Energetyka jądrowa

Energetyka jądrowa obejmuje zespół zagadnień związanych z pozyskiwaniem na skalę przemysłową energii, jaka powstaje z reakcji rozszczepienia tzw. ciężkich jąder niektórych pierwiastków przeprowadzanej w reaktorach elektrowni jądrowych. Obejmuje również kwestie eksploatacji złóż uranu i innych pierwiastków wykorzystywanych w reakcji rozszczepienia, przetwarzanie paliwa jądrowego, a także problem składowania odpadów radioaktywnych.

Energia jądrowa obok energii pozyskiwanej z paliw kopalnych jest jednym z głównych źródeł energii na świecie. Jest to jednocześnie najnowocześniejsze źródło energii, po raz pierwszy wykorzystane w połowie XX wieku, a także rodzaj „zasilania”, z którym wiąże się największe nadzieje. Energia jądrowa wydziela się podczas reakcji rozszczepienia jądra atomowego, które mogą zachodzić w sposób kontrolowany lub całkowicie przypadkowy. Dokładniej mówiąc przemiany te polegają na rozpadzie jąder atomowych niektórych pierwiastków, z których powstają jądra atomowe innych pierwiastków lub izotopy. Cały proces jest oczywiście bardzo skomplikowany i trudny do opanowania. Po raz pierwszy tego typu przemiana została przeprowadzona w 1919 roku. Energia jądrowa jest bardzo efektywnym źródłem energii. Bierze się to z tego, że reakcje jądrowe są milion razy bardziej efektywne od reakcji chemicznych.

Pomimo tego, iż podstawy fizyczno - techniczne do budowy elektrowni jądrowych zostały opracowane na potrzeby budowy broni jądrowej, to jednak naukowcy od chwili odkrycia reakcji rozszczepienia jądra atomu myśleli o możliwościach wykorzystania energii jądrowej do budowy elektrowni wykorzystującej to zjawisko.

Elektrownia jądrowa

Elektrownia jądrowa działa podobnie jak tradycyjna elektrownia opalana węglem. Główna różnica polega na sposobie wytwarzania energii cieplnej.

Część konwencjonalna elektrowni jest charakterystyczna dla wszystkich typów elektrowni cieplnych. Jest w zasadzie identyczna jak w elektrowni klasycznej opalanej paliwami kopalnymi. Jedyne różnice dotyczą parametrów technicznymi wykorzystywanych urządzeń. Część jądrowa elektrowni, składa się natomiast z trzech zasadniczych elementów: reaktora, pomp cyrkulacyjnych oraz wytwornicy pary. Elementy te są ze sobą odpowiednio połączone przez zespół rurociągów tworzących tzw. obieg pierwotny wody. Jest to obieg zamknięty, w którym woda transportuje energię cieplną z reaktora do wytwornicy pary. W celu skompensowania zmian objętości wody w obiegu pierwotnym, jakie następują wskutek zmian temperatury, przyłącza się do niego dodatkowo tzw. regulator ciśnienia.

Reaktor podobnie jak kocioł w tradycyjnej elektrowni węglowej jest źródłem ciepła, z tą różnicą że w reaktorze zachodzi reakcja rozszczepienia jąder atomów uranu.

Wytwornica pary stanowi element wspólny obydwu obiegów występujących w elektrowni. Woda dostarczona do niej z obiegu wtórnego odbiera ciepło od wody obiegu pierwotnego w wyniku czego powstaje para wodna, przepływająca następnie rurociągiem pod wysokim ciśnieniem (rzędu 6 MPa) od wytwornicy do turbiny parowej. W wyniku rozprężenia dostarczonej pary w zespole kolejnych turbin, następuje obrót wału generatora elektrycznego, co skutkuje generacją prądu elektrycznego.

Turbina połączona jest z generatorem prądu i przekazuje mu swoją energię ruchu obrotowego, którą generator z kolei zamienia w energię elektryczną. Z generatora poprzez system zabezpieczeń, układy dopasowujące oraz transformatory energia elektryczna przekazywana jest do sieci energetycznej.

Para wodna przepływając przez turbiny ulega ochłodzeniu, po czym dopływa do skraplacza pary (kondensatora), gdzie dzięki dodatkowemu obiegowi wody chłodzącej ulega skropleniu.

Istnienie dwóch obiegów wodnych wynika z konieczności izolacji obiegu wody mającej bezpośrednią styczność z rdzeniem reaktora oraz obiegu wody, która (w postaci parowodnej) napędza turbiny generatora.

Dlatego w przypadku ewentualnego wydostania się do wody chłodzącej substancji promieniotwórczych w wyniku uszkodzeniu pręta paliwowego, skażenie ograniczone zostaje jedynie do obiegu pierwotnego.

Jako paliwo jądrowe stosuje się substancje zawierające izotopy rozszczepialne tj. izotopy ciężkie, których jądra łatwo ulegają rozszczepieniu w wyniku bombardowania neutronami o małych energiach (najczęściej są to np. ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu).

Aby nie dopuścić do wydostania się na zewnątrz reaktora produktów rozszczepienia, paliwo jądrowe jest zamknięte wewnątrz elementów paliwowych mających najczęściej postać walcowych, kulistych lub płytkowych prętów.

Budowa typowej elektrowni jądrowej przedstawiona jest na poniższym rysunku.

A.				Obieg pierwotny	8.	Obieg wtórny kondensatu	17.	Linia wysokiego napięcia
B.				Obieg wtórny	9.	Obieg wtórny pary	18.	Otwarte źródło wody
1.				Obudowa bezpieczeństwa	10.	Turbina wysokoprężna	19.	Zasilanie wody chłodzącej
2.				Rdzeń reaktora	11.	Turbina niskoprężna	20.	Rurociąg wody chłodzącej
3.				Pręty sterujące	12.	Pompa kondensatu	21.	Rurociąg wody chłodzącej
4.				Stabilizator ciśnienia	13.	Skraplacz	22.	Chłodnia kominowa
5.				Wytwornica pary	14.	Generator	23.	Wlot powietrza chłodzącego
6.				Pompa obiegu pierwotnego	15.	Wzbudnica	24.	Wylot pary wodnej
7.				Rurociągi obiegu pierwotnego	16.	Transformator	25.	Wylot wody chłodzącej

Energetyka jądrowa w Polsce i na świecie

Początki rozwoju energetyki jądrowej w Polsce sięgają połowy lat 50-tych, kiedy to podjęto rozważania na temat budowy pierwszej elektrowni jądrowej oraz pierwszego reaktora badawczego EWA. Budowę reaktora EWA w Instytucie Badań Jądrowych w świerku rozpoczęto w 1955 roku, jego uruchomienie nastąpiło 14 czerwca 1958 r.

Budowa Polskich elektrowni jądrowych cały czas pozostaje w sferze planów, ale z miesiąca na miesiąc nabierają one coraz to konkretniejszych kształtów. Nigdy nie mieliśmy takiej elektrowni, mimo że intensywne prace budowlane w latach 80' były już prowadzone, a wiele innych państw korzysta z nich od lat. Są one wykorzystywane zarówno w państwach tzw. starej unii europejskiej, jak i przez ich nowych członków.

Główne cele Polskiej energetyki jądrowej:

• Poprawa efektywności energetycznej

• Wzrost bezpieczeństwa dostaw paliw i energii

• Dywersyfikacja struktury wytwarzania energii elektrycznej poprzez wprowadzenie energetyki jądrowej

• Rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biopaliw

• Rozwój konkurencyjnych rynków paliw i energii

• Ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko

Źródło: Ministerstwo Gospodarki

Surowce strategiczne to nieodnawialne źródła energii. Zasoby uranu również są ograniczone, ale wystarczy ich na znacznie dłuższy okres czasu. Mierząc dostępność surowców kopalnianych wykorzystuje się wskaźnik R/P, który wyraża stosunek zasobów do produkcji danego rodzaju paliwa i określa prawdopodobny okres eksploatacji tych zasobów w latach, przy obecnym poziomie produkcji. Największy wskaźnik R/P, według Światowej Rady Energetyki, jest dla surowców kopalnych, węgla brunatnego, którego przy rezerwach 149,8 mld t i produkcji na poziomie 0,87 mld t rocznie, wystarczy na 172 lata.

Węgla kamiennego, przy rezerwach 697,7 mld t i produkcji 5,03 mld t, zabraknie za 139 lat. Surowców strategicznych wystarczy na o wiele mniej lat. Gazu ziemnego na 63 lata - rezerwy 176 bln m³, produkcja 2,8 bln m³, a na jeszcze mniej starczy ropy naftowej, przy rezerwach 1215 mld baryłek i produkcji 29,6 mld baryłek, wystarczy na 41 lat.

Wymienione obliczenia przedstawione są pod pojęciem rezerw, a nie zasobów. Rezerwy to ta część światowych zasobów surowców, które są w danej chwili ekonomicznie opłacalne i technicznie możliwe w eksploatacji. Wraz z rozwojem nowych technologii, zarówno rezerwy jak i zasoby z pewnością ulegną zwiększeniu. Znakomitym przykładem jest wykorzystywanie uwięzionego w skałach tzw. gazu łupkowego, którego wydobycie jeszcze do niedawna niebyło brane pod uwagę.

Uran jako paliwo, jest jedną z alternatyw dla surowców strategicznych, takich jak ropa naftowa czy gaz ziemny. Szczególnie mając na uwadze niebezpieczeństwo przerwania dostaw, wykorzystanie surowców do politycznych rozrachunków, a kończąc na zaostrzających się wymogach emisji gazów cieplarnianych i wahaniach cenowych. Wybudowanie elektrowni jądrowej to ogromne koszty (klika miliardów euro), jednakże jej eksploatacja jest znacznie tańsza aniżeli pozostałych elektrowni. Dzięki temu koszty produkcji energii elektrycznej w tego typu elektrowniach zaliczane są do jednych z najniższych.

Jeśli chodzi o uran, trudno jest jednoznacznie określić na ile wystarczy jego zasobów, niemniej jednak wystarczy go przynajmniej na kilkaset lat. Do szacunkowych obliczeń korzysta się z klasyfikacji kosztów jego pozyskania. W chwili obecnej za opłacalne uznawane jest jego wydobywanie po cenie poniżej 130 dolarów za kilogram. W 2007 roku zasoby, poniżej tej ceny, wynosiły około 5,5 mln ton. Do tego należy dodać jeszcze około 10,5 mln ton uranu, dostępnego po tej samej cenie wydobycia, z zastrzeżeniem, że są to zasoby jeszcze nie w pełni przebadane. Gdy zwiększymy założenia kosztów wydobycia do 200 dolarów za kilogram uranu to zasoby te zwiększają się do 100 mln ton.

Energetyka jądrowa a środowisko

Elektrownia jądrowa jako przyjazna dla środowiska pomaga ograniczyć emisję dwutlenku węgla, jak również co jest istotne gdy mowa o zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego, pozwala na zapewnienie odpowiednich zapasów paliw. Zgromadzenie zasobów uranu na kilka lat jest technicznie wykonalne i proste. W przypadku gazu, czy węgla jest to praktycznie niewykonalne.

Elektrownie jądrowe w dalszym ciągu budzą jednak strach wśród wielu osób, w szczególności pamiętających katastrofę elektrowni w Czarnobylu w 1986 roku.

Polska, podobnie jak wiele innych krajów świata, stoi przed coraz ważniejszymi problemami, związanymi z potrzebą pokrycia rosnącego zapotrzebowania, coraz droższą energią elektryczną, starzejącą się i wymagającą znacznej rozbudowy i modernizacji bazą wytwórczą oraz koniecznością spełnienia coraz bardziej restrykcyjnych wymagań związanych z ochroną środowiska.

Na świecie, podobnie jak w Polsce, potrzeba coraz więcej energii. Rośnie również stopniowo poprawa efektywności jej użytkowania, jednak wolniej niż jej bezpośrednie zużycie. Wraz ze wzrostem zapotrzebowania powinna też nadążać produkcja. Ta jednak drożeje, ze względu na wzrost cen podstawowych nośników energii. Koszty ich pozyskania rosną w miarę wyczerpywania się kolejnych zapasów.

Źródła jądrowe, są według obecnie prowadzonych analiz bezwzględnie najtańsze w pracy podstawowej, zaś ich opłacalność powinna w przyszłości jeszcze wzrosnąć, w miarę wyczerpywania się zapasów węgla kamiennego i brunatnego, ropy naftowej i gazu ziemnego.

Źródło: Ministerstwo Gospodarki

Realizację budowy elektrowni jądrowej, podobnie jak innych elektrowni, reguluje szereg przepisów mających zastosowanie do dużych inwestycji przemysłowych. Jednakże wykorzystanie w elektrowni jako źródła ciepła reaktora jądrowego w miejsce tradycyjnego kotła, opalanego paliwem konwencjonalnym, powoduje, że musi ona spełniać dodatkowe wymagania, przede wszystkim w zakresie bezpieczeństwa. Poprzez zastosowanie w elektrowniach jądrowych rozwiązań technicznych, podczas normalnej eksploatacji nie powoduje ona zagrożenia promieniowaniem dla jej personelu, a tym bardziej dla ludności i środowiska.

Rolą rządów państw jest stworzenie ram prawnych i organizacyjnych dla skutecznego wdrożenia zasad bezpieczeństwa, w tym utworzenie niezależnego organu państwowego dozoru bezpieczeństwa jądrowego i zapewnienie trwałości oraz skuteczności jego działania.

Energetyka jądrowa budzi silne protesty i wątpliwości, głównie z powodu złych skojarzeń z bombami atomowymi. Dochodzi do tego również efekt skali, elektrownie jądrowe są duże, a wobec dążenia do wyposażania ich w układy bezpieczeństwa, które są potrzebne niezależnie od mocy elektrowni, naturalną tendencją jest budowanie coraz to większych elektrowni jądrowych, by obniżyć udział układów bezpieczeństwa w ogólnych kosztach i uzyskać tanią energię. Jednakże wielkość elektrowni jądrowej i wysokie wymagania, jakie stawiamy wobec jej jakości stwarzają wrażenie obcości, dystansu od normalnego człowieka.

Bardzo łatwo jest utożsamiać ogromną elektrownię jądrową z totalitarnym państwem, w którym człowiek ma niewiele do powiedzenia. Duży wpływ ma też fakt, iż promieniowanie emitowane przy procesach rozszczepienia jest niewidoczne, a ewentualne skutki napromieniowania występują z dość dużym opóźnieniem, nawet po wielu latach, a to powoduje dodatkowe zaniepokojenie. Również i argument o zagrożeniu przyszłych pokoleń przez odpady promieniotwórcze działa bardzo silnie na wyobraźnię. Odpowiedzi specjalistów tłumaczących, że w odniesieniu do jednostki mocy użytecznej elektrownie jądrowe zużywają dużo mniej stali, aluminium czy kadmu niż baterie słoneczne, że w sieci energetycznej potrzeba źródeł zapewniających niezawodne zasilanie niezależnie od kaprysów wiatru i okresowych przerw w dopływie energii słonecznej,

że wreszcie wszystkie rozwiązania i zabezpieczenia elektrowni jądrowych są jawne, dostępne dla krytyki i stanowią przykład daleko posuniętej otwartości i współpracy międzynarodowej, nie są wystarczającą przeciwwagą dla obaw normalnego człowieka.

Tymczasem rzeczywiste fakty przemawiają za energią jądrową. Niezawodna praca elektrowni jądrowych udowadnia ich zalety dla społeczeństwa zarówno z punktu widzenia ekonomii jak i zdrowia. Dlatego też, nie tylko lekarze są za - ale również prawdziwi ekolodzy też popierają energetykę jądrową. W Internecie można znaleźć studium opracowane przez Wyższą Szkołę Ekologii i Zarządzania, Wydział Ekologii - Kierunek Ochrona Środowiska pt. „Postawy ekologów i ekologii jako nauki wobec energetyki jądrowej” w którym czytamy:

„... patrząc z perspektywy zdrowia i dobrobytu społeczeństwa

energia jądrowa obok energii odnawialnych wydaje się najbardziej

pożądanym źródłem energii.” „...ze względu na zdrowie człowieka i

ochronę środowiska energia jądrowa powinna być preferowanym

źródłem energii przez następne kilkadziesiąt lat.”

W wielu krajach UE czołowi ekolodzy też zmienili już swoje pozycje - obecnie popierają rozwój energii jądrowej. Zalety energii jądrowej dla środowiska i zdrowia człowieka można więc uznać za udowodnione. Podobnie jest też z opłacalnością energetyki jądrowej, która nie budzi obecnie wątpliwości.

Uznane międzynarodowo studia, jak studium brytyjskiej Królewskiej Szkoły Inżynierii lub studium porównawcze OECD wskazują jednoznacznie, iż energetyka jądrowa jest najlepszą ekonomicznie opcją dla zaspokojenia rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Inne możliwości wykorzystania energetyki jądrowej

Elektrownie jądrowe podczas pracy emitują bardzo duże ilości ciepła. Około 1/3 energii cieplnej generowanej w reaktorze jest zamieniana w energię elektryczną (sprawność obecnych elektrowni III generacji dochodzi do 37%). Reszta energii cieplnej jest bezpowrotnie tracona w procesie chłodzenia reaktora - albo przez zrzut podgrzanej wody (z trzeciego obiegu) do morza, rzeki lub jeziora lub też poprzez odparowanie w chłodniach kominowych. Można jednak część traconego ciepła wykorzystać do ogrzewania budynków łącząc elektrownię z systemem ciepłowniczym pobliskiego miasta (sieć centralnego ogrzewania) i/lub do podgrzewania wody użytkowej (sieć ciepłej wody użytkowej). W takim wypadku mamy do czynienia z tzw. kogeneracją (jednoczesnym wytwarzaniem energii elektrycznej i ciepła, inaczej produkcją „w skojarzeniu”) a zakład tego typu określa się mianem elektrociepłowni jądrowej.

Wytwarzanie w skojarzeniu energii elektrycznej i ciepła podnosi ogólną sprawność elektrowni jądrowej do ok. 60%, jednakże odbywa się to kosztem niewielkiego zmniejszenia mocy elektrowni, rzędu 50-200 MWe na każde 1000 MWt. Podobne koszty dotyczą również pozostałych typów elektrowni cieplnych, tj. elektrowni spalających węgiel, gaz ziemny lub olej opałowy (przy czym sprawność elektrociepłowni konwencjonalnych sięga 85%).

Obecnie na całym świecie pracuje 15 elektrociepłowni jądrowych w 9 krajach (przy czym w Chinach pracuje eksperymentalna ciepłownia jądrowa). W Europie ciepło odpadowe z elektrowni jądrowych wykorzystuje się w Czechach, Słowacji, Bułgarii, Węgrzech, Rumunii, Rosji i Szwajcarii. W latach 60-tych i 70-tych elektrociepłownia jądrowa pracowała również Szwecji.

Odpady radioaktywne

Zagadnienie odpadów radioaktywnych obejmuje szeroką gamę przedmiotów i materiałów, począwszy od rękawiczek gumowych i pokrowców ochronnych na obuwie (są to tzw. odpady niskoaktywne) poprzez ścieki z obiegów chłodzenia elektrowni (odpady średnioaktywne) aż do odpadów z procesu przerobu wypalonego paliwa jądrowego, które to stanowią odpady wysokoaktywne. W Polsce mamy już prawie pół wieku doświadczenia z odpadami o niskiej i średniej aktywności, i wiadomo, że Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych (KSOP) w Różanie pracujące od 1960 roku nie spowodowało żadnego zagrożenia dla zdrowia okolicznej ludności ani też pracowników - wręcz przeciwnie, gmina i miasto Różan należą do okolic o NAJNIŻSZEJ w Polsce umieralności na raka. Podobnie pozytywne doświadczenia z pracy składowisk odpadów o niskiej i średniej aktywności zebrano w wielu innych krajach. Przeważnie składowiska te są akceptowane przez miejscową ludność, bo zapewniają one dobre miejsca pracy (dobrze płatnej, czystej i zdrowej), a radioaktywność po kilkunastu lub kilkudziesięciu latach zanika całkowicie.

Bibliografia:

1. http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/mfj/zal03/sobolewski/praca1.htm

2. http://www.atom.edu.pl

3. http://www.nuclear.pl

4. http://energetykajadrowa.cire.pl/wpolsce.html?smid=235

5. http://www.iea.cyf.gov.pl

6. „Aspekty ekonomiczne rozwoju energetyki jądrowej”, Andrzej Strupczewski, Instytut Energii Atomowej POLATOM

7. „Program Polskiej Energetyki Jądrowej - cele, założenia, kierunki działania”, Hanna Trojanowska, Podsekretarz Stanu w Ministerstwie Gospodarki, Pełnomocnik Rządu ds. Polskiej Energetyki Jądrowej

8. „Aspekty ekonomiczne energetyki jądrowej”, doc. dr inż. Andrzej Strupczewski, prezentacja na spotkaniu Komitetu Energetyki Jądrowej SEP, Warszawa, 18.02.2010

1

---