Drugie życie energetyki jądrowej?

Obecnie można spodziewać się szybkiego powrotu do wykorzystania energii atomowej, co związane jest z rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną i co potwierdzają plany państw w zakresie budowy nowych reaktorów atomowych.

Gdyby jeszcze dziesięć lat temu opublikowano artykuł o drugim życiu energetyki jądrowej, dotyczyłby on zapewne starzejących się elektrowni atomowych, które pomimo faktu, że były zaprojektowane z myślą o 20-30 latach pracy, otrzymują licencje na dalsze działanie. Jednakże ostatnie lata sprawiły, że temat energetyki jądrowej zaczął powracać coraz częściej i spodziewać się można nastania nowej ery w energetyce. Rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz coraz wyższe ceny surowców naturalnych takich jak węgiel, gaz i ropa naftowa, zmuszają do poszukiwania zastępczych źródeł energii. Bardzo duże znaczenie mają także restrykcyjne normy dotyczące emisji dwutlenku węgla do atmosfery, jakie wprowadzane są przez ustawodawstwo międzynarodowe w celu ograniczenia efektu cieplarnianego. Problemy te, których kumulacja nastąpiła na przełomie lat 2006/2007 doprowadziła do kilku istotnych decyzji, które wskazują na powrót do masowej budowy elektrowni atomowych.

Fot. 1. Wyburzanie wież chłodniczych w zamykanej elektrowni atomowej w Chapelcross w Wielkiej Brytani, maj 2007 rok

Kto buduje elektrownie?

Rys. 1. Liczba reaktorów i łączna moc elektrowni atomowych (stan na kwiecień 2007) oraz procent energii elektrycznej produkowanej poprzez elektrownie atomowe w poszczególnych krajach (dane za rok 2006). Gwiazdką zaznaczono dane zaktualizowane w 2007 roku

Mówienie o renesansie energetyki jądrowej może być pewnego rodzaju przesadą, szczególnie w kontekście państw takich jak Francja, które nigdy nie zaprzestały budowy tego typu elektrowni. W chwili obecnej niemal 80% tamtejszej energii elektrycznej pochodzi z 59 działających reaktorów atomowych. Jednakże krajem, w którym zbudowano najwięcej reaktorów są Stany Zjednoczone i to właśnie działania tego państwa są wyznacznikiem światowych trendów w zakresie energetyki jądrowej. Od czasów wypadku na Three Mile Island (patrz ramka), gdy wstrzymano większość planowanych projektów elektrowni atomowych w USA, nie zbudowano tam żadnej nowej jednostki tego typu. Pierwsze oznaki zmian w tym zakresie zauważyć można było na lutowej konferencji amerykańskiej komisji do spraw energetyki jądrowej NRC (Nuclear Regulatory Commission), na której to dyskretnie sugerowano, że można spodziewać się kompromisów w podejściu NRC do projektów budowy nowych elektrowni. Miesiąc później podjęto pierwsze decyzje o wstępnym zezwoleniu na budowę dodatkowego reaktora atomowego, który firma Exelon Corporation chce ulokować w elektrowni w Clinton w USA. Od tego czasu kilkanaście kolejnych firm zgłosiło chęć budowy lub obsługi elektrowni atomowych na terenie Stanów Zjednoczonych. Co prawda przez ostatnie lata dzięki niewielkim przebudowom i optymalizacji istniejących systemów podniesiono łącznie moc tamtejszych elektrowni o niemal 5GW oraz zgłaszano projekty budowy nowych obiektów, ale żadnych decyzji ostatecznie nie zatwierdzono.

Opisana zmiana w polityce Stanów Zjednoczonych nie powinna dziwić. Rosnące znaczenie gospodarek państw azjatyckich wymagało podjęcia kroków zapewniających Ameryce pozostanie na pozycji lidera w tym zakresie. Same Chiny planują instalację 25 nowych reaktorów atomowych do 2020 roku, z czego 7 jest w obecnie w trakcie budowy, w tym dwa na Tajwanie. Ponadto 7 reaktorów powstaje obecnie w Rosji, a w Indiach 6 kolejnych. Łącznie na całym Świecie budowanych jest obecnie 31 nowych reaktorów atomowych, z których część jest już na ukończeniu. Dodając do tego kolejne projekty – w tym wg szacunków około 25 nowych instalacji w samych Stanach Zjednoczonych, jakie mają szansę zostać rozpoczęte w najbliższych 15 latach, można już zdecydowanie mówić o renesansie energetyki jądrowej.

Duży biznes

Budowa elektrowni atomowych to także miliardowe inwestycje, na jakie nie stać prawie żadnych pojedynczych firm. Koszt nowej instalacji wynosi od 2 do 5 mld dolarów, a przychody z jej obsługi rozkładają się na bardzo wiele lat. Nie mniejszym problemem są kwalifikacje, jakie muszą mieć zatrudniani do obsługi pracownicy. Wszystko to sprawia, że tylko największe na świecie koncerny są w stanie planować uruchomienie własnych elektrowni. Jednocześnie, jak tylko znajduje się inwestor, pojawiają się ogromne szanse do zarobku dla producentów reaktorów. W chwili obecnej na rynku najpopularniejszych jest kilka typów reaktorów zaprojektowanych przez firmy Westinghouse, Mitsubishi Heavy Industries Nuclear Energy Systems, General Electric i Areva NP. Pierwszy z nich, AP1000 o mocy 1,1GW, został wybrany do czterech nowych placówek w Chinach i ma duże szanse na znalezienie się w kolejnych dziesięciu instalacjach w Stanach Zjednoczonych. Drugi – 1540-megawatowy reaktor firmy MHI NES wybrał amerykański koncern TXU oraz jedna z japońskich firm, które rozbudowują już istniejące elektrownie. Kilka jednostek firmy GE zostało zamówionych przez NRG Energy oraz firmy Dominion i Entergy, a kolejne są instalowane właśnie w Japonii i na Tajwanie. Tymczasem Areva NP buduje swój reaktor EPR (patrz ramka) w Finlandii.

Co się stało na Three Mile Island? O ile w Polsce najbardziej znaną awarią elektrowni atomowej jest incydent w Czarnobylu, na świecie, a szczególnie w Stanach Zjednoczonych, równie duże znaczenie miał wypadek na Three Miles Island. Elektrownia z dwoma blokami reaktorów PWR firmy Babcock & Wilcox zlokalizowana jest na wyspie w Pensylwani. 28 marca 1979 roku reaktor TMI-2 z powodu awarii uległ częściowemu stopieniu. Stało się tak w wyniku szeregu nieszczęśliwych wypadków oraz błędów operatorów. Uszkodzeniu uległ wtedy system chłodzenia reaktora, co spowodowało nadmierny wzrost temperatury rdzenia, który doprowadził do stopienia się cyrkonowych osłonek prętów paliwowych i w konsekwencji do przegrzania reaktora. Według oficjalnych informacji nikt z 25 tys. mieszkańców znajdujących się w okręgu 8km od reaktora nie ucierpiał z powodu awarii. Jednakże niektóre analizy wskazują na wzrost zachorowań w tym regionie, choć podawane przez nie statystyki nie są jednoznaczne. Niemniej wypadek w TMI przyspieszył w tamtym czasie odwrót USA od energetyki jądrowej. Oczyszczanie pozostałości po TMI-2 trwało do 1993 roku i kosztowało niemal miliard dolarów.

Kto pierwszy?

Aby rozważać szanse na sukces rynkowy poszczególnych typów reaktorów trzeba wiedzieć, że ich producenci muszą pokonać inny, bardzo istotny problem. Spośród pięciu wymienionych projektów reaktorów tylko jeden został przetestowany w praktyce – i to nie w pełni. O ile nie oznacza to, że pozostałe cztery mogą być zbytnio niebezpieczne, to nie daje też ich potencjalnym użytkownikom żadnej pewności, że reaktory te będą pracowały bez zastrzeżeń z odpowiednio dużą wydajnością. Tymczasem jedyny już budowany reaktor – EPR (Evolutionary Power Reactor) francuskiej firmy Areva nie został jeszcze zatwierdzony do użytku w USA.

Wszystkie nowe projekty są znacznie bardziej dopracowane, niż te, które powstawały w latach 70. zeszłego wieku. Dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii i mocy obliczeniowych obecnych superkomputerów stworzone projekty są znacznie bardziej zoptymalizowane i zawierają wiele innowacyjnych mechanizmów zabezpieczających. Mimo tego inwestorzy, którzy wykładają miliardy dolarów na nowe elektrownie, starają się zwykle czekać, aż powstaną inne jednostki tego typu, nawet kosztem utracenia „palmy pierwszeństwa” w energetyce jądrowej. Jak pokazuje historia, koszty budowy elektrowni nierzadko przekraczały dwu-, a nawet trzykrotnie zakładany początkowo budżet, co doprowadziło kiedyś już część niektórych inwestorów do bankructwa.

Całkowity koszt inwestycji nuklearnych jest bardzo trudny do przewidzenia – głównie ze względu na daleki horyzont czasowy zakończenia inwestycji. Przykładowo w Stanach Zjednoczonych każda taka budowa musi być zatwierdzona przez NRC, co w najlepszym wypadku trwa około 2,5 roku. Następnie, przed podjęciem wiążących decyzji konieczna jest jeszcze akceptacja projektu przez opinię publiczną, na co NRC przeznaczona przynajmniej 12 kolejnych miesięcy. W procesie tym konieczne są także negocjacje z lokalnymi samorządami i odpowiednia kampania reklamowa zachęcająca mieszkańców do poparcia nowego projektu. Część społeczeństwa na pewno wniesie do sądów oskarżenia o odszkodowania związane z potencjalnym zmniejszeniem wartości gruntów czy też zagrożeniem zdrowia spowodowanym budową elektrowni atomowej. Koszty prowadzenia tych spraw często liczone są w milionach dolarów i nie da się ich uniknąć. To wszystko oraz wahania w gospodarce międzynarodowej sprawiają, że budowa elektrowni jądrowej trwa od początku do jej zakończenia około 10 do 12 lat.

Problemy kadrowe

Długa perspektywa czasowa i duże koszty to nie jedyny problem, jaki napotykają rządy państw chcące budować elektrownie atomowe. Trudnością może być brak odpowiednio wykwalifikowanej kadry pracowników, którzy mogliby zostać zatrudnieni przy obsłudze reaktorów. W czasach gdy energetyka jądrowa wchodziła w swoją złotą dekadę, gdy budowano pierwsze wydajne komercyjne reaktory w amerykańskim Oyster Creek, tysiące inżynierów na całym świecie specjalizowało się w atomistyce i wszystkim co z nią związane. Obecnie ze względu na obserwowany przez lata niski popyt na tego typu pracowników, uczelnie techniczne zrezygnowały z prowadzenia kierunków dotyczących energii jądrowej lub znacząco ograniczyły liczbę ich studentów. Ponadto wielu inżynierów musiało się przekwalifikować, aby znaleźć pracę w szybciej rozwijających się dziedzinach, takich jak np. elektronika, telekomunikacja czy też po prostu informatyka. W latach 1990-2004 uruchamiano na świecie średnio 5 elektrowni rocznie, podczas gdy pomiędzy rokiem 1980 a 1989 – aż 22. Należy jednak zaznaczyć, że projekty z lat 80. były rozpoczęte jeszcze w poprzedniej dekadzie i gdyby nie awarie w TMI oraz Czernobylu, liczba inwestycji zakańczanych sukcesem w tym okresie byłaby większa.

Negatywne nastroje, które zniechęcały młodych ludzi do podejmowania tematu energetyki jądrowej, nie szły jednak w parze z ciągłymi decyzjami o przedłużaniu licencji na działanie istniejących już elektrowni. Na świecie funkcjonuje obecnie 436 reaktorów atomowych, z czego 48 pracuje tylko dzięki wydłużeniu pozwolenia na ich działanie o 20 lat. Ponieważ większość elektrowni planowana była z perspektywą 30 lat pracy, postęp technologiczny i wykonywane w nich modernizacje sprawiły, że w kolejce stoi już 27 kolejnych zakładów oczekujących pozwolenia na dalsze funkcjonowanie. Dzięki temu najstarsze obecnie działające elektrownie mają już po około 40 lat.

Reaktor EPR EPR, czyli European Pressurized Reactor albo Evolutionary Power Reactor, gdyż tak nazywany jest na rynku amerykańskim, to nowoczesna konstrukcja francuskiej firmy Areva. Należy on do reaktorów PWR (Pressurized Water Reacotr) trzeciej generacji, a w jego projektowaniu uczestniczyła także firma Siemens. Moc EPR wynosi 1,6GW, a jako paliwo wykorzystuje się 5-procentowy wzbogacony tlenek uranu U-235 lub paliwo mieszane plutonowo-uranowe. Reaktor charakteryzuje się dużą wydajnością i zwiększonym poziomem zabezpieczeń. Wśród nich znajdują się cztery niezależne systemy chłodzenia, dodatkowy zbiornik na ewentualny wyciek paliwa umieszczony naokoło reaktora, obudowy reaktora o podwyższonej szczelności oraz dwuwarstwowa betonowa osłona o grubości 2,6m, zaprojektowana tak, aby wytrzymać uderzenia samolotów. Obecnie budowane są dwie takie jednostki – jedna w Finlandii i jedna we Francji. Budowa pierwszej miała się zakończyć w 2009 roku i pochłonąć łącznie 3,7 mld euro, ale ze względu na opóźnienia powstanie ona najprawdopodobniej w roku 2011. Konstrukcja jednostki francuskiej ma być ukończona w roku 2012. Plany na instalację kolejnych dwóch takich reaktorów mają Chiny.

Polityka, gospodarka i ekologia

Rys. 2. Państwa i ich plany w zakresie budowy elektrowni z reaktorami atomowymi

Nie wszystkie państwa świata wykazują rosnące zainteresowanie energią jądrową. Niektóre z nich skupiają się na wręcz działaniach przeciwnych, takich jak zamykanie istniejących już zakładów. Przykładem mogą być Niemcy, gdzie w 2005 roku zadecydowano o likwidacji wszystkich znajdujących się na terenie kraju elektrowni atomowych, co ma nastąpić do końca 2020 roku. Motywacją do tego działania jest chęć przejścia na odnawialne, ekologiczne źródła energii, takie jak elektrownie wiatrowe, słoneczne czy też wykorzystujące biomasę. Kolejnym powodem jest chęć pozbycia się trudności związanych z przechowywaniem odpadów radioaktywnych, których niemieckie elektrownie i tak już zdążyły dosyć dużo wyprodukować. Do decyzji przyczyniły się także obawy o bezpieczeństwo kraju związane z zagrożeniem terrorystycznym, na jakie bardzo narażone są elektrownie atomowe.

Niemniej argumenty te nie są w pełni niepodważalne. Przykładowo stosowana obecnie technologia produkcji ogniw fotowoltaicznych wymaga do ich wytworzenia energii cieplnej o wartości, jaką ogniwa te są dostarczają w postaci energii elektrycznej przez kilka lat pracy. Ich koszt wytworzenia jest także duży, a żywotność, podobnie jak instalacji atomowych, szacowana na 30 lat. Tymczasem koszt energii produkowanej w elektrowni atomowej spadł przez ostatnie 10 lat z 2,46 do 1,72 centa za kilowatogodzinę. Jednocześnie koszty wytwarzania prądu w elektrowni atomowej są znacznie mniej zależne od cen surowców, niż w przypadku jego wytwarzania w elektrowniach gazowych lub węglowych. Dwukrotny wzrost ceny uranu przełożyłby się tylko na 7-procentowy wzrost cen energii elektrycznej, podczas gdy w przypadku elektrowni opalanej gazem taka zmiana ceny surowca spowodowałaby wzrost kosztów na poziomie 70%. Ponadto zapasy uranu powinny starczyć przy ich obecnym użyciu na 70 lat, a jeżeli wziąć pod uwagę zapasy, których koszt wydobycia jest dwukrotnie wyższy – wystarczą one na 10 razy dłuższy okres.

Duże znaczenie dla opłacalności działania elektrowni atomowych ma także postęp technologiczny, dzięki któremu obecne odpady radioaktywne mogą być poddawane recyklingowi, a nawet stosowane jako paliwo do reaktorów nowego typu. Przykładem są kosztowne w budowie reaktory typu FBR (Fast Breeder Reactor), gdzie wykorzystuje się tani zubożony uran (U-238), który w trakcie reakcji jądrowej zmieniany jest w pluton-239. Uran-238 jest tymczasem odpadem, który w dużych ilościach powstaje podczas wzbogacania uranu w celu tworzenia paliwa do zwykłych reaktorów atomowych.

Ilość radioaktywnych odpadów atomowych z jednego dużego reaktora to obecnie około 3m3 na rok. Są one bardzo wysoko radioaktywne i muszą być przechowywane w zbiornikach wypełnionych wodą. Według standardów konieczne jest 10 tys. lat, aby uznać je za nieszkodliwe dla środowiska. Jednocześnie obecne technologie pozwalają na przetwarzanie do 95% tych odpadów, choć są to bardzo kosztowne zabiegi. W związku z tym większość odpadów radioaktywnych nie jest przenoszonych do miejsc długoterminowego składowania pod ziemią, a wiele z nich przechowywanych jest w tymczasowych komorach, w których czekają na powstanie nowych, tanich sposobów na ich neutralizację bądź ponowne wykorzystanie.

Co w Polsce?

Pomysły związane z inwestycjami w energię atomową nie ominęły Polski. W latach 80. budowano polską elektrownię atomową w Żarnowcu, której konstrukcję wstrzymano, a wydane środki zostały w praktyce zmarnowane. Obecnie poszukuje się sposobów na uniezależnienie energetyczne kraju od naszych sąsiadów – w tym przede wszystkim od Rosji. Duże tempo wzrostu gospodarczego i związane z nim rosnące zapotrzebowanie na prąd powodują zwiększenie ilości emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla, na co ostre ograniczenia narzuca Unia Europejska. Co prawda powstają kolejne elektrownie wiatrowe i wodne, ale także i te spotykają się z protestami ekologów, którzy twierdzą, że niszczą one lub zaburzają stan środowiska naturalnego.

Jednym z niedawnych pomysłów jest uczestnictwo Polski w litewsko-łotewsko-estońskim projekcie budowy elektrowni atomowej na Litwie. Jednakże powodzenie tego projektu jako inwestycji czterech państw stoi pod znakiem zapytania, stąd najprawdopodobniej Polska ostatecznie nie weźmie udziału w projekcie. Co więcej – koszty związane z energetyką jądrową są tak duże, a polskie społeczeństwo na tyle przeciwne budowie nowych elektrowni, że szanse na umieszczenie w najbliższych kilkunastu latach na terenie naszego kraju pierwszych komercyjnych reaktorów są minimalne. Wydaje się, że wszystkie większe inwestycje w kolejnych latach będą skoncentrowane na przystosowaniu wewnętrznej państwowej infrastruktury do organizacji Euro 2012, co skutecznie oddala perspektywę powstania nowoczesnych elektrowni. Oznacza to równocześnie, że jak na razie jedynym polskim akcentem na światowej mapie energetyki jądrowej pozostaną bogate złoża uranu i stare sudeckie kopalnie tego surowca. Niedawno zgodę na ich reaktywację uzyskała australijska firma Wildhorse Energy. Pytanie, czy polski uran będzie kiedyś wykorzystywany w elektrowniach na terenie naszego kraju, pozostaje jednak otwarte.

Marcin Karbowniczek