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.
