownie wiatrowe o tej samej mocy średniej zajęłyby 7% kraju.

Ekonomika rozbiórki

Jaki jest koszt likwidacji i rozbiórki elektrowni jądrowych? Agencja ds. Likwidacji Obiektów Jądrowych dysponuje rocznym budżetem 2 mld funtów na następne 25 lat. Przemysł jądrowy sprzedawał każdemu Brytyjczykowi 4 kWh dziennie przez około 25 lat, z czego wynika, że koszt po stronie Agencji ds. Likwidacji Obiektów Jądrowych wynosi 2,3 p/kWh (10 groszy/kWh). To szczodre subsydium, trzeba jednak powiedzieć, że nie tak szczodre, jak dotacje do energii z morskich farm wiatrowych (ponad 30 groszy/kWh).

Dla Polski, dopiero planującej rozpoczęcie programu jądrowego, istotne są również koszty wybudowania elektrowni jądrowych i dostosowania systemu elektroenergetycznego. Całkowity koszt budowy proponowanych elektrowni może wynieść nawet 110 mld zł. Dodatkowo trzeba będzie przystosować sieci przesyłowe i rozdzielcze (szacowania zazwyczaj dla źródeł wielkiej mocy nakłady te wynoszą około 70% nakładów na same elektrownie). Koszt wybudowania 1 000 MW mocy szacuje się na 13–21 mld zł. Koszt wybudowania adekwatnej liczby farm wiatrowych jest dzisiaj zbliżony – wynosi około 16 mld zł dla 1400 turbin wiatrowych o mocy 2 MW (dostarczających średnią moc 700 MW, porównywalną do 1000-megawatowego bloku jądrowego). Przejdźmy do kosztu likwidacji elektrowni. Tutaj warto oprzeć się na doświadczeniach naszego sąsiada – Litwy. Koszt likwidacji i rozbiórki elektrowni jądrowej w Ignalinie na przestrzeni lat 1999–2014 szacuje się na 2,6 mld euro (10,5 mld zł).

mapa   elektrownia

Fot. 24.9. Elektrownia jądrowa Sizewell. Blok Sizewell A (na zdjęciu bliżej) o mocy 420 MW, został zamknięty pod koniec 2006 roku. Sizewell B (na zdjęciu z tyłu) ma moc 1,2 GW. Fot. William Connolley.

mapa

Rys. 24.10. Sizewell zajmuje mniej niż 1 km2. Niebieska sieć ma długość 1 km. © Crown copyright; Ordnance Survey.

Bezpieczeństwo

Kwestia bezpieczeństwa energetyki jądrowej na Wyspach wciąż budzi niepokój. W zakładzie przetwarzania wypalonego paliwa jądrowego w technologii THORP w Sellafield, wybudowanym w 1994 kosztem 1,8 mld funtów, doszło do nasilającego się z czasem wycieku z pękniętej rury między sierpniem 2004 a kwietniem 2005 roku. Na przestrzeni tych 8 miesięcy 85 000 litrów cieczy zawierającej wzbogacony uran wyciekło do systemu rynien, wyposażonego w mechanizmy bezpieczeństwa, które miały błyskawicznie wykrywać każdy wyciek powyżej 15 litrów. Niestety wyciek nie został zauważony, bowiem obsługa nie dokończyła kontroli działania systemów bezpieczeństwa, a poza tym i tak miała w zwyczaju ignorować alarmy. System bezpieczeństwa składał się z kilku elementów. Niezależnie od usterki systemu alarmowego rutynowe pomiary bezpieczeństwa cieczy w systemie rynien powinny wykryć nienormalną obecność uranu w ciągu miesiąca od momentu powstania wycieku. Niestety operatorzy często zarzucali rutynowe pomiary, bo mieli co innego na głowie, a kiedy już wykonali pomiar i wykryli odbiegającą od normy obecność uranu w rynnie (28 sierpnia 2004, 26 listopada 2004 oraz 24 lutego 2005 roku), nie podjęto żadnych działań.

wykres

Rys. 24.11. Wskaźniki śmiertelności dla poszczególnych technologii produkcji prądu. X: szacunki Unii Europejskiej w ramach projektu ExternE. O: Paul Scherrer Institute.

Do kwietnia 2005 roku wyciekły 22 tony uranu, a mimo to nie zadziałał żaden z systemów wykrywania wycieków. Wyciek w końcu wykryto w księgowości – gryzipiórki policzyły, że zakład opuszcza 10% mniej uranu niż dostarczył do przetworzenia klient! Dzięki Bogu, że prywatnej firmie przyświeca chęć zysku! Słowa krytyki ze strony Głównego Inspektora Instalacji Nuklearnych były miażdżące: „Wydaje się, że obsługa zakładu pozwalała, by instrumenty stale działały w trybie alarmowym, zamiast reagować na alarmy i usuwać sygnalizowane usterki”.

Skoro już pozwalamy prywatnym firmom budować nowe reaktory, jak zapewnić respektowanie wysokich standardów bezpieczeństwa? Nie mam pojęcia.

Mimo wszystko nie powinniśmy mdleć ze strachu na myśl o atomie. Energetyka jądrowa nie jest niewyobrażalnie niebezpieczna. Jest po prostu niebezpieczna, tak jak niebezpieczne są kopalnie węgla, magazyny paliwa, spalanie paliw kopalnych i turbiny wiatrowe. Nawet jeżeli nie mamy gwarancji, że wypadki w elektrowniach jądrowych już się nigdy nie zdarzą, ocenę atomu warto oprzeć na obiektywnym porównaniu z innymi źródłami energii. Weźmy elektrownie węglowe, które narażają społeczeństwo na promieniowanie radioaktywne, ponieważ pył węglowy zazwyczaj zawiera uran. W istocie, według opracowania opublikowanego w piśmie „Science”, Amerykanie żyjący pobliżu elektrowni węglowych są narażeni na wyższe dawki promieniowania niż ci żyjący w pobliżu elektrowni jądrowych.

W celu porównania zagrożeń związanych z różnymi źródłami energii potrzebujemy nowej jednostki miary. Wybieram zgony na gigawatorok. Spróbuję teraz wyjaśnić, co mam na myśli, mówiąc, że dane źródło energii ma wskaźnik śmiertelności w wysokości 1 zgon na gigawatorok. 1 gigawatorok to energia wyprodukowana przez elektrownię o mocy 1 GW, pracującą z pełną mocą przez 1 rok. Zużycie energii na Wyspach wynosi około 45 GW lub też 45 gigawatolat rocznie. Gdybyśmy więc pozyskiwali energię ze źródeł o wskaźniku śmiertelności 1 zgon na gigawatorok, oznaczałoby to, że system podaży energii elektrycznej w Wielkiej Brytanii zabija rocznie 45 osób. Dla porównania – co roku na brytyjskich drogach ginie 3000 osób. Jeżeli więc nie prowadzisz kampanii na rzecz likwidacji dróg, mógłbyś dojść do wniosku, że 1 zgon na gigawatorok, jakkolwiek smutny to fakt, jest całkiem do przyjęcia. Oczywiście wolelibyśmy 0,1 zgonu na gigawatorok, niestety błyskawicznie zdajemy sobie sprawę, że produkcja energii z paliw kopalnych musi wiązać się z ludzkim kosztem wyższym niż 0,1 zgonu na gigawatorok. Weźmy tylko wypadki na platformach wiertniczych, helikoptery zaginione na morzu, pożary rurociągów, wybuchy w rafineriach i wypadki w kopalniach węgla. W Wielkiej Brytanii co roku wydarzają się dziesiątki wypadków w łańcuchu produkcji energii z paliw kopalnych.

Przeanalizujmy rzeczywiste wskaźniki śmiertelności całego wachlarza źródeł energii elektrycznej. Różnice między poszczególnymi krajami są znaczne. Na przykład w Chinach wskaźnik śmiertelności w kopalniach węgla jest 50-krotnie wyższy niż w większości krajów. Rys. 24.11 prezentuje wyniki opracowania Paul Scherrer Institute oraz projektu Unii Europejskiej pod nazwą ExternE, gdzie dokonano kompleksowych szacunków wszystkich skutków produkcji energii. Według obliczeń Unii Europejskiej węgiel kamienny i brunatny oraz ropa mają najwyższe wskaźniki śmiertelności, następna jest energia z torfu i biomasy, ze wskaźnikiem powyżej 1 zgonu na gigawatorok. Najlepiej wypadają atom i wiatr, ze wskaźnikiem poniżej 0,2 zgonu na gigawatorok. W opracowaniu Unii Europejskiej najlepiej wypada hydroenergetyka, która jest jednak gorzej pozycjonowana przez Paul Scherrer Institute, z uwagi na inny dobór badanych krajów.

Energia jądrowa bezpieczna z natury

W wyniku presji zaniepokojonej opinii publicznej inżynierowie zaprojektowali szereg reaktorów o podwyższonych parametrach bezpieczeństwa. Elektrownia w technologii GT-MHR jest podobno bezpieczna z natury, co więcej, ma większą sprawność przekształcania ciepła w energię elektryczną niż konwencjonalne elektrownie jądrowe.

Mity i nieporozumienia

Powszechnie wskazuje się na dwie wady energetyki jądrowej – koszty budowy oraz odpady. Przeanalizujmy niektóre aspekty tych kwestii.

Wybudowanie elektrowni jądrowej wymaga ogromnych ilości betonu i stali, co wiąże się z ogromną emisją CO2.

Stal i beton użyte do budowy elektrowni jądrowej o mocy 1 GW mają ślad węglowy rzędu 300 000 t CO2.

Rozkładając tę „ogromną” ilość na 25-letni okres funkcjonowania reaktora, otrzymamy intensywność emisji CO2 w g CO2 na kWh(e):

intensywność emisji CO2 związana z budową elektrowni =
300 × 109 g / 106 kWe × 220 000 h = 1,4 g/kWh(e)

To znacznie mniej niż w przypadku elektrowni gazowej (najefektywniejszej z elektrowni na paliwa kopalne) o intensywności emisji 400 g CO2/kWh(e). Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu (IPCC) szacuje, że intensywność emisji CO2 w całym cyklu życia elektrowni jądrowej (od budowy, poprzez przetwarzanie paliwa aż po likwidację i rozbiórkę) wynosi mniej niż 40 g CO2/kWh(e) (Sims i in., 2007).

Nie chcę być źle zrozumiany – nie jestem pronuklearny. Jestem prorachunkowy.

prypec

Fot. 24.12. Elektrownia w Czarnobylu (u góry) oraz opuszczone miasto Prypeć, powstałe na potrzeby pracowników elektrowni (na dole). Fot. Nik Stanbridge

Czy odpady z reaktorów jądrowych to wielki problem?

Jak stwierdziliśmy na początku tego rozdziału, ilość odpadów z reaktora jest stosunkowo niewielka. Pyły z elektrowni węglowej wyprodukowane w ciągu roku ważyłyby 4 mln ton (co odpowiada objętości mniej więcej 40 litrów na osobę na rok), natomiast odpady jądrowe z dziesięciu brytyjskich elektrowni jądrowych mają objętość zaledwie 0,84 litrów na osobę rocznie – czyli butelki wina na osobę rocznie (rys. 24.13).

Większość tych odpadów ma niski poziom radioaktywności. 7% to odpady średnioaktywne, a zaledwie 3% (25 ml rocznie) – wysokoaktywne.

Odpady wysokoaktywne to rzeczywiście paskudztwo. Zazwyczaj przez pierwsze 40 lat przetrzymywane są w reaktorze, gdzie są składowane w basenach z wodą i ochładzane. Po tych 40 latach poziom radioaktywności spada tysiąckrotnie. Potem spada nadal – jeżeli przetworzymy odpady, oddzielając uran i pluton do ponownego użycia w paliwie jądrowym, po 1000 lat te niegdyś wysokoaktywne odpady osiągną poziom radioaktywności charakterystyczny dla rudy uranu. Dlatego inżynierowie specjalizujący się w składowaniu odpadów powinni tworzyć plany zabezpieczania odpadów wysokoaktywnych na jakieś tysiąc lat.

Czy to trudne? Tysiąc lat to niewątpliwie bardzo długo w perspektywie trwania rządów i krajów! To jednak niewielkie ilości i, jak sądzę, niewielkie zmartwienie w porównaniu do wszystkich innych odpadów, które zrzucamy na barki przyszłych pokoleń. 25 ml odpadów jądrowych rocznie dałoby mniej niż 2 litry na przestrzeni życia pojedynczego Brytyjczyka. Nawet jeżeli pomnożymy to przez 60 mln ludzi, da się tym zarządzać – to 105 000 m3. Odpowiada to objętości 35 stadionów olimpijskich. Gdyby tak ułożyć te odpady w metrowej warstwie, to zajęłyby 0,1 km2.

Istnieje już wiele miejsc, do których nie mamy dostępu. Nie wolno mi wchodzić do Twojego ogrodu. Ty nie powinieneś wchodzić do mojego. Żadne z nas nie będzie mile widziane w letniej rezydencji rodziny królewskiej w Balmoral. Ostrzeżenia „wstęp wzbroniony” są wszędzie. W ten czy inny sposób wyłączyliśmy z użytku Downing Street, lotnisko Heathrow, tereny wojskowe, opuszczone kopalnie. Czy tak trudno wyobrazić sobie, że wyłączamy z użytku na tysiąc lat jeszcze jeden kawałek gruntu, wielkości 1 km2, zapewne gdzieś głęboko pod ziemią?

Porównajmy owe 25 ml wysokoaktywnych odpadów na osobę rocznie z innymi, tradycyjnymi odpadami, które obecnie produkujemy – odpady komunalne: 517 kg na osobę rocznie, odpady niebezpieczne: 83 kg na osobę rocznie.

Czasami porównuje się odpady jądrowe, które planujemy wygenerować, z już wygenerowanymi w istniejących reaktorach. Oto liczby dla Wielkiej Brytanii. Prognozowana objętość odpadów o wyższej aktywności do roku 2120, pozostałych po likwidacji istniejących bloków jądrowych, wyniesie 478 000m3. Z tego 2% (około 10 000 m3) stanowić będą odpady wysokoaktywne (1290 m3) i zużyte paliwo (8150 m3), razem zawierające 92% materiału radioaktywnego. Budowa 10 nowych reaktorów jądrowych (10 GW) oznaczałaby dodatkowe 31 900 m3 zużytego paliwa, co zmieściłoby się w 10 basenach pływackich.

W Wielkiej Brytanii pracują obecnie reaktory o mocy 11 000 MW. W Polsce planuje się budowę dwóch elektrowni jądrowych o mocy 3000 MW każda. Jeśli plany te zostaną zrealizowane, na każdego Polaka przypadnie prawie tyle samo odpadów radioaktywnych, co na Brytyjczyka.

Jeżeli zaczniemy produkować niesamowite ilości energii z rozszczepienia i syntezy, czy nie pogłębimy problemu zmian klimatu – z uwagi na dodatkową energię, która zostanie uwolniona do środowiska?

wykres

Rys. 24.13. Brytyjskie odpady jądrowe, w przeliczeniu na osobę rocznie, mają objętość niewiele większą niż butelka wina.

To pytanie to kaszka z mlekiem. Całkiem łatwo na nie odpowiedzieć, jako że wszystko w tej książce wyraziliśmy za pomocą jednego zestawu jednostek. Najpierw przywołajmy główne liczby dotyczące globalnego bilansu energetycznego – średnia moc promieniowania słonecznego zaabsorbowanego przez atmosferę, lądy i oceany wynosi 238 W/m2; podwojenie stężenia gazów cieplarnianych zwiększyłoby absorpcję ciepła netto o 4 W/m2. Uważa się, że owo 1,7-procentowe zwiększenie pochłaniania ciepła to zła wiadomość dla klimatu. Moc promieniowania Słońca w 11-letnim cyklu słonecznym zmienia się w zakresie 0,25 W/m2. Załóżmy teraz, że za 100 lat będzie nas 10 mld i że każdy cieszyć się będzie europejskim standardem życia, zużywając dziennie 125 kWh energii pozyskanej ze źródeł kopalnych, energetyki jądrowej lub geotermii. Na osobę przypadałoby 51 000 m2 powierzchni Ziemi. Dzieląc moc/os. przez powierzchnię/os., dowiadujemy się, że wartość tej dodatkowej energii wyprodukowanej przez człowieka wyniesie 0,1 W/m2. To jedna czterdziesta tych 4 W/m2, które tak nas martwią, i nieco mniej niż zmienność słoneczna rzędu 0,25 W/m2. Tak więc energia wyprodukowana przez człowieka może w przyszłości przyczynić się do globalnych zmian klimatu, jednak w bardzo niewielkim stopniu.

Mówi się, że budowa elektrowni jądrowych trwa zbyt długo, by faktycznie robiło to różnicę.

Problemy związane z budową elektrowni jądrowych są wyolbrzymiane za pomocą pewnej mylącej techniki prezentowania danych, którą nazwałem „magicznym polem gry”. Zgodnie z tą techniką, pozornie porównuje się dwie sprawy, ale gdzieś po drodze podstawa porównania ulega zmianie. Redaktor działu Środowisko dziennika „Guardian”, podsumowując wyniki raportu Oxford Research Group, napisał: „By energetyka jądrowa rzeczywiście przyczyniła się do redukcji globalnych emisji CO2 na przestrzeni życia kolejnych dwóch pokoleń, powinno powstać prawie 3000 nowych reaktorów, a inaczej – jeden tygodniowo przez następne 60 lat. Cywilny program atomowy tej skali, obejmujący budowę i dostawy, to marzenie ściętej głowy, rzecz niewykonalna. Najwyższe zanotowane do tej pory tempo to 3,4 nowych reaktorów rocznie”. Rzeczywiście, 3000 jest jakby większe niż 3,4! Dzięki technice „magicznego pola gry” mamy tutaj przeskok i na skali czasowej, i na skali przestrzennej. Podczas gdy pierwsza liczba (3000 nowych reaktorów na przestrzeni 60 lat) to zapotrzebowanie w skali całej planety, druga liczba (3,4 nowych reaktorów rocznie) to maksymalne tempo budowy reaktorów w pojedynczym kraju (Francji)!

Uczciwiej byłoby pozostać przy porównaniu w skali planety. We Francji znajduje się 59 z 429 reaktorów działających na świecie, można więc założyć, że maksymalne tempo budowy reaktorów w skali globu to dziesięciokrotność wyniku francuskiego, to znaczy 34 nowe reaktory rocznie. Natomiast wymagane tempo (3000 nowych reaktorów na przestrzeni 60 lat) to 50 nowych reaktorów rocznie. Twierdzenie, że „Cywilny program atomowy tej skali, obejmujący budowę i dostawy, to marzenie ściętej głowy” to duża przesada. Tak, konieczny jest wysoki przyrost, ale tego samego rzędu co już obserwowany w przeszłości.

Czy sensownie zakładam, że maksymalne tempo rozwoju atomu na świecie wyniosło 34 nowe reaktory rocznie? Spójrzmy na dane. Rys. 24.14 pokazuje tylko te elektrownie jądrowe, które działały w roku 2007. Tempo rozwoju energetyki jądrowej było najwyższe w 1984 roku i wyniosło (chwila napięcia…) około 30 GW rocznie – około 30 reaktorów o mocy 1 GW. Jesteśmy w domu!

elektrownia   wykres

Rys. 24.14. Całkowity przyrost mocy na świecie w elektrowniach jądrowych wybudowanych od roku 1967 i wciąż funkcjonujących. Tempo rozwoju energetyki jądrowej było najwyższe w 1984 roku i wyniosło 30 GW rocznie.

A co z syntezą jądrową?

Mówimy, że chcemy nałapać słońca do pudełka. To piękna idea. Sęk w tym, że nie wiemy, jak zrobić to pudełko.
Sébastien Balibar, dyrektor ds. badań, CNRS

Synteza jądrowa jest w fazie spekulacji i eksperymentu. Nie możemy radośnie zakładać, że w zakresie syntezy nastąpi przełom, ale chętnie ocenię, ile energii dostarczy synteza, o ile ów przełom nastąpi.

synteza

Fot. 24.15. Wnętrze eksperymentalnego reaktora termojądrowego. Na zdjęcie komory próżniowej JET nałożono zdjęcie plazmy, zrobione zwykłą kamerą telewizyjną. Fot. EFDA-JET

Za najbardziej obiecujące uważa się dwie reakcje syntezy:
reakcja D-T, w której deuter łączy się z trytem, tworząc hel, oraz
reakcja D-D, w której deuter łączy się z deuterem.

Deuter, naturalnie występujący ciężki izotop wodoru, można pozyskać z wody morskiej. Tryt – jeszcze cięższy izotop wodoru, nie występuje naturalnie w dużych ilościach (ponieważ ma zaledwie 12-letni okres półtrwania), ale można go pozyskać z litu.

slupek

Rys. 24.16. Synteza oparta na licie, zużywanym w sposób „zrównoważony”, mogłaby zaspokoić obecny poziom konsumpcji energii. Lit kopalny zapewniłby 10 kWh na osobę dziennie przez tysiąc lat, lit morski dostarczyłby 105 kWh na osobę dziennie przez ponad milion lat.

slupek

Rys. 24.17. Jeżeli uda się przeprowadzić syntezę opartą na deuterze, będzie to obfite źródło energii przez miliony lat. Skala tego diagramu została zmniejszona dziesięciokrotnie w pionie i w poziomie, by potencjał tej syntezy zmieścił się na stronie. Dla porównania, w tej samej skali prezentujemy czerwony i zielony słupek z rys. 18.1.

ITER to międzynarodowy projekt mający na celu opracowanie stabilnie działającego reaktora termojądrowego. Prototyp ITER będzie przeprowadzał reakcje D-T. Preferuje się D-T, bo wiąże się z uwolnieniem większej ilości energii, a poza tym do działania potrzebuje „zaledwie” temperatury rzędu 100 mln°C, podczas gdy reakcja D-D wymaga 300 mln°C (temperatura w środku Słońca wynosi 15 mln°C).

Oddajmy się fantazjom i załóżmy, że projekt ITER odniesie sukces. Ile zrównoważonej energii może nam zapewnić? Elektrownie wykorzystujące reakcję D-T, zasilane litem, znajdą się w kłopocie, kiedy skończy się lit. Zanim to nastąpi, być może pojawią się inne wytwory futurologii – reaktory termojądrowe zasilane samym deuterem.

Owe futurystyczne źródła energii nazwę syntezą litu i syntezą deuteru, w oparciu o główne paliwo, które trzeba będzie zapewnić. Oszacujmy, ile energii może dostarczyć jedno i drugie źródło.

Synteza litu

Światowe rezerwy litu szacowane są na 9,5 mln ton w złożach rud. Gdyby całość tych rezerw spożytkować na syntezę na przestrzeni tysiąc lat, zapewniłoby to 10 kWh na osobę dziennie.

Dodatkowo, lit można znaleźć w wodzie morskiej, gdzie osiąga stężenie 0,17 cząstek na milion (ppm). Szacuje się, że pozyskanie litu z wody morskiej w ilości 100 mln kg/rok wymaga energii rzędu 2,5 kWh(e) na gram litu. Jeżeli reaktory termojądrowe z grama litu wyprodukują 2300 kWh(e), da to 105 kWh na osobę dziennie (przy populacji wielkości 6 mld). Przy takim tempie eksploatacji litu w oceanach wystarczy na ponad milion lat.

Synteza deuteru

O ile naukowcom i inżynierom uda się przeprowadzić reakcję D-D, mamy kilka bardzo dobrych wiadomości. W każdej tonie wody jest 33 g deuteru, a energia uwolniona z syntezy zaledwie jednego grama deuteru to niewyobrażalne 100 000 kWh. Zważywszy, że masa oceanu wynosi 230 mln ton na osobę, deuter każdemu powinien zapewnić 30 000 kWh energii dziennie (to ponad stukrotność zużycia energii przeciętnego Amerykanina). I to w populacji dziesięciokrotnie większej niż obecna. I to przez milion lat (rys. 24.17).

Rozdział 24 w wersji PDF możesz pobrać tutaj.

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto