Poland

Świat potrzebuje dużo energii. Rozwój technologiczny wymaga dziś znacznie więcej energii niż kiedykolwiek przedtem. Im większy PKB, tym większa produkcja i zużycie energii na mieszkańca, a im większa produkcja energii, tym dłuższe życie ludzi. Najbardziej typowa produkcja energii opiera się na spalaniu paliw kopalnych (drewno, węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny), ale te zasoby naturalne wkrótce się wyczerpią lub staną się nadmiernie drogie. Obecne szacunki wahają się od około 50 do 150 lat. Wcześniej czy później będziemy potrzebować innych form energii. Czy energia jądrowa może być odpowiedzią?

Wszystkie naturalne zasoby energii od energii geotermalnej, przez wiatrową po słoneczną są kosztowne. Ponadto z powodu niestabilności i czasowości wiatru i energii słonecznej, wymagają silnego wsparcia w postaci niezawodnych systemów energii podstawowej. Ważnym i tanim żródłem energii jest energia wodna. Może działać stabilnie jako system zasilania podstawowego, ale jej zasoby są ograniczone i w wielu krajach zostały do cna wyczerpane.

Mamy pod ręką świetne, bardzo wydajne (wydajniejsze od wszystkich innych!) żródło energii - energię jądrową. Obecnie około 16% energii elektrycznej produkowanej na całym świecie pochodzi z energii jądrowej. Energia jądrowa może zaspokoić zapotrzebowanie ludzkości na energię przez tysiące lat - a nawet więcej, gdyż reaktory powielające mogą zapewnić dostawy energii nawet przez kilka miliardów lat! Całkowity koszt produkcji energii elektrycznej z elektrowni jądrowych, w tym koszty systemów bezpieczeństwa, ochrona przed rozprzestrzenianiem się materiałów rozszczepialnych, przyszłe wycofanie reaktora z eksploatacji oraz koszty przetwarzania i ochrony odpadów jądrowych są jednymi z najniższych spośród wszystkich źródeł energii.

Produkcja energii jądrowej nie zanieczyszcza środowiska i nie przyczynia się do globalnego ocieplenia. Zatem niestosowanie jej na wielką skalę byłoby straszliwym marnotrawstwem. Technicznym problemem jest używanie jej w najbezpieczniejszy sposób. Na przykład 22 tony uranu użyte do produkcji elektryczności to uniknięcie emisji miliona ton dwutlenku węgla jaki zostałby wyemitowany przy równoważnym użyciu węgla.

Z możliwością poważnej awarii reaktora wiążą się ryzyka uwolnienia promieniowania jonizującego, skażenia odpadami promieniotwórczymi i rozprzestrzenienia się materiałów rozszczepialnych. Ocena tych ryzyk jest bardzo trudna, gdyż nie mieszczą się w ogólnej klasyfikacji ryzyk "dobrowolnych". Z grubsza możemy je przypisać do "śmierci związanych z produkcją energii elektrycznej". Ryzyko wypadków, związane z konwencjonalnym wydobyciem węgla i ropy naftowej, wraz z zatruciami spowodowanymi zanieczyszczeniem środowiska przez spalanie paliw kopalnych jest około 40 razy większe od ryzyka awarii w całej energetyce jądrowej poczynając od wydobycia rudy uranu po potencjalne awarie w elektrowniach jądrowych. Zwykłe przerwanie tamy lub awaria w fabryce chemicznej może zabić tysiące ludzi, podczas gdy w największej w historii katastrofie jądrowej, jaką była awaria elektrowni jądrowej w Czarnobylu, zaledwie 31 osób straciło życie, z czego 28 z powodu wchłonięcia zbyt dużych dawek promieniowania. Cały amerykański program jądrowy jest obarczony ryzykiem śmierci takim samym, jakie przyniosłoby zwiększenie dozwolonej prędkości na autostradach z 80 km/godz do 81 km/godz.

Rysunek po lewej stronie pokazuje względne ryzyka (mierzone liczbą śmierci na wyprodukowaną TWh) dla różnych rodzajów źródeł energii: (źródło: www.adamsmith.org)

Podczas ostatniej awarii jądrowej w Fukushimie nastąpiło olbrzymie uwolnienie materiału radioaktywnego do środowiska i niektórzy eksperci przewidują, że spowoduje to znaczący wzrost zachorowań na choroby nowotworowe w ciągu najbliższych 50 lat. Jednakże liczba śmierci natychmiastowych była równa zeru, a chłodniejsze analizy pokazują, że nie należy spodziewać się wzrostu zachorowań na choroby nowotworowe.

Wiemy, że jądra radioaktywne są produkowane podczas rozpadu. Liczba neutronów w uranie (143 lub 146) znacznie przewyższa liczbę protonów (92). Atomy te są stosunkowo stabilnymi (czas życia 238U to 4,5 miliarda lat, zaś 235U to 1,3 miliarda lat). W lżejszych jądrach stosunek liczby neutronów do liczby protonów zapewniający stabilność jest mniejszy. Zatem, gdy jądro dzieli się na mniejsze, liczba neutronów w każdym fragmencie jest większa od potrzebnej do zachowania stabilności jądra. To oznacza, że fragmenty rozpadu są niestabilne czyli radioaktywne - a wiele z nich ma całkiem długi czas życia.

Oprócz fragmentów rozszczepienia produkowane są pierwiastki transuranowe dzięki wychwytowi neutronów w obszarze paliwa jądrowego. Powiedzmy, że szybki neutron zostanie przechwycony przez 238U. Wówczas po dwóch rozpadach beta zostanie uformowane jądro Pu – pierwiastka rozszczepialnego, który służy za paliwo w reaktorach powielających (mówimy wtedy o cyklu uranowo-plutonowym). Jednakże ten sam izotop w reaktorach typu PWR staje się odpadem promieniotwórczym. Należy również pamiętać, że podczas pracy reaktora elementy jego konstrukcji są aktywowane (typowym produktem takiej aktywacji jest 60Co), z którym należy potem postępować właściwie.

Klasyfikacja odpadów jądrowych:

Typ Wg objętości Wg radioaktywności
Odpady wysokoaktywne 3% 95%
Odpady średnioaktywne 7% 4%
Odpady niskoaktywne 90% 1%

Odpady wysokoaktywne zajmują zaledwie 3% całej objętości odpadów pochodzących z jednego załadunku, ale odpowiadają za 95% całej radioaktywności. Odpady niskiej aktywności to 90% objętości wszystkich odpadów i zaledwie 1% radioaktywności.

Odpady jądrowe stanowią poważny problem technologiczny, z którym należy sobie poradzić, jeżeli energia jądrowa ma być dostępna dla społeczeństwa. W przeciwieństwie do węgla, ropy i gazu paliwo jądrowe nigdy nie wypala się do końca. Jest to spowodowane faktem, że podczas procesu "spalania" powstaje pewna liczba jąder silnie absorbujących neutrony. Z czasem neutrony produkowane podczas rozpadu będą w większości absorbowane przez produkty wcześniejszych reakcji. Wtedy namnażanie ich podczas pojedynczego rozpadu nie będzie wystarczać do podtrzymania reakcji łańcuchowej. Taki element paliwowy przestaje być paliwem i staje się silnie radioaktywnym odpadem.

Co więcej, okresy połowicznego zaniku pierwiastków powstających w reakcji rozszczepienia często sięgają dziesiątków lub nawet setek tysięcy lat. Dlatego należy je składować ze szczególną starannością z myślą o bezpieczeństwie w bardzo długim czasie. To tworzy poważny problem społeczny, polityczny i prawny.

W przypadku reaktorów badawczych, które nie zużywają wiele paliwa, najprostszym rozwiązaniem jest użycie zbiornika wodnego zwykle umieszczanego obok basenu reaktora. Zużyte paliwo może być tam przechowywane tak długo, jak na to pozwoli korozja kaset paliwowych, zwykle 30-40 lat. W tym czasie spadnie temperatura zużytych prętów paliwowych, a ich aktywność spadnie na skutek naturalnego procesu rozpadu. Przechowywanie powinno trwać przez następne 40 do 50 lat nim aktywność zużytego paliwa spadnie do wystarczająco niskiego poziomu by umieścić je w ostatecznym składowisku odpadów jądrowych.

Podobne metody mogą być stosowane w przypadku elektrowni jądrowych, jednakże po kilku latach przechowywania w zbiorniku wypełnionym wodą, paliwo jest przewożone do zakładów przetwarzania, gdzie jest poddawane procesom chemicznym w celu odzyskania pierwiastków rozszczepialnych (uranu, plutonu i innych transuranowców), które mają służyć do produkcji nowego paliwa reaktorowego. Pozostały materiał, zwykle w stanie ciekłym zostaje zeszkliwiony i umieszczony w wielkich metalowych beczkach, po czym umieszczony w specjalnych składowiskach głęboko pod ziemią: na przykład w starej kopalni soli, w pokładach gliny lub komorach granitowych.

Przechowywanie odpadów promieniotwórczych na głębokości 500-1000m pod ziemią jest o wiele bezpieczniejsze od pozostawienia ich na powierzchni. Promieniowanie emitowane po upływie, powiedzmy 1000 lat będzie na poziomie promieniowania naturalnego w obszarze pierwszych 1000 metrów skorupy ziemskiej. Oczywiście problem stanie się łatwiejszy do rozwiązania, jeżeli nauczymy się transmutować i spalać odpady radioaktywne. Głębokie przechowywanie nie stwarza żadnego niebezpieczeństwa dla ludzi żyjących w pobliżu, jeżeli tylko nikt nie zacznie zagospodarowywać terenu w odmienny sposób i nie rozpocznie odwiertów. Ale nawet w takich przypadkach niebezpieczeństwo będzie lokalne, bez zagrożeń globalnych.

Gdy mówimy o niebezpieczeństwach związanych z przemysłowymi odpadami jądrowymi, często zapominamy, że skorupa ziemska zawiera wiele pierwiastków radioaktywnych, które bez przerwy dyfundują w stronę powierzchni i tworzą część naturalnego promieniowania tła.

Jak pokazuje powyższy rysunek wkład odpadów promieniotwórczych w promieniowanie tła jest proporcjonalnie niewielki. Na przykład wszystkie odpady promieniotwórcze zmagazynowane do roku 2000, schładzane przez 500 lat wykażą aktywność równoważną aktywności naturalnej wycinka gleby o rozmiarach 30x30x2km (2km to typowa głębokość podziemnych składowisk odpadów promieniotwórczych.

Zaczyna się od wydobycia rudy uranowej, która następnie jest kruszona i mielona na drobny proszek. Potem jest poddawana obróbce chemicznej przeprowadzanej w celu oddzielenia uranu od rud. W rezultacie otrzymuje się tlenek uranu U3O8. Elektrownia jądrowa o mocy elektrycznej 1000MW zużywa rocznie 200 ton U3O8.

Następnym krokiem jest wzbogacenie uranu w izotop 235U. Proces rozpoczyna się od zamiany oktatlenku triuranu w gazowy sześciofluorek uranu (UF6). Za pomocą szybkoobrotowych wirówek gaz jest rozdzielany na dwie części: w wyniku usuwania 238U jeden strumień jest wzbogacany w 235U, zaś w drugim ilość 235U zmniejsza się. Pierwszy zostanie wykorzystany do produkcji paliwa jądrowego, zaś „zubożony uran” z drugiego może być stosowany w metalicznej postaci jako bardzo skuteczna osłona przed promieniowaniem gamma.

Po wypaleniu w reaktorze zużyte paliwo jest magazynowane, a potem albo przetwarzane w celu odzyskania izotopów rozszczepialnych (235U i 239Pu) albo przygotowywane do długoterminowego składowania.

Usilnie dąży się do zmniejszenia objętości stukrotnie lub więcej razy i radiotoksyczności odpadów wysokoaktywnych (High Level Wastes - HLW) przeznaczonych do przechowywania głęboko w ziemi. Okazuje się, że około 97% zużytego paliwa może być poddane recyklingowi z pozostawieniem reszty jako odpadu wysokoaktywnego. Odzyskany uran zawiera zaledwie około 1% 235U (jest to tzw. uran zubożony). Oprócz składowania w warstwach geologicznych rozważa się również technologię rozdziału i transmutacji (Partitioning and Transmutation (P&T) Technologies), które pozwalają na oddzielenie aktynowców (szczególnie Pu) i tzw. pomniejszych aktynowców (Np, Am and Cm) oraz niektórych długożyciowych produktów, zamieniając je w krótkożyciowe lub nawet stabilne.

Transport drogowy zużytego paliwa w Japonii (Źródło: The Energy Library):

Wbrew powszechnemu przekonaniu transport zużutego paliwa nie jest niebezpieczny. W ciągu minionych 40 lat w samych Stanach Zjednoczonych było 3000 takich transportów. Paliwo przewieziono ciężarówkami i pociągami około 2,5 miliona kilometrów bez żadnego wypadku. Również w Europie nie było żadnego wypadku podczas transportu zużytego paliwa jądrowego. Bezpieczeństwo zapewniają ciężkie ~120 tonowe zbiorniki stalowe. Ich ściany mają zwykle około 50cm grubości, czyli są 15 razy grubsze od ścian zbiorników przeznaczonych do przewozu benzyny. Na każdą tonę transportowanego zużytego paliwa przypada zwykle 3 razy więcej materiałów zużytych na konstrukcję zbiornika i osłon biologicznych. Takie zbiorniki mają z założenia wytrzymać 30 minutowy pożar i upadek na beton z wysokości 9m. Mają nawet wytrzymać kolizję z samolotem odrzutowym! W pojedynczym zbiorniku umieszcza się najwyżej 9 zużytych prętów paliwowych. Ostatnio konstrukcja zbiorników jest modyfikowana, aby zwiększyć ich odporność na atak terrorystyczny.

Oprócz elektrowni jądrowych i instalacji wojskowych odpady promieniotwórcze są produkowane wszędzie, gdzie są używane źródła promieniowania jądrowego. Dostarczają je szpitale z oddziałami medycyny jądrowej i radioterapii, uniwersytety i przemysłowe laboratoria badawcze, przemysł używający żródeł jądrowych, np. papierniczy, kopalnie uranu i kopalnie węgla, detektory dymu itd. W przeciwieństwie do zużytego paliwa jądrowego, są to wszystko źródła średniej lub małej aktywności w większości z rozsądnie krótkim czasem życia. Zwykle są zagęszczane przed ostatecznym składowaniem w specjalnych pojemnikach, które zapobiegają wyciekowi materiału radioaktywnego do środowiska.

Istnieje kilka możliwości alternatywnych względem długoterminowego przechowywania odpadów jądrowych. Transmutacja, czyli proces przekształcania, poprzez wychwyt neutronów, długożyciowego izotopu radioaktywnego w inny, który ma krótszy okres połowicznego zaniku lub być może jest nawet stabilny. Natomiast spalanie to proces, w którym wychwyt neutronu prowadzi do powstania izotopu, który przez rozszczepienie rozpada się na pierwiastek stabilny. Trwają szeroko zakrojone prace, których celem jest osiągnięcie komercyjnej efektywności obu opisanych reakcji.
Systemy korzystające z akceleratorów oraz koncepcja tzw. wzmacniaczy energetycznych dają nadzieję, że dotychczas nagromadzone odpady jądrowe wraz z tymi, które będą napływać, będzie można przekształcić w łatwiejsze do przechowywania odpady krótkożyciowe.