Atom? Tak. Nie. Być może, ale… cz.1

W dyskusjach o energetyce jądrowej można zauważyć radykalną polaryzację stanowisk: zarówno przeciwnicy energetyki jądrowej jak i jej zwolennicy prezentują jednostronne poglądy, a nie zgadzające się z nim osoby są rutynowo oskarżane o bycie wrogami ludzkości. Tymczasem energetyka jądrowa – jak zresztą każde wielkoskalowe źródło energii – ma swoje realne plusy i minusy, które należy brać pod uwagę w dyskusjach o kształcie przyszłego systemu energetycznego.

Stan obecny

Idea działania elektrowni jądrowej jest bardzo prosta. W standardowej elektrowni węglowej spalamy węgiel, ciepło odparowuje wodę (pod wysokim ciśnieniem) i ogrzewa parę wodną, która rozprężając się napędza turbinę kręcącą wytwarzającym energię generatorem. W elektrowni jądrowej kluczowa różnica polega na tym, że ciepło zamiast paleniska wytwarza reaktor, reszta jest podobna do instalacji z elektrowni węglowej.

Po okresie dynamicznego rozwoju w latach 70. i 80. XX wieku budowa nowych elektrowni jądrowych w latach 90. spowolniła, a w XXI w generacja prądu z tego źródła ustabilizowała się. Ponieważ globalne zużycie prądu wciąż rosło, udział energetyki jądrowej w globalnej produkcji prądu zaczął maleć – z rekordowego poziomu 17,5% w 1996 roku do 10,3% w roku 2017. Ponieważ elektryczność jest tylko jednym z nośników energii, całkowity udział atomu w globalnym miksie energetycznym zmalał w tym okresie z 2,2 do 1,6%. Jedynym krajem, który w XXI wieku zaczął wytwarzać energię elektryczną w elektrowniach jądrowych, a wcześniej tego nie robił, jest Iran.

Rysunek 1. Globalna produkcja energii (prądu) z elektrowni jądrowych. Źródło: BP Statistical Review of World Energy 2018. Uwaga: w raporcie BP energia ze źródeł produkujących prąd (elektrownie jądrowe, wodne, wiatrowe, PV) jest przeliczana na Mtoe w oparciu energię paliw kopalnych, które należałoby spalić w elektrowniach termicznych na paliwa kopalne, żeby uzyskać daną ilość prądu – przy średniej efektywności 38% oznacza to mnożnik x2,63 – na rysunku zastosowany został przelicznik 12 TWh=1 Mtoe, czyli bez tego mnożnika. System energetyczny, w którym w celu produkcji prądu spalaliśmy chemiczne nośniki energii może zostać wkrótce zastąpiony systemem, w którym z prądu wytwarzamy nośniki chemiczne (oczywiście z pewną sprawnością, ponieważ każdy proces przemiany energii charakteryzuje się stratami) – w takim świecie mnożnik działałby w drugą stronę.

Zahamowanie rozwoju energetyki jądrowej wynikało z licznych czynników. Jak możemy przeczytać w ostatnim raporcie IPCC:

Energetyka jądrowa jest dojrzałym stabilnym źródłem energii, charakteryzującym się niskimi emisjami gazów cieplarnianych […], które mogłoby dać zwiększony wkład w dostawy niskoemisyjnego prądu, istnieją jednak liczne bariery i zagrożenia, w tym m.in.: ryzyko operacyjne i związane z nim obawy, ryzyka związane z pozyskiwaniem uranu, ryzyka finansowe i regulacyjne, nie rozwiązane problemy z odpadami promieniotwórczymi, obawy przed rozprzestrzenianiem się broni jądrowej oraz niechęć opinii publicznej.

To, że elektrownie jądrowe z jednej strony mogą być źródłem bezemisyjnego prądu  (w każdym razie po wyeliminowaniu paliw kopalnych z całego cyklu, od wydobycia i przetwórstwa rudy po transport i przetwarzanie odpadów), a z drugiej jest z nimi wiele problemów, nie jest żadną tajemnicą. Starając się podejść do tematu maksymalnie obiektywnie podsumowałem argumenty za i przeciw oraz (niecierpliwi mogą od razu zajrzeć do ostatniego rozdziału) moją opinię na temat tego, czy i jak widzę rolę energetyki jądrowej w dekarbonizacji polskiej gospodarki. Z polskiej perspektywy analizuję też plusy i minusy uruchomienia programu energetyki jądrowej, często jednak odnosząc się do sytuacji światowej, ponieważ technologia zostałaby zakupiona za granicą, stamtąd pochodziłoby paliwo i tam odbywałby się proces jego przetwarzania, tam też zostały zebrane doświadczenia.

Argumenty ZA inwestowaniem w energetykę jądrową

Jak możemy przeczytać w specjalnym raporcie IPCC SR1.5 z listopada 2018 roku (zresztą i tak mogącym być uznany za zachowawczy), aby uniknąć niebezpiecznej zmiany klimatu musimy zredukować emisje ze spalania paliw kopalnych o połowę do 2030 roku i do zera netto kilkanaście lat później. Wymaga to bardzo szybkiego odejścia od węgla, ropy i gazu oraz przejścia na zeroemisyjne źródła energii. Zresztą tak czy inaczej paliwa kopalne są zasobem nieodnawialnym, który szybko wyczerpujemy – jeśli chcemy mieć działającą gospodarkę, musimy zapewnić dostawy energii z innych źródeł.

Stabilność

Elektrownie jądrowe stanowią największe stabilne niskoemisyjne źródło energii (choć są emisje związane z ich budową oraz wydobyciem i wzbogaceniem rud uranu – to samo dotyczy także odnawialnych źródeł energii), dostarczając energii bez względu na warunki atmosferyczne, porę dnia czy roku.

Źródła energii, takie jak turbiny wiatrowe i fotowoltaika, dostarczają prąd niestabilnie – wtedy kiedy wieje czy świeci, a nie wtedy, kiedy byśmy chcieli – okresy niskiej produkcji mogą utrzymywać się przez kilka czy nawet kilkanaście dni (w każdym razie na naszych szerokościach geograficznych; w regionach zwrotnikowych cykl pór roku gra małe znaczenie, wystarczy magazynowanie prądu z elektrowni słonecznych tylko na noc). Odnawialne sterowalne źródła energii, takie jak elektrownie wodne lub na biomasę, mają ograniczony potencjał energetyczny, mają też wysoki koszt środowiskowy (np. zamiana Wisły i Odry w zabetonowane kanały dla energii wodnej oraz konkurencja z uprawami i ekosystemami w przypadku upraw energetycznych). O ile przy stosunkowo niewielkim udziale niesterowalnych odnawialnych źródeł energii (do kilkudziesięciu procent) bilansowanie systemu energetycznego jest dość proste i niezbyt kosztowne, to wraz ze wzrostem ich udziału w systemie energetycznym koszt bilansowania (czyli zapewnienia potrzebnej ilości energii z innych źródeł lub magazynów) wielokrotnie przekracza koszt wytworzenia jednostki energii. Ponieważ magazynowanie dużych ilości energii na długie okresy czasu jest wciąż bardzo kosztowne, przy obecnie dostępnych technologiach konieczne jest utrzymywanie rezerwowych mocy w elektrowniach cieplnych, szczególnie łatwych do sterowania mocą i tanich w budowie elektrowni gazowych. To też kosztuje, w przypadku opierania się o importowany gaz ziemny również pod kątem bilansu handlowego, bezpieczeństwa energetycznego i utrzymywania zależności od paliw kopalnych. Wciąż nie ma kraju uprzemysłowionego, który dokonałby skutecznej dekarbonizacji gospodarki w oparciu o energię wiatru i słońca. Kraje, które mają udział OZE w produkcji prądu przekraczający 50% wykorzystują jako magazyny energii elektrownie wodne – czy to u siebie, czy też (jak np. Dania) u sąsiadów. Możliwość zapewnienia stabilnych dostaw prądu przez elektrownie jądrowe jest więc ich wyraźnym atutem.

Trzeba wyraźnie podkreślić, że przy obecnych technologiach zapewnienie stabilnych dostaw energii w scenariuszach głębokiej dekarbonizacji bez wykorzystania elektrowni jądrowych może być nawet dwu- lub trzykrotnie droższe (MIT, 2018).

Mały rozmiar i wpływ na środowisko

W przeciwieństwie do odnawialnych źródeł energii, które, aby zbierać rozproszoną energię wiatru czy słońca potrzebują dużo terenu, typowa elektrownia jądrowa ma zaledwie rozmiar fabryki. W związku z tym ilość koniecznych do budowy materiałów jest w porównaniu z innymi bezemisyjnymi źródłami energii bardzo niewielka, a wpływ elektrowni na środowisko jest ograniczony do niewielkiego terenu (może za wyjątkiem podgrzewania wody w wykorzystywanych do chłodzenia rzekach i jeziorach). Przy normalnej pracy elektrowni ryzyko dla okolicznych mieszkańców i zwierząt jest praktycznie zerowe.

Elektrownie jądrowe – wielkie instalacje o mocy idącej w tysiące megawatów, dobrze pasują też do obecnego polskiego systemu elektroenergetycznego, w którym prąd dostarczają wielkie scentralizowane źródła za pomocą jednokierunkowego przepływu prądu od elektrowni do odbiorców.

Ilość zużywanego przez EJ paliwa i wytwarzanych odpadów jest bardzo mała – do pracy elektrowni wę­glowej o mocy 1000 MW potrzeba rocznie około 3 mln ton węgla, a ilości wytwa­rzanych podczas pracy elektrowni szkodliwych gazów i pyłów również idą w mi­liony ton (wszystko to trafia zaś do atmosfery i na hałdy). Elektrowni jądrowej o tej mocy wystarcza rocznie około 30 ton paliwa, a wytwarzane przez rok pracy wy­sokoaktywne odpady promieniotwórcze mają objętość kilku metrów sześciennych i nie są po prostu wyrzucane do otoczenia. Można zamienić je w zeszklone bloki, te bloki zapakować do pancernych kontenerów, a następnie na dziesiątki tysięcy lat zakopać w wybranych pokładach geologicznych setki metrów pod ziemią. Można też za pomocą instalacji opartych na reaktorach na prędkie neutrony przetworzyć odpady w nadające się do użytku paliwo i substancje promieniotwórcze mające zastosowanie gospodarcze, np. w medycynie.

Choć koszty likwidacji elektrowni w liczbach bezwzględnych są wysokie, to w przeliczeniu na ilość wyprodukowanej energii są już tylko rzędu 1-2 gr/kWh.

Elektrownia jądrowa nie emituje podczas swojej pracy nie tylko gazów cieplarnianych, pyłów, tlenków siarki, azotu i metali ciężkich, ale też nawet trafiające do atmosfery podczas normalnej pracy elektrowni jądrowej substancje promieniotwórcze mają aktywność 100-krotnie mniejszą od substancji promieniotwórczych emitowanych w popiołach lotnych (obecne w węglu uran i tor) podczas pracy elektrowni węglowej o podobnej mocy. Co więcej, wydostające się do środowiska podczas normalnej pracy materiały promieniotwórcze są to w większości gazy szlachetne, takie jak krypton czy ksenon, które nie wchodzą w reakcje chemiczne i w związku z tym nie akumulują się w naszych organizmach.

Wysokie bezpieczeństwo

Energetyka jądrowa to sprawdzona i relatywnie bezpieczna technologia. W jej całej historii najpoważniejszym wypadkiem była katastrofa w Czarnobylu, w której bezpośrednio śmierć poniosło 57 osób. Choć choroby (głównie rak) spowodowane przez rozproszone w wy­padku izotopy promieniotwórcze odpowiadają za kilka-kilkadziesiąt tysięcy przedwczesnych zgonów (przy czym bardziej prawdopodobne są te niższe szacunki), to w ska­li świata nie są to wcale wielkie liczby, choćby w zestawieniu z liczbą ofiar wypadków w kopalniach węgla czy ofiar smogu, liczoną na świecie w milionach rocznie (w samej Polsce 40-50 tysięcy rocznie). Należy też zauważyć, że nowoczesny, moderowany wodą reaktor w sytuacji nagłego wzrostu mocy zamiast eksplodować (mówimy tu o eksplozji chemicznej, a nie jądrowej) – jak w Czarnobylu – samoczynnie wygasza swoją moc bez żadnych uszkodzeń (choć możliwe jest późniejsze stopienie rdzenia w wyniku działania ciepła powyłączeniowego, pochodzącego z przemian jądrowych zachodzących w produktach reakcji rozszczepienia paliwa jądrowego, prowadzącego m.in. do wydzielenia wodoru z pary wodnej i jego eksplozji, do czego doszło np. w Fukushimie).

Elektrownie jądrowe są też na tyle dobrze zabezpieczone przed atakami terrorystycznymi, że nigdzie jeszcze nie doszło do takiego ataku.

Dobra dostępność paliwa

Paliwo można kupić z wielu krajów, redukując ryzyko braku dostaw. Globalne zasoby uranu są na tyle duże, że dla obecnie eksploatowanej floty reaktorów powinny wystarczyć na ok. 100 lat możliwe są też dalsze odkrycia (szerszą analizę na ten temat napisałem tutaj), istnieje też możliwość sięgnięcia po uran rozpuszczony w wodzie morskiej (więcej na ten temat m.in. tutaj). Koszt paliwa w zestawieniu z kosztem wybudowania elektrowni jest ponadto na tyle niewielki, że można nawet zakupić paliwo na cały przewidywany okres eksploatacji elektrowni, gwarantując tym samym, że paliwa nie zabraknie. Alternatywnie, można też uruchomić wydobycie uranu i zbudować zakłady jego wzbogacania w Polsce (choć zarówno wysoki koszt wydobycia rud niskiej jakości jak i budowy infrastruktury obsługującej cykl paliwowy na rzecz kilku reaktorów byłyby obarczone bardzo wysokim dodatkowym kosztem).

Raz zbudowana elektrownia działa przez długi czas, rzędu 50-80 lat, a koszt jej obsługi i działania, łącznie z zakupem paliwa, w zestawieniu z ilością produkowanej energii w stosunku do kosztów budowy jest relatywnie niski.

Może być lepiej

O ile koszt nowo budowanych reaktorów jest bardzo wysoki (o czym więcej w sekcji o minusach energetyki jądrowej), to istnieje duże pole do obniżenia kosztów, szczególnie w przypadku seryjnej budowy zestandaryzowanych reaktorów, nie budowanych na placu budowy, lecz składanych z wyprodukowanych w fabrykach gotowych modułów.

Choć obecnie wykorzystywane wysokociśnieniowe reaktory jądrowe 3 generacji (PWR) pracują w niskiej temperaturze pary wodnej, rzędu 300°C, przez co sprawność przetwarzania energii w prąd jest niewielka (typowo do 35%), a niskotemperaturowe ciepło nie może być wykorzystane w procesach przemysłowych, to projektowane reaktory 4 generacji mogą pracować z wyższą temperaturą, przez co sprawność przetwarzania wydzielanego ciepła w prąd może być dużo wyższa, a wysokotemperaturowe ciepło może być wykorzystywane w procesach przemysłowych, mogą zapewniać też wyższy poziom bezpieczeństwa, w dużym stopniu gwarantowany pasywnie przez prawa fizyki, a nie przez aktywny systemy zabezpieczeń. Mogą pozwalać też na szybką zmianę mocy w szerokim zakresie oraz na powielanie paliwa jądrowego, generując podczas pracy więcej materiału rozszczepialnego niż zużywają, co pozwoliłoby na wielokrotne zwiększenie ilości paliwa dostępnego dla elektrowni jądrowych (więcej na temat reaktorów 4 generacji na przykładzie reaktora na ciekłe sole toru).

Można też dodać, że technologie atomowe należą do najbardziej zaawansowanych technologii światowych i zdobycie kompetencji w tej dziedzinie mogłoby przyczynić się do wzrostu innowacyjności polskiej gospodarki.

Czytaj dalej...

Komentarze

20.02.2019 21:58 Felek

"Elektrownie jądrowe są też na tyle dobrze zabezpieczone przed atakami terrorystycznymi, że nigdzie jeszcze nie doszło do takiego ataku."

Polemizowałbym. To, że jeszcze nie doszło do takiej sytuacji, wcale nie oznacza, że elektrownie są w zupełności zabezpieczone przed atakami terrorystycznymi. Gdyby się postarać to profesjonalni szpiedzy mogli by dokonać sabotażu bez trudu, przeniknąć do placówki i zrobić swoje. Terroryści myślę, że również mogli by mieć szansę przynajmniej na przejęcie kontroli w takiej elektrowni. Być może nie dali by rady przeskoczyć automatycznych zabezpieczeń by wyprowadzić rdzeń z równowagi ale na pewno daliby radę wprowadzić wystarczajace zamieszanie by zagrozić jego stabilności. Po prostu blokując możliwość wejścia do sterowni czy chociażby wysadzając pompy obiegu wody albo odłączając od nich zasilanie. To nie jest poza zasięgiem wiedzowym wielu przeszkolonych, potencjalnych terrorystów. Tym bardziej jeśli ich celem byłaby konkretna placówka i przestudiowaliby jej plany. Oczywiscie, pozostają zasieki, ogrodzenia, drzwi z zamkami magnetycznymi na kartę ale każdy dobrze wie, że lufa przystawiona do głowy nie sprawi, że pracownicy takiej elektrowni im nie pomogą, wręcz przeciwnie, zrobią wszystko co im każą. Zapewne nawet łącznie z tym by doprowadzić do stopienia reaktora. Myślę, że raczej trzeba dziękować losowi, że do ataku terrorystycznego na elektrownie jądrową JESZCZE nie doszło.

21.02.2019 12:54 BIGENERGY

Zgadzam się! Nikt się nie odważył na taki atak (terroryści chyba też maja resztki rozumu), ale fakt zabezpieczenia przed atakami nie jest raczej przyczyną braku takich ataków

22.02.2019 12:20 WJ

@BIGENERGY
Sądzę, że terroryści mają rozumy zindyktrynowane lub zdesprowane, co utrudnia znacznie rozsądek.

Taki "wkręt" , bo cóż, kwestie techniczne trudno przyswajam :);)

Mój refren ostatnio brzmi - ratunku dla przejawów Doskonałóści i Bioróżnorodności Życia....
I jestem zdesperowany na wzór powyższy.

Dodaj komentarz

Kod
grakalkulator kalkulator zuzycia ciepla

Informacje

Linkownia

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto