kor. Czy i dlaczego powinno się stosować energetykę jądrową

1
ENERGETYKA JĄDROWA. CZY I DLACZEGO POWINNO SIĘ JĄ STOSOWAĆ ?
Autor: Dr inŜ. Grzegorz Jezierski - Politechnika Opolska, Wydział Edukacji Technicznej i
Informatycznej, Katedra Zastosowań Chemii i Mechaniki
ul. Luboszycka 5 45-036 Opole, tel. kom. 0661 891 021
(„Energetyka Cieplna i Zawodowa” – nr 9/2009)
Postarajmy się odpowiedzieć na tak postawione pytanie. MoŜna by w tym miejscu sporo
dyskutować, przedstawiać argumenty i zdecydowanie mniej kontrargumentów. Ale cała
prawda brzmi tak: wiele istotnych przyczyn przemawia za stosowaniem energetyki jądrowej.
PoniŜej wymieniono tylko niektóre z nich:
• Olbrzymia koncentracja energii zawarta w paliwie jądrowym - rozszczepienie jądra
atomowego, które powoduje bezpośrednie przekształcenie materii w energię, jest milion
razy bardziej energetyczne niŜ reakcje chemiczne, np. spalanie paliw organicznych (fot.
1).
Fot. 1. O olbrzymiej koncentracji energii w paliwie świadczy fakt, iŜ trzymana w ręku pastylka paliwa
(10g) generuje 600 kWh energii elektrycznej; stanowi to ok.1/4 rocznego zuŜycia energii elektrycznej przez
jedno gospodarstwo domowe w Polsce
• Uran (czy tor) nie ma praktycznie innych zastosowań poza wykorzystaniem go jako
paliwa w reaktorach jądrowych; zasoby uranu i toru są obfite – rys. 1.
• Wyczerpują się zasoby konwencjonalnych paliw organicznych (węgiel kamienny, ropa
naftowa). Zasoby węgla, ropy naftowej czy gazu są z definicji ograniczone, chociaŜ są
one znacznie większe niŜ sądziliśmy 30-40 lat temu. W sposób ciągły wzrastają koszty
2
ich wydobycia. Ponadto surowce te mają wiele innych zastosowań poza ich spalaniem;
szczególnie ropa naftowa jest dzisiaj zbyt cennym surowcem dla przemysłu
chemicznego oraz podstawowym źródłem energii w komunikacji samochodowej czy
lotniczej.
• Odnawialne źródła energii (energia słoneczna, wiatrowa, geotermiczna i in.) mogą
odegrać jedynie drugorzędną, uzupełniającą rolę ze względu na ograniczone moce.
(przewiduje się, iŜ w 2020 r. zaledwie 3% energii elektrycznej produkowanej na
Europa
62
Kanada
437
Federacja
Rosyjska
175
Ukraina
131
Uzbekistan
172
USA
348
Kazachstan
854
Brazylia
262
Namibia
283
RPA
367
Australia
930
Rys. 1. Rozpowszechnienie zasobów uranu na świecie (w tys. t) – dane na styczeń 2001 r.
świecie). NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe nie wszystkie kraje mają np. gorące źródła jak Islandia,
silne wiatry i długą linię brzegową, jak Norwegia czy palące słońce, jak kraje afrykańskie.
Odnawialne źródła energii, takie jak energia wiatru czy słoneczna, dostarczają energii w
sposób nieciągły. Ponadto wbrew temu, co się powszechnie sądzi, odnawialne źródła
energii równieŜ wywierają negatywny wpływ na środowisko. Według wiceprezesa
Brytyjskiego Towarzystwa Królewskiego Davida Wallace'a, zastąpienie energii jądrowej
energią odnawialną jest w praktyce niemoŜliwe.
• Energia uzyskiwana ze spalania paliw organicznych produkuje zanieczyszczenia, które
są wydzielane bezpośrednio do powietrza i przybierają formę gazów cieplarnianych,
takich jak np. dwutlenek węgla. KaŜdego roku w wyniku uŜycia tych paliw 25 bilionów
t dwutlenku węgla dostaje się do atmosfery, co równa się 70 mln t dziennie lub 800 t na
sekundę. Mieszkańcy Ameryki Północnej emitują do atmosfery 54 kg dwutlenku węgla
dziennie na osobę, w Europie i Japonii wielkość ta wynosi więcej niŜ 24 kg. Jak się
3
obecnie uwaŜa, gazy cieplarniane są przyczyną efektu cieplarnianego polegającego na
tym, iŜ Ziemia magazynuje coraz więcej energii promieniowania słonecznego,
powodując tym samym podnoszenie się poziomu mórz czy występowanie susz i in. Aby
ustabilizować koncentrację gazów cieplarnianych w atmosferze, konieczne jest
zmniejszenie światowej emisji tych gazów o 50%. To wyzwanie wydaje się jeszcze
trudniejsze, biorąc pod uwagę to, Ŝe istnieje ogromna potrzeba podniesienia poziomu
Ŝycia w biedniejszych krajach. Przy zwiększonej emisji z tych krajów, dzisiejsze kraje
uprzemysłowione musiałyby zredukować emisję swoich gazów o 75%. Energia jądrowa
jest zaś w stanie produkować ogromne ilości czystej elektryczności na światową skalę,
bez emisji dwutlenku węgla czy innych gazów cieplarnianych. Patrick Moore, twórca
słynnej organizacji Greenpeace, określił ostatnio energetykę jądrową jako przyszłość
amerykańskiej energetyki, jako sensowne źródło energii, nie przyczyniające się do
efektu cieplarnianego.
• Chęć uniezaleŜnienia się wielu krajów od koniunkturalnych wahań dostaw i cen paliw
kopalnych (zwłaszcza ropy naftowej – nagły wzrost ceny w 1973, 1987 i 2000 r.). Koszt
energii wytworzonej w elektrowni jądrowej w bardzo małym stopniu zaleŜy od zmian
ceny paliwa jądrowego; udział kosztu paliwa (koncentratu uranu) w łącznym koszcie
1 kWh wynosi jedynie ok. 5%, a w przypadku importu gotowego paliwa reaktorowego
stanowi on 10-20% kosztu 1 kWh. Dla przykładu moŜna podać, iŜ koszt gazu w
łącznym koszcie 1 kWh w elektrowni gazowej wynosi ok. 70%. Energetyka jądrowa
jest i będzie czynnikiem politycznej stabilności w świecie, czego nie moŜna powiedzieć
o kopalnych źródłach energii. Tak się składa, Ŝe większość wydobycia ropy naftowej i
gazu przypada na rejony niestabilnie politycznie.
Niestety w kwestii energetyki jądrowej w wielu krajach (w tym szczególnie w Polsce)
przewaŜa obecnie błędny pogląd, Ŝe jest ona największym zagroŜeniem dla ekosystemu.
Składają się na to opisane poniŜej przyczyny:
● Przesadna obawa przed promieniowaniem jonizującym - strach przed promieniowaniem
jonizującym wyolbrzymił zagroŜenie ze strony energetyki jądrowej. Natomiast prawda jest
prosta - Ŝyjemy w świecie promieniotwórczym, zawsze tak było i zawsze tak będzie – rys. 2.
Promieniowanie jonizujące jest częścią natury, jest więc faktem Ŝycia codziennego.
Pierwiastki promieniotwórcze stanowiły integralną część środowiska człowieka od
momentu powstania Wszechświata, ok. 15 mld lat temu. Promieniowanie jest naturalnym
składnikiem powietrza, którym oddychamy, ziemi, po której stąpamy, domów, w których
mieszkamy, poŜywienia, które zjadamy, a takŜe ludzkich tkanek i kości, przy czym
4
stwierdza się duŜe wahania natęŜenia tła naturalnego zarówno w czasie, jak i w przestrzeni.
Dla przykładu moŜna podać, iŜ roczna dawka skuteczna promieniowania jonizującego
otrzymywana przez statystycznego mieszkańca Polski od naturalnych i sztucznych źródeł
promieniowania jonizującego oraz od źródeł promieniowania stosowanych w medycynie w
2002 r. wynosiła 3,36 mSv. Promieniowanie naturalne, którego udział w tej dawce stanowi
Dopuszczalne wartości w pokarmie:
< 600Bq/kg - artykuły spoŜywcze
< 370 Bq - mleko i pokarm dla niemowląt
Atmosfera
2,6…12,3 Bq/m3
(głównie radon)
< 200 Bq/m3
Popiół z węgla
2000 Bq/kg
dop. zawartośc radonu
w pomieszczeniach
Gleba
500 Bq/kg
MLE
Ciało
człowieka
130 Bq/kg
KA
WA
KO
1 litr mleka
80 Bq
1 kg kawy
1000 Bq
Ocean: 13,6 Bq/l
(głównie 40K)
Bochenek chleba
70 Bq
Rys. 2. Promieniotwórcze otoczenie naszego Ŝycia
(Bequerel – jednostka aktywności: 1 Bq odpowiada rozpadowi 1 atomu na sekundę)
74% pochodzi od radonu i produktów jego rozpadu (40,5%), promieniowania ziemskiego
(13,7%),
promieniowania
kosmicznego
(8,6%)
oraz
naturalnych
izotopów
promieniotwórczych wchodzących w skład ciała ludzkiego (8,2%). Na udział pozostałego
promieniowania pochodzącego od sztucznych źródeł i stosowanego w medycynie przypada
diagnostyka medyczna (25,3%), awaria czarnobylska (0,4%) i inne (0,3%). Zadziwiające
jest, Ŝe społeczeństwo całkowicie ignoruje fakt, Ŝe nasza Ziemia jest jednym gigantycznym
składowiskiem izotopów promieniotwórczych. Jednym z najbardziej niebezpiecznych jest
Ra-226, który wraz z izotopami pochodnymi jest ok. 600 razy bardziej niebezpieczny niŜ
pluton Pu-239 zarówno przy rozpatrywaniu drogi oddechowej, jak i pokarmowej. Warto
sobie uzmysłowić, iŜ przeciętny ogród o powierzchni 4 arów (400 m2) do głębokości 1
metra zawiera średnio 2 kg uranu, 6 kg toru i 0,8 kg promieniotwórczego potasu K-40. Nie
zagraŜa to zdrowiu, gdyŜ tolerancja na przekroczenie średniego tła promieniowania przez
człowieka jest dość znaczna, czego nie moŜna powiedzieć np. o temperaturze, ciśnieniu czy
5
zawartości tlenu. Ponadto naleŜy zauwaŜyć, iŜ stosowanie promieniowania jonizującego jest
w medycynie nieodzowne, a w przemyśle bardzo przydatne, jest ono zresztą znacznie słabiej
rakotwórcze niŜ wiele substancji toksycznych.
10 000...100 000 mSv
radioterapia
10000
3000...5000 mSv
Hiroshima, Nagasaki
1000
1 rok na pokładzie
stacji orbitalnej MIR
250 mSv
promieniowanie naturalne
w niektórych rejonach
Brazylii
23 mSv
scyntygrafia mięśnia
sercowego
3...6 mSv
prześwietlenie klatki
piersiowej, kręgosłupa
Roczna dawka
od promieniowania
naturalnego
w róŜnych rejonach świata
100
A
10
3,28 mSv
średnia roczna
dawka Polaka
2,2 mSv
dawka od źródeł
naturalnych w Polsce
1
B
0,23 mSv
zdjęcie rtg zęba
0,1 mSv
zdjęcie małoobrazkowe
klatki piersiowej
0,1
0,05 mSv
przelot samolotem
na trasie ParyŜ - N. Jork
Średnie roczne
naraŜenie od
energetyki jądrowej
Dawki granicznej nie stosuje się w odniesieniu do osób poddawanych działaniu
promieniowania w celach medycznych
0,01
A - 20 mSv - dawka graniczna roczna dla osób
naraŜonych zawodowo
B - 1 mSv - dawka graniczna roczna dla ludności
Rys. 3. Wielkości dawek promieniowania w naszym otoczeniu
Sivert [Sv] – jednostka naraŜenia na promieniowanie jonizujące; 1 mSv = 0,001 Sv
6
● Fałszywy obraz awarii reaktora - wbrew niektórym twierdzeniom reaktor jądrowy w
Ŝadnym przypadku nie moŜe zamienić się w bombę atomową, nie pozwalają na to prawa
fizyki. Dotychczas wydarzyły się trzy powaŜniejsze awarie w elektrowniach jądrowych: w
Browns Ferry-1 (Stany Zjednoczone – 1975 r.), w Three Mile Island (Stany Zjednoczone w 1979 r.) oraz w Czarnobylu-4 (Ukraina – 1986 r.) na ponad 13 000 przepracowanych
reaktorolat (liczba pracujących reaktorów energetycznych przemnoŜona przez lata ich
pracy). Do tej liczby reaktorolat naleŜałoby dodać liczbę, jaką dostarczyłaby marynarka
wojenna, badania naukowe czy zastosowania wojskowe. Dla ścisłości naleŜy dodać, iŜ
miały równieŜ miejsce awarie w reaktorach badawczych czy wojskowych np. w Windscale
(Wielka Brytania – 1957 r.)
● Awaria w Czarnobylu - nie jest ona reprezentatywnym wypadkiem, mogącym się zdarzyć
w typowych elektrowniach jądrowych. Zasadniczą cechą reaktora w Czarnobylu (typ
RBMK) było to, Ŝe wskutek awarii moc jego wzrosła i to wzrosła katastrofalnie, ok. 1000
razy powyŜej normalnej pełnej mocy. W reaktorach wodnych ciśnieniowych (PWR) czy
wrzących (BWR), powszechnie budowanych poza byłym Związkiem Radzieckim, moc
reaktora po awarii zawsze maleje. Ta róŜnica, niezaleŜna od działań człowieka, a
wynikająca z projektowych cech reaktora, była decydująca dla przebiegu i skutków awarii.
● Przesadny lęk przed odpadami - nie jest ich aŜ tak duŜo. KaŜda działalność przemysłowa
człowieka, takŜe i energetyka jądrowa, stwarza pewne negatywne zjawiska mające wpływ
na otoczenie, czyli środowisko naturalne - chodzi tutaj głównie o składowanie odpadów
promieniotwórczych. Jednak biorąc pod uwagę ogromną koncentrację energii zawartej w
paliwie jądrowym w stosunku do paliw konwencjonalnych (w 1 kg uranu 500 000 MJ
wobec 13-32 MJ z 1 kg węgla kamiennego), naleŜy pogodzić się takŜe z „duŜą koncentracją
zagroŜenia” w odpadach, których jednak powstają proporcjonalnie mniejsze ilości. Przyroda
niczego nie daje za darmo. Przy takim podejściu do tematu, łatwiej będzie zaakceptować
energetykę jądrową jako źródło energii. Dla przykładu moŜna podać, iŜ w przeliczeniu na
jednego
mieszkańca
energetyka
jądrowa
we
Francji
wytwarza
1 kg
odpadów
promieniotwórczych rocznie, z czego 10 g stanowią odpady wysokoaktywne (w nich
zawarte jest ok. 95% całkowitej promieniotwórczości). Odpowiednio, ilość odpadów
przemysłowych wynosi we Francji 2 500 kg rocznie. A więc wielkość odpadów
promieniotwórczych stanowi zaledwie 0,04% wielkości odpadów przemysłowych. Problem
usuwania odpadów promieniotwórczych uwaŜany jest często za jedną z głównych przeszkód
na drodze wzrostu potencjału energetyki jądrowej. W rzeczywistości jednak problem ten nie
7
jest ani tak bardzo skomplikowany, ani nierozwiązywalny, jak to wyobraŜają sobie
przeciwnicy elektrowni jądrowych.
● Związek z bronią jądrową - jest rzeczą niejako zrozumiałą, Ŝe źródła energii, o których
świat dowiedział się pośrednio poprzez skutki straszliwej broni, jaką jest bomba atomowa,
długo jeszcze będą wywoływać niepokój i nawet jego pokojowe zastosowania będą
przyjmowane z duŜymi oporami. NaleŜy jednak zauwaŜyć, iŜ uŜycie energii jądrowej w celu
produkcji elektryczności nie przyczyniło się do zwiększenia niebezpieczeństwa powstania
broni jądrowej ani jej rozpowszechnienia.
● Brak zrozumienia i oceny ryzyka – w Ŝyciu robimy wiele rzeczy, które mają w sobie
elementy ryzyka (np. opalanie się na słońcu, jazda samochodem, podróŜ samolotem,
wspinaczka w góry, praca górnika, nie wspominając juŜ o paleniu papierosów,
nadmiernym spoŜywaniu alkoholu czy nadwadze i wiele in.), zgadzając się na to, Ŝe jest
to częścią naszego Ŝycia. Inaczej jest jednak z promieniowaniem jonizującym. Większość
ludzi uwaŜa to promieniowanie za coś innego, być moŜe jest to związane z czymś
nowym, nieznanym. Nie ma techniki ani technologii całkowicie bezpiecznej, jest tylko
róŜne prawdopodobieństwo powstania niebezpieczeństwa. Energetyka jądrowa jest juŜ
technologią sprawdzoną. Naukowcy zajmują się badaniem promieniotwórczości od
ponad 100 lat, a działalność reaktorów jądrowych trwa ponad pół wieku. Unikalną cechą
energetyki jądrowej jest ponadto to, iŜ społeczeństwo postrzega związane z nią ryzyko
jako znacznie większe niŜ to obliczone przez specjalistów. W tym miejscu warto więc
przytoczyć dane opracowane w Stanach Zjednoczonych, dotyczące tzw. średniej
oczekiwanej utraty długości Ŝycia (liczonej w dniach) z powodu róŜnego rodzaju ryzyka;
wynoszą one odpowiednio:
Ŝycie w ubóstwie
palenie papierosów (1 paczka na dzień)
choroby serca*
pozostawanie w wolnym stanie
praca w kopalni węgla
nowotwory*
nadwaga (14 kg)
wypadki na drogach*
zabójstwa*
zanieczyszczenie powietrza*
przekroczenie prędkości z 55 mil do 65 mil na godzinę*
upadki*
ogień i oparzenia*
uszkodzenia zapór (tam)*
zamieszkiwanie w pobliŜu elektrowni jądrowej
wszystkie elektrownie w Stanach Zjednoczonych*
3500 dni
2300 dni
2100 dni
2000 dni
1100 dni
980 dni
900 dni
150 dni
90 dni
80 dni
40 dni
39 dni
27 dni
1 dzień
0,04 dnia
8
wszystkie elektrownie w Stanach Zjednoczonych – tylko awarie*
0,012 dnia
Dane oznaczone znakiem * dotyczą średnio wszystkich mieszkańców Stanów
Zjednoczonych, pozostałe dane odnoszą się do naraŜonych - wystawionych na działanie.
● Częsta dezinformacja w środkach masowego przekazu (celowa bądź niezamierzona) sprzeciw wobec energetyki jądrowej jest bardziej kwestią mody, poprawności poglądów i
braku rzetelnych informacji niŜ rzeczywistych argumentów. Te ostatnie zazwyczaj
zaczynają się i kończą na Czarnobylu. MoŜna zauwaŜyć, iŜ informacje na temat energetyki
jądrowej pojawiają się corocznie pod koniec kwietnia i wiąŜą się z kolejną rocznicą awarii
w elektrowni jądrowej w Czarnobylu. Rzeczywiste skutki awarii w Czarnobylu są znacznie
mniejsze od tych, które wynikałyby z alarmujących artykułów czy programów
telewizyjnych. Nagłaśnia się kaŜdy wypadek w elektrowniach jądrowych, nawet drobny,
niezwiązany bezpośrednio z zakłóceniem w pracy samego reaktora. Gdy trzeba, wymyśla
się go z niczego. Opinie prasowe są nieraz przejmujące; uŜywa się barwnych porównań,
jak „tykająca bomba”, „wyciekające reaktory”, „nuklearny wulkan”, „atomowy wrak”,
„świecące pociągi”, „chiński syndrom”, „skazani na atom”, „atomowy kac”, ‘spóźniony
zapłon” itp., cytatów z Apokalipsy, skomplikowanego, obco brzmiącego słownictwa,
Informacje o istotnych i dobroczynnych aspektach promieniotwórczości, w szczególności
ratujących Ŝycie (medycyna), rzadko docierają do opinii publicznej.
Jednym z powaŜniejszych czynników hamujących rozwój energetyki jądrowej jest
powszechny brak akceptacji mieszkańców do lokalizacji takich obiektów w pobliŜu miejsca
ich zamieszkania. Zgodnie z powszechnie znanym prawem, iŜ efekt równa się praca razy
akceptacja, w skrajnym przypadku, gdy akceptacja jest równa zeru, efekt wynosi równieŜ
zero. Dlatego teŜ, aby społeczeństwo mogło właściwie podjąć decyzje, musi być rzetelnie
informowane o wszystkich aspektach technicznych lub organizacyjnych dotyczących tej
decyzji.
Na zakończenie trzeba jednak zauwaŜyć, iŜ wszędzie, gdzie pracuje (bądź juŜ pracował)
reaktor jądrowy, obojętnie do jakich celów, mamy do czynienia z nowym zjawiskiem w
działalności człowieka, jakim jest zjawisko nieodwracalności. Cechą charakterystyczną
energii jądrowej (cywilnej czy wojskowej) jest to, Ŝe juŜ na początku wycofanie się jest
bardzo trudne, a od pewnego momentu wręcz niemoŜliwe, gdyŜ z chwilą, uruchomienia
reaktora jądrowego zostają zainicjowane procesy, których przez długi czas nie moŜna w
Ŝaden sposób zatrzymać. Bowiem od tej chwili pojawia się konieczność starannego i
9
nieustannego kontrolowania promieniotwórczych procesów rozpadu, trwających wiele lat i
zagraŜających swym promieniowaniem organizmom Ŝywym, w tym i człowiekowi. Próbę
oszacowania ilości zbudowanych dotąd w świecie reaktorów jądrowych przedstawiono na
rys. 4.
Wytwarzanie i zastosowanie energii jądrowej zapoczątkowało nową erę, w której kaŜda faza
działalności przemysłowej podlega technicznemu i politycznemu nadzorowi, czasem pełnemu
nieufności. Cywilizacja ery atomowej, dając wszystkim jednakowe szanse sukcesu i nikogo
nie
chroniąc
od
ryzyka,
REAKTORY
BADAWCZE
DOŚWIADCZALNE
REAKTORY
WYTWÓRCZE
WOJSKOWE
REAKTORY
ENERGETYCZNE
REAKTORY
NAPĘDOWE
z
samej
swej
istoty
jest
cywilizacją
uniwersalną.
CP-1 Chicago 2.12.42 - 1.03.43
…
ILOŚĆ : ( stan na 31.12.2002r.)
272
9
384
pracuje
w budowie
wycofane*
Hanford (USA)
Windscale (Wielka Brytania)
Czelabińsk 65 (Rosja)
…
ILOŚĆ : ?
Obnińsk (b.ZSRR) VI 1954 - 5 MWe
…
ILOŚĆ: (stan na dzień 31.12.2002r.)
441
35
134
pracuje w budowie
wycofane*
Głównie jako napęd okrętów podwodnych
„Nautilus”-1955,
…
ILOŚĆ : ?
* oznacza reaktory które juŜ pracowały i zostały wycofane z dalszej eksploatacji
Rys. 4. Oszacowanie liczby reaktorów jądrowych wybudowanych na świecie