Twoja wyszukiwarka

ANDRZEJ Z. HRYNKIEWICZ
CZY POLSKA POTRZEBUJE ENERGETYKI JĄDROWEJ
Wiedza i Życie nr 11/1996
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 11/1996

Obiektywna odpowiedź na postawione w tytule pytanie wymaga analizy sytuacji energetycznej Polski i rzetelnych informacji o źródłach energii możliwych do wykorzystania.

Energia pierwotna, finalna i użytkowa
Roczne zużycie energii na jednego mieszkańca w Polsce i w OECD
Struktura zużycia energii finalnej [%]
Jednostki energii i mocy
Porównanie paliw
Kraje, w których ponad 10% energii elektrycznej pochodzi z elektrowni jądrowych
Reaktory energetyczne w byłym ZSRR i w krajach Europy Środkowo-Wschodniej

Często wyrażana jest opinia, że w krajach wysoko rozwiniętych, dzięki wprowadzaniu nowych energooszczędnych technologii i różnym innym akcjom poszanowania energii, popyt na nią ustabilizował się, a nawet spada. Polska powinna więc wzorować się na nich i problem energetyki mielibyśmy rozwiązany. Ci, którzy tak twierdzą, zapominają jednak, że mowa jest o popycie na energię pierwotną, a nie finalną - dostarczaną konsumentom.

To, że energia elektryczna jest najcenniejszą postacią energii finalnej, że jest ekologicznie czysta, że łatwo ją przesyłać i przetwarzać w różne postacie energii użytkowej rozumie cały świat. Nic więc dziwnego, że zapotrzebowanie na nią wszędzie rośnie. W krajach rozwiniętych udział energii elektrycznej w energii finalnej wzrasta coraz szybciej. Wzrost produkcji energii elektrycznej w latach 1980-1990 wynosił średnio rocznie we Francji 5.0%, w Szwecji 4.3%, w Japonii 4.0%, w Norwegii 3.8%, w USA 2.8%, w Niemczech 1.6%, w Wielkiej Brytanii 1.1%. Średnio na świecie - 3.65%, przy czym średni roczny wzrost 3.4% w latach 1980-1984 zwiększył się w latach 1985-1990 do 3.9%.

Z przytoczonych danych wynika, że nawet przy ustabilizowanym wzroście zapotrzebowania na energię elektryczną na poziomie 3.5% rocznie wszystkie kraje świata w 2010 roku będą zużywały o 70% więcej energii elektrycznej niż obecnie.

Jak na tym tle wygląda sytuacja energetyczna Polski?

STAN POLSKIEJ ENERGETYKI

Całkowite roczne zużycie energii w przeliczeniu na jednego mieszkańca w Polsce nie różni się znacznie od krajów rozwiniętych. Tabela 1 pokazuje, jak wyglądamy na tle europejskich krajów OECD według danych z 1989 roku. Warto zauważyć, że od 1990 roku wielkości dotyczące Polski są niższe wskutek recesji gospodarczej.

Taka struktura jest dla Polski wyjątkowo niekorzystna; można ją nazwać kuriozalną w skali światowej. Ponad 37% energii dostarczanej do odbiorców stanowi węgiel. To znaczy, że oprócz węgla spalanego jako paliwo pierwotne w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych (gdzie przy wysokich nakładach finansowych można ograniczyć emisję pyłów, SO2 i NOx, ale nie CO2), olbrzymie jego ilości są zużywane w różnych gałęziach przemysłu, spalane w ponad milionie małych rozproszonych kotłowni i w 15 milionach indywidualnych pieców i kuchni węglowych. W 1994 roku w przemyśle paliwowo-energetycznym redukcja emisji szkodliwych gazów wyniosła zaledwie 2.9%, a globalna redukcja w przemyśle nie przekroczyła 26%. W przypadku rozproszonych kotłowni i indywidualnych palenisk praktycznie nie sposób ograniczyć tej emisji. Tymczasem źródła te są odpowiedzialne za emisję 25% SO2. Zwalczyć tę tzw. niską emisję rozprzestrzeniającą się lokalnie, przede wszystkim w miastach, można jedynie przez zmianę struktury energii finalnej, przez zastąpienie węgla energią elektryczną i gazem ziemnym. Zwróćmy uwagę, że w krajach europejskich OECD węgiel stanowi tylko 8.7% energii finalnej i jego udział stale maleje.

ELEKTROENERGETYKA W POLSCE

Produkcja energii elektrycznej w Polsce jest na żenująco niskim poziomie. W 1993 roku wynosiła 3480 kWh na jednego mieszkańca, co plasuje nas niemal na końcu listy krajów naszego kontynentu. Z europejskich członków OECD gorsi są od nas pod tym względem tylko Grecy i Portugalczycy, ale tłumaczy ich inna strefa klimatyczna. Mniej od nas energii elektrycznej mają również mieszkańcy Chorwacji, Mołdawii, Rumunii i Węgier. Dla porównania warto podać, że produkcja energii elektrycznej na jednego mieszkańca w 1993 roku wyniosła w Niemczech 6670, we Francji 8060, w USA 11 170, w Kanadzie 18 320, a w Norwegii 27 430 kWh.

Moc zainstalowana w elektrowniach zawodowych w Polsce wynosiła w grudniu 1994 roku 29 980 MW(e), w tym moc elektrowni węglowych 93.3%, a wodnych zaledwie 6.7%. Oparcie produkcji energii elektrycznej na spalaniu węgla i olbrzymi jego udział w energii finalnej powoduje, że Polska jest jednym z najbardziej zanieczyszczonych krajów świata. Emisja 4300 tys. ton SO2 w 1987 roku sytuowała nas na drugim po ZSRR miejscu na liście krajów europejskich. Obecnie zmalała do 2650 tys. ton, ale przyczyną tego jest recesja gospodarcza, a nie budowa instalacji oczyszczających gazy odlotowe. Jeżeli nie chcemy zostać jednym z najbardziej zacofanych i zanieczyszczonych krajów Europy, to węgiel jako postać energii finalnej musi być zastąpiony przez inne jej formy - najlepiej przez energię elektryczną.

Do 2010 roku zużycie energii elektrycznej w Polsce powinno wzrosnąć co najmniej dwukrotnie, czyli przynajmniej do 7000 kWh rocznie na jednego mieszkańca. Nawet gdyby udało się to osiagnąć, to i tak będziemy w ogonie rozwiniętych krajów europejskich, których mieszkańcy będą wtedy zużywać średnio 1.5 raza więcej.

Jeżeli przyjmiemy, że do tego czasu trzeba podwoić zaopatrzenie kraju w energię elektryczną, to moc zainstalowana w polskich elektrowniach powinna wzrosnąć o 30 000 MW(e). Należy przy tym wziąć pod uwagę smutny fakt, że znaczna część naszych elektrowni węglowych pilnie wymaga kapitalnych remontów. Bilans przedsięwzięć w polskiej elektroenergetyce prowadzi do wniosku, że zakończenie budowy elektrowni cieplnej "Opole" i szczytowo-pompowej elektrowni wodnej "Młoty" zaledwie skompensuje wycofywane moce i bez budowy nowych moc zainstalowana nie zmieni się do 2000 roku.

Już w najbliższych latach musimy wobec tego rozpocząć budowę nowych elektrowni, aby do 2010 roku osiągnąć zainstalowaną moc 60 000 MW(e). Jakie elektrownie budować? Jeśli pominiemy niepoważne projekty oparcia polskiej elektroenergetyki na bateriach słonecznych, wiatrakach lub spalaniu słomy i jeśli uwzględnimy fakt, że niestety nasze nizinne rzeki nie mogą stanowić znaczącego źródła energii elektrycznej, to jesteśmy skazani na elektrownie cieplne i trzy rodzaje paliw: węgiel, gaz ziemny i paliwo jądrowe.

WĘGIEL

Polska leży na węglu, to nasze "czarne złoto", jednak koszt jego wydobycia rośnie. Musimy eksploatować coraz głębsze pokłady ze wszystkimi tego konsekwencjami dla życia ludzkiego oraz środowiska naturalnego. Spalaniu węgla towarzyszy emisja pyłów i szkodliwych gazów. W przypadku braku urządzeń oczyszczających spalenie 1 mln ton węgla kamiennego średniej jakości powoduje emisję około 20 000 t pyłów, 35 000 t SO2, 6000 t NOx, a także 2 mln ton CO2, którego nie potrafimy się pozbyć. Poza tym na wysypiska trafia około 300 000 ton popiołów. W Polsce w 1994 roku spaliliśmy 108 mln ton węgla kamiennego, w tym 32 mln ton w piecach domowych oraz lokalnych kotłowniach; ponadto 66 mln ton węgla brunatnego, który jest źródłem kilkakrotnie większej ilości popiołów niż węgiel kamienny. O ile pyły usuwano w 97%, to całkowita redukcja szkodliwych gazów wynosiła tylko 25%, a w przypadku przemysłu paliwowo-energetycznego nie przekraczała 3%.

Największym zagrożeniem środowiska jest emisja dwutlenku siarki i tlenków azotu powodująca kwaśne deszcze, które niszczą życie w akwenach, dewastują olbrzymie obszary lasów i powodują korozję konstrukcji metalowych i niszczenie budynków. Roczne straty z tego powodu w Europie sięgają wielu miliardów dolarów. Nie do oszacowania są ogromne straty spuścizny kulturalnej - zniszczone pomniki, rzeźby i budowle, w szczególności z piaskowca oraz marmuru. A jak wycenić straty na zdrowiu?

Wydobycie 3 mln ton węgla spalanych rocznie w elektrowni o mocy 1000 MW(e) powoduje średnio śmierć 3 górników pod ziemią, a podczas jego transportu również zdarzają się wypadki śmiertelne. Można powiedzieć, że jest to ryzyko zawodowe. Ile jednak osób umiera rocznie z powodu zanieczyszczenia środowiska produktami spalania węgla? Według danych zebranych w różnych krajach szacuje się, że typowa elektrownia węglowa o mocy 1000 MW(e) powoduje przedwczesną śmierć 100-500 osób rocznie. Liczba zgonów zależy od wielu czynników, takich jak jakość spalanego węgla, stopień oczyszczania spalin, gęstość zaludnienia w pobliżu elektrowni i warunki meteorologiczne. W USA liczbę ofiar śmiertelnych energetyki węglowej ocenia się na 25 000, a w Wielkiej Brytanii na 2000 rocznie. Największe masowe zatrucia spalinami wydarzyły się w Dolinie Mozy (Belgia, 1952 r.), w Donora (Pensylwania, 1948 r.), w Londynie (1952 r.) oraz w Nowym Jorku (lata 1953, 1963, 1966). W Londynie w grudniu 1952 roku z powodu szczególnie niekorzystnych warunków meteorologicznych (inwersja temperatury), w ciągu kilku dni zmarło 3900 osób.

O szkodliwości tlenków azotu wiedziano od dawna. W szczególności znana była zależność między jego stężeniem a zachorowalnością na nowotwory złośliwe. Dopiero stwierdzenie rakotwórczych nitrozoamin w powietrzu miast o dużym ruchu samochodowym wyjaśniło tę zależność.

Elektrownia jądrowa wytwarza więcej ciepła odpadowego niż konwencjonalna, toteż zużywa więcej wody chłodzącej

Usuwanie pyłów, dwutlenku siarki i tlenków azotu ze spalin elektrowni węglowych jest koniecznym warunkiem ratowania ludzkiego zdrowia i środowiska naturalnego. Stanowi najważniejszy i najbardziej palący problem energetyki światowej. Do usuwania pyłów najczęściej stosuje się elektrofiltry. Technologia usuwania pyłów została opanowana i powinna być powszechnie stosowana. Odsiarczanie spalin jest trudniejsze i droższe. Szczególnie kosztowne jest instalowanie urządzeń usuwających szkodliwe gazy w starych, od lat pracujących elektrowniach oraz elektrociepłowniach. Koszty instalacji oczyszczających, ich eksploatacja i usuwanie ubocznych produktów, na przykład gipsu, trzeba uwzględnić porównując ceny energii elektrycznej otrzymywanej z różnych paliw. Warto przy tym pamiętać, że oczyszczanie gazów odlotowych nie dotyczy dwutlenku węgla, którego emisja grozi, jak powszechnie wiadomo, przykrymi konsekwencjami w skali globalnej.

Często mówi się i pisze o innych niż oczyszczanie spalin sposobach zmniejszania szkodliwości energetyki węglowej. Jednym z nich jest przedprocesowe oczyszczanie węgla. Można w tym celu stosować udoskonaloną flotację, oczyszczanie chemiczne lub mikrobiologiczne. Drugi sposób to zastosowanie nowoczesnych technologii spalania, do których należą spalanie fluidalne lub cyklonowe. Daleko jednak do tego, żeby je można było u nas wprowadzić.

Warto również przypomnieć, że spalony węgiel zawiera znaczne domieszki substancji radioaktywnych, w szczególności uranu i toru. W 1 mln ton węgla znajduje się około 1 t 238U i 2 t 232Th, które w procesie spalania wydostają się do atmosfery lub powodują skażenie otoczenia siłowni węglowej. Należy także pamiętać, że wydobyciu węgla towarzyszy wypompowywanie kolosalnych ilości wód kopalnianych zawierających sole różnych szkodliwych pierwiastków, między innymi radu. Z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego do zlewni Wisły oraz Odry odprowadza się dziennie około 1 mln m3 tych wód.

GAZ ZIEMNY

Gaz ziemny jest paliwem znacznie droższym od węgla, ale równocześnie o wiele czystszym ekologicznie. Budowa elektrowni gazowych trwa krócej i wymaga mniejszych nakładów niż elektrowni węglowych. Sprawność elektrowni gazowo-parowych jest prawie o 20% wyższa i wobec tego mniejsze jest zużycie wody niezbędnej do chłodzenia. W porównaniu z elektrownią węglową emisja szkodliwych substancji przez elektrownię gazową - przy wytwarzaniu tej samej ilości energii elektrycznej - jest mniejsza: CO2 o 50%, SO2 o 99.9%, NOx o 75%, pyłów o 99.6%.

Oparcie rozwoju polskiej elektroenergetyki na gazie ziemnym wymagałoby kilkakrotnego zwiększenia jego importu

Niestety, krajowe zasoby gazu ziemnego są nieduże. Maksymalne wydobycie w 1970 roku wyniosło 7.5 mld m3. W 1994 roku wydobyliśmy 4.6 mld m3 gazu, w tej ilości gaz wysokometanowy stanowił tylko 42%. Z Rosji importowaliśmy 5.8 mld m3. Zużycie bezpośrednie wyniosło 9.3 mld m3, z czego połowę spaliliśmy w gospodarstwach domowych. Z liczb tych wynika, że oparcie rozwoju polskiej elektroenergetyki na gazie ziemnym wymagałoby kilkakrotnego zwiększenia jego importu. W tym kontekście należy zwrócić uwagę na problem energetycznego bezpieczeństwa kraju. Umowa z Rosją o budowie przez Polskę tranzytowego rurociągu z półwyspu Jamal do Europy Zachodniej stworzy możliwość otrzymywania rocznie 14 mld m3 gazu ziemnego. Cały polski import gazu będzie więc pochodził z Rosji, toteż rozbudowa polskiej elektroenergetyki opartej jedynie na elektrowniach gazowych uzależniłaby Polskę od władz na Kremlu. Możemy się pocieszać, że przez rurociąg gaz może płynąć w obie strony, ale w przypadku odcięcia dostaw z Rosji wątpię, czy Europa Zachodnia zechce dzielić się z nami gazem pochodzącym z innych źródeł.

PALIWO JĄDROWE

Paliwo jądrowe w postaci wzbogaconego 238U w uran 235 jest tanie i można je sprowadzać z kilkunastu źródeł na świecie. Energetyka jądrowa jest proekologiczna, gdyż nie wytwarza pyłów ani szkodliwych dla środowiska gazów, a drobne ilości substancji radioaktywnych uwalniane w czasie pracy reaktora są zaniedbywalnie małe w porównaniu z ilościami naturalnych pierwiastków promieniotwórczych rozsianych w naszym otoczeniu. Budowa elektrowni jądrowych to stosunkowo kosztowna inwestycja i trwa długo, a inwestor musi się liczyć z ryzykiem, że opór społeczeństwa może spowodować wstrzymanie budowy, a nawet rezygnację z wykorzystania gotowego obiektu, jak to się stało na przykład w Austrii.
Schemat elektrowni jądrowej: 1. Hermetyczna osłona budynku reaktora, 2. Hala maszyn, 3. Chłodnia kominowa, 4. Komin wentylacyjny, 5. Sterownia, 6. Zapas świeżego paliwa, 7. Basen z wodą do składowania zużytego paliwa, 8. Kanał odprowadzający zużyte paliwo, 9. Basen transferowy zużytego paliwa, 10. Reaktor, 11. Pręty paliwowe, 12. Pręty regulacyjne, 13. Maszyna do załadunku i wyładunku paliwa, 14. Suwnica dźwigu, 15. Pierwsza hermetyczna osłona bezpieczeństwa, 16. Basen dekompresyjny, 17. Śluza dla personelu, 18. Rurociągi z parą wodną, 19. Rurociągi z wodą chłodzącą reaktor, 20. Turbina wysokociśnieniowa, 21. Turbina niskociśnieniowa (trójstopniowa), 22. Separator wody - przegrzewacz pośredni, 23. Zbiornik wody dla reaktora, 24. Kondensor pary wodnej, 25. Rurociąg z wodą chłodzącą kondensor, 26. Rurociąg do chłodni kominowej, 27. Rurociąg z chłodni kominowej, 28. Stacja pomp chłodni kominowej, 29. Ujęcie wody z rzeki, 30. Alternator, 31. Transformator

Społeczna akceptacja to najważniejszy problem energetyki jądrowej. Wiążą się z nim dodatkowe koszty i przedłużająca się budowa elektrowni, co tym samym jeszcze bardziej je zwiększa. W krajach takich jak Francja, gdzie energetyka jądrowa jest powszechnie akceptowana, elektrownie jądrowe budowane są szybko, co sprawia, że wygrywają bez trudu konkurencję z elektrowniami innych typów.

Dalszą część artykułu poświęcę wyjaśnieniu najważniejszych spraw, które zdaniem przeciwników dyskwalifikują energetykę jądrową. Zacznę jednak od przedstawienia obecnego stanu energetyki jądrowej na świecie.

Dziś energetyka jądrowa pokrywa 5.5% światowego zapotrzebowania na energię, a 17% na energię elektryczną. W 31 krajach świata pracują 432 reaktory energetyczne o łącznej mocy 340 343 MW(e). W budowie jest 48 reaktorów o mocy 38 900 MW(e). Doświadczenie eksploatacyjne energetyki jądrowej wyraża się liczbą 7330 reaktorolat. Najwięcej reaktorów energetycznych pracuje w USA - 109 o mocy 99 GW(e). Na drugim miejscu jest Francja z 56 reaktorami o łącznej mocy 58.6 GW(e). Najwięcej nowych elektrowni jądrowych budują obecnie "tygrysy" gospodarcze Dalekiego Wschodu: Korea Południowa oraz Japonia.

Najbardziej rozpowszechnionymi reaktorami energetycznymi są reaktory typu PWR (Pressurized Water Reactor), w których woda pod ciśnieniem spełnia rolę moderatora neutronów i chłodziwa w obiegu pierwotnym. Zaprojektowane w ZSRR reaktory WWER (Wodno-Wodiannoj Energeticzeskij Reaktor), które miały być zainstalowane w Żarnowcu, są reaktorami tego typu. Ich parametry są bardzo zbliżone do reaktorów we Francji i w USA. Różnica polega na tym, że zachodnie reaktory PWR mają hermetyczną obudowę bezpieczeństwa, najczęściej w postaci charakterystycznej kopuły lub cylindra. W nowszych reaktorach WWER jako system przeciwawaryjny stosuje się wieżę likwidacji nadciśnienia. Oprócz reaktorów PWR, których udział w energetyce świata stanowi 60%, drugim najbardziej rozpowszechnionym typem reaktorów energetycznych są reaktory BWR (Boiling Water Reactor). Ich udział wynosi 24%.

Nasze środki masowego przekazu, a także liczni działacze ekologiczni, mylą reaktory wodne ciśnieniowe WWER z również zaprojektowanymi w byłym ZSRR grafitowymi reaktorami RBMK (Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj - reaktor kanałowy wielkiej mocy), które, jak wykazała katastrofa w Czarnobylu w 1986 roku, są reaktorami niebezpiecznymi. Reaktory tego typu nie były instalowane nigdzie poza byłym ZSRR, gdyż nie spełniają warunków bezpieczeństwa wymaganych w innych krajach ( ramka poniżej).

ENERGETYKA I BROŃ JĄDROWA

Bomby atomowe, które zniszczyły Hiroszimę i Nagasaki, próbne wybuchy bomb atomowych i wodorowych oraz poligony jądrowe są przez ludzi kojarzone z energetyką jądrową. Bardzo trudno jest to wykorzenić. Po pierwsze, ludzie nie zdają sobie sprawy z różnicy między paliwem jądrowym reaktorów energetycznych, którego wzbogacenie w rozszczepialny uran 235 jest rzędu kilku procent, a materiałem bomb jądrowych, gdzie to wzbogacenie wynosi powyżej 90%. W związku z tym paliwo reaktora nie może wybuchnąć jak bomba. Po drugie, za promieniotwórcze skażenia środowiska wywołane próbnymi wybuchami jądrowymi lub towarzyszące wydobywaniu plutonu z paliwa reaktorów wojskowych odpowiedzialne są militarne zastosowania energii jądrowej, które z energetyką cywilną mają tylko tyle wspólnego, że wykorzystują ten sam fizyczny proces rozszczepienia uranu lub plutonu.

Można powiedzieć, że całe zło przypisywane energetyce jądrowej wiąże się z bronią jądrową. W warunkach tajności, którą otoczone są działania wojskowe, w pośpiechu współzawodnictwa w produkcji głowic jądrowych, w totalitarnym imperium sowieckim (ale nie tylko) duże obszary kraju w okolicach poligonów jądrowych w Czelabińsku, Semipałatyńsku i na Nowej Ziemi oraz wód basenu Morza Północnego zostały skażone wskutek beztroskiego składowania, odprowadzania do rzek i jezior odpadów z zakładów jądrowych oraz pozbywania się zużytych reaktorów okrętów atomowych.

Należy również zdawać sobie sprawę z tego, że reaktory RBMK, a więc typu czarnobylskiego, w początkowym zamyśle były reaktorami do produkcji plutonu militarnego, choć nigdy do tego celu nie były wykorzystywane. Ich cechą jest możliwość ciągłej wymiany prętów paliwowych, co pozwala optymalizować stopień ich wypalenia tak, żeby uzyskać pluton najlepiej nadający się do produkcji broni jądrowej.

W świetle tych faktów przypisywanie energetyce jądrowej wszelkiego zła, będącego skutkiem wojskowych zastosowań nukleoniki, jest zwykłym nadużyciem. To tak, jakby ktoś domagał się całkowitej likwidacji przemysłu chemicznego na świecie, motywując to produkcją m.in. materiałów wybuchowych i trujących substancji.

AWARIE REAKTORÓW

W reaktorze energetycznym, o czym już wspominałem, nie może nastąpić wybuch jądrowy. Nie może rozwinąć się tak szybko przebiegająca łańcuchowa reakcja rozszczepienia, jak to ma miejsce w bombie atomowej. Przyczyną jest małe wzbogacenie paliwa jądrowego w rozszczepialny 235U. W naturalnym uranie jest go 0.7%, w paliwie reaktorowym rzadko więcej niż 4%, natomiast w bombie atomowej znacznie powyżej 90%. Żadne zmiany konfiguracji elementów paliwowych w reaktorze, żadna akcja terrorystyczna, żadna katastrofa niszcząca budynek reaktora nie może spowodować wybuchu jądrowego. Jest to po prostu sprzeczne z prawami fizyki. Zdarzają się jednak awarie reaktorów energetycznych, z których najgroźniejsze polegają na uszkodzeniu rdzenia reaktora, co może doprowadzić do wydostania się substancji promieniotwórczych do otoczenia.

Tylko dwie awarie w elektrowniach jądrowych doprowadziły do zniszczenia rdzenia reaktora. Nastąpiło to w elektrowni Three Mile Island w Pensylwanii w marcu 1979 roku i w Czarnobylu, w kwietniu 1986 roku. Warto powtórzyć, że reaktor RBMK w Czarnobylu miał być w swym założeniu reaktorem nie tylko energetycznym, ale również wytwarzać pluton dla celów wojskowych.

Porównanie obu awarii pokazuje, jak bezpieczna jest energetyka jądrowa oparta na reaktorach PWR. Mimo że w obu przypadkach, wskutek uszkodzenia pierwotnego obiegu chłodzenia, został stopiony rdzeń reaktora, w Three Mile Island reaktor typu PWR został zniszczony, ale awaria nie zagroziła okolicznym mieszkańcom. Nie doszło do rozerwania obudowy przez parę wodną, ani nie nastąpił wybuch wodoru, który wydzielił się w wyniku reakcji z wodą cyrkonowych koszulek paliwa rozgrzanych do wysokiej temperatury. Trzech operatorów otrzymało dawki w granicach 31-38 mSv, a 12 osób obsługi podwyższone dawki, ale nie przekraczające 10 mSv.

Zupełnie inny przebieg miała podobna awaria grafitowego reaktora RBMK w Czarnobylu. Pożar 1500 t grafitu i wybuch chemiczny spowodowały wyrzucenie do atmosfery ponad 1.9 x 1018 Bq (50 mln Ci)* substancji promieniotwórczych. Skażenie radioaktywne dużych terenów Ukrainy i Białorusi wymagało ewakuacji około 200 tys. mieszkańców, a skażenie atmosfery można było wykryć we wszystkich krajach Europy (patrz: Jak to z Czarnobylem było, "WiŻ" nr 5/1996).

BEZPIECZNE REAKTORY JĄDROWE NOWYCH GENERACJI

Technologia reaktorów PWR jest uważana za jedno z najbezpieczniejszych rozwiązań przemysłowych na świecie, a elektrownie w nie wyposażone należą dziś do najbezpieczniejszych obiektów technicznych. Tej opinii nie zmienił, a raczej ją potwierdził, przebieg awarii w Three Mile Island. Mimo to stale prowadzone są prace nad obniżeniem ryzyka awarii. Powstają nowe generacje reaktorów, w których żadna awaria nie może doprowadzić do rozszczelnienia elementów paliwowych, a więc spowodować wydostanie się na zewnątrz substancji promieniotwórczych. System bezpieczeństwa reaktora powinien samoczynnie spełniać dwa zadania: niezawodnie wyłączać reaktor, gdy pojawiają się odstępstwa od normalnej pracy oraz niezawodnie schłodzić rdzeń po wyłączeniu reaktora. Opracowywane są różne systemy zabezpieczające, oparte na prawach fizyki dotyczących na przykład grawitacji lub konwekcji, które działają bezbłędnie bez potrzeby ingerencji człowieka.

Projektowaniem reaktorów inherentnie (naturalnie) bezpiecznych zajmowano się od dawna w Kanadzie, USA i w Niemczech. Ostatnio nowe projekty powstają w Wielkiej Brytanii, Japonii i Rosji. Nowe reaktory będą mieć również uproszczoną konstrukcję, co ma doprowadzić do obniżenia kosztów inwestycyjnych i skrócić czas budowy, a także przyspieszyć procesy legislacyjne. Nowa generacja inherentnie bezpiecznych reaktorów dużej mocy istnieje na razie na różnych etapach projektowania i konstrukcji. Niebawem poświęcę temu zagadnieniu odrębny artykuł w "Wiedzy i Życiu".

ENERGETYKA JĄDROWA A ŚRODOWISKO

Normalnie pracująca elektrownia jądrowa nie produkuje popiołów ani pyłów i nie wydala gazów spalinowych. Wprowadza do środowiska mniejsze ilości substancji radioaktywnych niż elektrownia węglowa i to głównie w postaci nie reagujących chemicznie gazów szlachetnych 85Kr i 133Xe. Oprócz energii elektrycznej produkuje, jak każda elektrownia, ciepło odpadowe. Jest to czysta energetyka, prawie zupełnie nieszkodliwa dla środowiska. Elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW(e) zużywa około 80 kg uranu dziennie, a rocznie produkuje około 30 t wysokoradioaktywnych odpadów w postaci zużytego paliwa, którego zabezpieczenie i przechowywanie wzbudza wiele emocji nie tylko wśród laików.

Sprawność przetwarzania energii cieplnej w elektryczną w elektrowniach węglowych dochodzi do 39%, podczas gdy w elektrowniach jądrowych jest niższa i wynosi około 30%. Zależy to przede wszystkim od temperatury i ciśnienia pary poruszającej turbiny. Różnica nie jest duża i w obu przypadkach, jeżeli siłownia wytwarza tylko energię elektryczną, około 2/3 przetwarzanej energii pierwotnej to ciepło odpadowe. Najlepiej zużyć je w innych procesach technologicznych lub do ogrzewania pomieszczeń. Dlatego budowane są elektrociepłownie, które są dużo bardziej ekonomiczne.

Na przykładzie Francji widać najwyraźniej, że rozwój energetyki jądrowej sprzyja środowisku. Wzrostowi produkcji elektryczności towarzyszył związany z tym procesem spadek emisji dwutlenku siarki

Dotychczas elektrociepłownie są głównie domeną energetyki opartej na spalaniu konwencjonalnych paliw kopalnych, gdyż ciepło z elektrowni jądrowych, budowanych ze względów bezpieczeństwa dużo dalej od miast, trudniej wykorzystać w ciepłownictwie komunalnym. Projektowane i już realizowane w różnych krajach reaktory jądrowe inherentnie bezpieczne znajdą w niedalekiej przyszłości zastosowanie w ciepłownictwie. Reaktory małej mocy będą prawdopodobnie używane do ogrzewania poszczególnych dzielnic w miastach i skutecznie zastąpią, tak uciążliwe dla środowiska, dzielnicowe ciepłownie węglowe lub olejowe. Na razie, zanim to nastąpi, energetyka jądrowa wytwarza więcej ciepła odpadowego niż energetyka konwencjonalna. By je odprowadzić, elektrownia jądrowa zużywa wiecej wody chłodzącej niż konwencjonalna, ale różnica nie przekracza 50%.

Zagrożenie radiologiczne, spowodowane emisją do atmosfery substancji radioaktywnych, którym często szermują przeciwnicy energetyki jądrowej, jest mocno przesadzone. W reaktorach energetycznych typu PWR (z wodą pod ciśnieniem), takich które pracują w większości elektrowni jądrowych na świecie i które miały być zainstalowane w Polsce, istnieją 4 bariery zabezpieczające przed uwalnianiem się substancji radioaktywnych. Oszacowano, że normalnie pracująca elektrownia jądrowa o mocy 1000 MW(e) wprowadza rocznie do otoczenia nie więcej niż 5.9 x 1014 Bq (1.6 x 104 Ci) gazów szlachetnych (85Kr i 133Xe) oraz 5.6 x 109 Bq (0.15 Ci) jodu. Uwzględniając maksymalne dopuszczalne stężenie tych radionuklidów w powietrzu, objętość powietrza potrzebna do ich rozcieńczenia do poziomu dopuszczalnego wynosi 5.5 x 1010 m3. Warto podać dla porównania, że objętość powietrza potrzebna, by rozcieńczyć do dopuszczalnego poziomu stężenie dwutlenku siarki wydzielanego rocznie w gazach odlotowych elektrowni węglowej takiej samej mocy wynosi 4.3 x 1015 m3, a więc jest prawie 100 000 razy większa.

UNIESZKODLIWIANIE I SKŁADOWANIE ODPADÓW RADIOAKTYWNYCH

Głównym problemem związanym z ochroną środowiska, podnoszonym przez przeciwników energetyki jądrowej, jest unieszkodliwianie i składowanie odpadów promieniotwórczych.

Odpady towarzyszące produkcji przemysłowej stają się zmorą ludzkości. W Polsce stałych odpadów przemysłowych, uciążliwych dla środowiska, w 1995 roku było 123 mln ton, a nagromadzonych odpadów ponad 1.9 mld ton. Zawierają one wiele toksycznych (m.in. rakotwórczych) związków chemicznych i ciężkich metali. Szkodliwe substancje wymywane przez deszcze przedostają się do wód powierzchniowych i gruntowych, dewastują środowisko oraz zagrażają zdrowiu i życiu ludzi. Objętość nieoczyszczonych ścieków przemysłowych i komunalnych odprowadzonych w 1995 roku do wód powierzchniowych przekroczyła 1 mld m3. Większość tych odpadów jest traktowana beztrosko, bez żadnych zabezpieczeń. Na tym tle zestalone w betonie lub bitumie (asfalcie) i zamknięte w metalowych beczkach nisko i średnioaktywne odpady promieniotwórcze stanowią nieistotne zagrożenie. Ludzi jednak przeraża fakt, że są to odpady promieniotwórcze. Wielu osobom wydaje się, że energetyka jądrowa wprowadza do środowiska szczególnie groźny, nowy, poprzednio nie spotykany element. Jest to całkowicie błędne przekonanie.

Rozpiętość dawek promieniowania jonizującego, jakie ludzie otrzymują od naturalnych źródeł radioaktywnych, jest bardzo duża. Na terenach o podłożu granitowym, a więc na przykład w Skandynawii, roczne dawki są kilkakrotnie wyższe niż w innych częściach Europy. W stanach Kerala i Madras, w Indiach, wskutek obecności skał monacytowych moce dawek są kilkadziesiąt razy większe niż gdzie indziej. Ludzie są zaskoczeni, jeżeli im uświadomić, że w skorupie ziemskiej występuje 61 naturalnych nuklidów promieniotwórczych, a ponad 20 dalszych jest wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne. Należą do nich 43 nuklidy szeregów promieniotwórczych 238U (18), 232Th (11) i 235U (14) oraz 18 innych naturalnych izotopów promieniotwórczych, z których najbardziej rozpowszechnionymi są 40K i 87Rb. W ciele każdego człowieka znajduje się promieniotwórczy 40K o aktywności około 3500 Bq, co znaczy, że w ciągu każdej sekundy w ciele ludzkim następuje 3500 rozpadów 40K. Coraz więcej jest doniesień naukowych skłaniających do przekonania, że małe dawki promieniowania jonizującego nie tylko nie są szkodliwe, ale wręcz korzystne dla organizmu. Jest to zjawisko zwane hormezą radiacyjną. (Wkrótce opublikujemy artykuł na ten temat - przyp. red.).

Największy udział w dawkach promieniowania, otrzymywanych z naturalnych źródeł, wnosi 226Ra i jego pochodne, m.in. 222Rn. 226Ra, którego aktywność właściwa jest 59 razy większa od aktywności właściwej osławionego 239Pu, występuje w różnych ilościach w skałach i gruntach. Średnio w 1 kg skorupy ziemskiej aktywność 226Ra wynosi 26 Bq. Łatwo obliczyć, że w Polsce, w warstwie powierzchniowej o grubości 500 m znajduje się około 300 ton czystego radu (7 x 1015 Bq) . Ten rozproszony rad nie jest niczym zabezpieczony, a ponieważ znajduje się w równowadze radioaktywnej z uranem jego ilość jest stała, nie ubywa w czasie. I jakoś nikt się tym nie przejmuje.

ELEKTROWNIE JĄDROWE W EUROPIE

Nikomu również nie spędzają snu z powiek ilości uranu i toru zawarte w spalanym w Polsce węglu. W spalanych rocznie około 170 mln ton węgla kamiennego i brunatnego znajduje się około 500 ton uranu i toru łącznie, które są usuwane na wysypiska w popiołach lub wydmuchiwane do atmosfery w postaci pyłu. Groźnym produktem rozpadu 226Ra jest radon 222Rn, gaz szlachetny o czasie połowicznego zaniku 3.82 doby, który wydostaje się z gleby i materiałów zawierających ślady uranu, a więc m.in. z materiałów budowlanych. Od rodzaju użytych materiałów i charakteru podłoża zależy stężenie radonu w naszych mieszkaniach. Brak wymiany powietrza z otoczeniem znacznie je zwiększa. Wdychane 222Rn i pyły zawierające promieniotwórcze produkty jego rozpadu stanowią główny udział w naturalnej dawce promieniowania otrzymywanego przez ludzi.

Warto zwrócić uwagę na inny aspekt zanieczyszczenia węgla pierwiastkami radioaktywnymi. Moc dawki otrzymywanej przez górników w kopalniach węgla jest tylko 10 razy mniejsza od dawki w kopalni rudy uranu. Ponieważ taki sam efekt energetyczny otrzymuje się z 50 razy mniejszej masy rudy uranu niż węgla, górnictwo węglowe niesie pięciokrotnie większe zagrożenie promieniotwórczością niż kopalnie rudy uranu.

Mało kto wie, że reaktor jądrowy działający na zasadzie rozszczepienia jąder uranu 235 przez neutrony, jest nie tylko wynalazkiem człowieka. W 1972 roku stwierdzono, że w odkrywkowej kopalni uranu Oklo w Gabonie są szczątki naturalnych reaktorów sprzed 2 mld lat. Zawartość uranu 235 w naturalnym uranie była wówczas o wiele wyższa niż obecnie ze względu na różnicę czasów rozpadu 238U (4.5 mld lat) oraz 235U (0.7 mld lat), toteż w bogatej rudzie uranowej, w odpowiednich warunkach geologicznych mogła być zainicjowana łańcuchowa reakcja rozszczepienia. Ocenia się, że naturalnych reaktorów w Oklo było co najmniej sześć, działały w ciągu kilkuset tysięcy lat i wyprodukowały w tym czasie około 15 GWlat energii, zużywając 6 ton 235U. Fakt, że po 2 mld lat znaleziono szczątki naturalnych reaktorów, a więc produkty rozszczepienia nie rozproszyły się, mimo działania różnych naturalnych procesów, jest przekonującym dowodem, że przez całe epoki geologiczne zużyte paliwo jądrowe pozostaje w tym samym miejscu, mimo braku jakichkolwiek zabezpieczeń. To szczególnie ważna obserwacja, gdyż dotychczasowe doświadczenia z przechowywaniem przez kilkadziesiąt lat wyeksploatowanego paliwa reaktorowego trudno ekstrapolować na okresy geologiczne.

Wypalone paliwo jądrowe jest przechowywane przez około 10 lat w basenach wodnych na terenie elektrowni. W tym czasie znacznie maleje aktywność produktów rozszczepienia i ilość wydzielanego ciepła. Następnie zużyte paliwo może ulec przeróbce polegającej na odzyskaniu pozostałego w nim uranu oraz wytworzonego plutonu. Obecnie, wobec niskich cen uranu i wielkich zapasów broni jądrowej, taka przeróbka się nie opłaca, toteż paliwo jest składowane w suchych przechowalnikach w celu uniknięcia korozji, gdzie czeka na ewentualne zmiany na rynku paliw jądrowych. Dotychczas tylko w Szwecji, Kanadzie i w Szwajcarii podjęto decyzje o ostatecznym zagospodarowaniu wypalonego paliwa.

Najlepszym zabezpieczeniem wysokoaktywnych produktów rozszczepienia jest ich zeszklenie i umieszczenie w pojemnikach z nieoddziałujących chemicznie materiałów, które z kolei, otoczone warstwą gliny nie przepuszczającej wody są składowane na dużych głębokościach pod ziemią lub wewnątrz gór. Taka procedura sprowadza praktycznie do zera prawdopodobieństwo przedostania się substancji radioaktywnych do biosfery.

Należy pamiętać, że aktywność odpadów z energetyki jądrowej maleje stukrotnie w ciągu 600 lat, podczas gdy naturalne pierwiastki promieniotwórcze mają czas połowicznego rozpadu rzędu miliardów lat. Można powiedzieć, że w skali tysięcy lat energetyka jądrowa, zużywając uran, a w przyszłości również tor, będzie obniżać, a nie zwiększać zagrożenie ludzkości promieniowaniem jonizującym. Warto w tym miejscu jeszcze raz przypomnieć, że w popiołach usuwanych rocznie na wysypiska z elektrowni węglowej o mocy 1000 MW(e) znajduje się średnio ponad 3 tony uranu oraz około 7 ton toru i substancje te nie są w żaden sposób zabezpieczone.

WNIOSKI

Przedstawiona sytuacja energetyczna Polski prowadzi do wniosku, że pilnym problemem jest zastępowanie węgla, jako źródła energii finalnej, energią elektryczną i gazem ziemnym, co oznacza, że do 2010 roku należy co najmniej podwoić wytwarzanie energii elektrycznej oraz znacznie zwiększyć dostawy gazu ziemnego. Do tego czasu należy przeprowadzić modernizację elektrowni i elektrociepłowni węglowych, a przede wszystkim zainstalować systemy oczyszczania gazów odlotowych. Sprawność usuwania szkodliwych gazów powinna przy tym wzrosnąć z obecnych 3% do 80-90%. W przeciwnym razie presja sąsiednich krajów europejskich wynikająca z umów międzynarodowych dotyczących poszanowania środowiska naturalnego będzie tak wielka, że zostaniemy zmuszeni do rezygnacji z elektrowni węglowych.

Musimy budować elektrownie gazowe, a także gazowo-parowe, które są o wiele bardziej proekologiczne od węglowych. Niestety, ich funkcjonowanie zależeć będzie od importu gazu, co uzależni naszą energetykę od Rosji, jeżeli nie zapewnimy jego dostaw z innych rejonów świata.

Trzeba więc podjąć działania w sprawie budowy w Polsce pierwszej elektrowni jądrowej i opracować program dalszego rozwoju energetyki jądrowej.

W moim przekonaniu rozwój energetyki jądrowej i stopniowa likwidacja siłowni węglowych jest wariantem nie tylko najlepszym ze względów ekologicznych, ale również opłacalnym ekonomicznie. Te względy, jak również wyczerpywanie się zasobów paliw organicznych, spowodują, że XXI wiek będzie wiekiem energetyki jądrowej.

Jednak żaden z wariantów rozwoju energetyki nie może być wprowadzany w atmosferze nieufności do ekspertów i lęku sianego przez nieodpowiedzialne wystąpienia w środkach masowej informacji. Ludzie mający wpływ na politykę gospodarczą kraju muszą być w pełni świadomi konsekwencji podejmowanych decyzji i odpowiedzialności za błędy popełnione w tej sprawie. Dlatego niezbędna jest szeroka akcja uświadamiania społeczeństwa prowadzona przez najlepszych specjalistów w dziedzinach związanych z energetyką, z udziałem psychologów i socjologów oraz z uwzględnieniem strony etycznej zagadnienia.

ENERGIA PIERWOTNA, FINALNA I UŻYTKOWA

Użytkowymi formami energii, wykorzystywanymi przez konsumentów, są ruch mechaniczny, ciepło i światło. Można je uzyskać, przetwarzając nośniki energii pierwotnej, którymi są konwencjonalne paliwa energetyczne, często zwane kopalnymi paliwami organicznymi, paliwo jądrowe, energia geotermalna i odnawialne źródła energii.

Kopalne paliwa organiczne to węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa i gaz ziemny. Odnawialne źródła energii pierwotnej to energia promieniowania słonecznego i jej pochodne: energia wodna, wiatru, pływów i fal morskich, maretermalna i biomasy. W odróżnieniu od pierwotnej, energię dostarczaną konsumentowi nazywamy energią finalną, która na ogół jest inną postacią przetworzonej energii pierwotnej. Ale nie zawsze. Na przykład gaz ziemny może być zarówno pierwotnym, jak i finalnym nośnikiem energii, gdyż bywa dostarczany odbiorcom bez przetwarzania. Węgiel kamienny zaś przetwarza się na energię elektryczną lub koks i gaz koksowniczy, ale także używa jako nośnika energii finalnej, spalanego przez konsumentów w piecach i w paleniskach kuchennych.

Nie ulega wątpliwości, że energia elektryczna jest najcenniejszą postacią energii finalnej. Można ją przesyłać na znaczne odległości, a łatwość i sprawność jej przemian na różne formy energii użytkowej jest powszechnie znana. Żeby tę postać energii finalnej porównać z węglem kamiennym wystarczy zdać sobie sprawę z różnicy między toną węgla zsypanego do piwnicy a równoważną jej energią elektryczną 6500 kWh zaczerpniętą z gniazdka sieciowego. Proszę także porównać ilość wody, którą udaje się zagotować w ciągu 20 godzin za pomocą grzałki elektrycznej o mocy 500 W z ilością wody, którą zagotujemy, spalając pod płytą kuchenną 1.5 kg węgla.