„Zrównoważona” energia z rozszczepienia jądrowego

Rys. 24.1. pokazuje ilość prądu wyprodukowanego globalnie przez elektrownie jądrowe w 2007 roku, w podziale na poszczególne kraje.

Czy energia jądrowa może być „zrównoważona”? Na moment odłóżmy na bok pojawiające się zazwyczaj pytania o bezpieczeństwo i składowanie odpadów.

Kluczową kwestią jest to, jak długo możemy jeszcze rozszczepiać atomy.

Jak duże są światowe złoża uranu i innych paliw rozszczepialnych? Czy uranu wystarczy już tylko na dziesięciolecia? A może jednak na setki lat?

W celu oszacowania „zrównoważonej” energii z uranu całkowite rezerwy uranu możliwego do pozyskania na lądzie i w morzu podzieliłem przez 6 mld ludzi i zadałem sobie pytanie: „W jakim tempie możemy tego używać, by wystarczyło na tysiąc lat?”.

Prawie cały możliwy do pozyskania uran znajduje się w morzach i oceanach, a nie w ziemi – woda morska zawiera 3,3 mg uranu na m3 wody, co daje 4,5 mld ton w skali globu. Określiłem uran w oceanach jako „możliwy do pozyskania”, co nieco mija się z prawdą – większość wód morskich jest raczej niedostępna, a oceaniczny pas transmisyjny robi pełną rundę w jakieś tysiąc lat.

Co więcej, nikt jeszcze nie pochwalił się pozyskaniem uranu z wody morskiej na skalę przemysłową. Zrobimy więc odrębne rachunki dla dwóch przypadków:

w pierwszym oszacujemy tylko zasoby uranu z kopalń, w drugim dodamy również uran oceaniczny.

Ruda uranu, którą da się wydobyć z ziemi po cenach niższych niż 130 dolarów za 1 kg uranu, to jedna tysięczna tych 4,5 mld ton. Jeżeli ceny pójdą w górę, powyżej 130 dolarów, opłacalne stanie się pozyskiwanie uranu ze złóż fosforanów o niskiej koncentracji uranu. Pozyskiwanie uranu z fosforanów jest całkowicie wykonalne, przed 1998 rokiem robiono to w USA i w Belgii. W celu oszacowania zasobów uranu kopalnego zsumuję konwencjonalne rudy uranu i fosforany, co daje zasoby całkowite rzędu 27 mln ton uranu (Rys. 24.2.) Rozważymy dwie metody wykorzystania uranu w reaktorze: (a) szeroko stosowana metoda pojedynczego przejścia przez reaktor (once-through method) pozwala pozyskać energię głównie z rozszczepialnego izotopu 235U (który stanowi zaledwie 0,7% ogólnej masy uranu), a odrzuca nierozszczepialny 238U; (b) reaktory prędkie powielające (fast breeder reactors), droższe w budowie, przekształcają 238U do rozszczepialnego plutonu 239Pu i produkują mniej więcej 60 razy więcej energii z uranu.

Reaktory pracujące w cyklu paliwowym pojedynczego przejścia używające uranu kopalnego Elektrownia jądrowa o mocy 1 GW, pracująca w cyklu paliwowym pojedynczego przejścia przez reaktor, zużywa 162 tony uranu rocznie. Stąd też zasoby uranu, o których wiemy, możliwe do wydobycia z ziemi, podzielone między 6 mld ludzi, wystarczyłyby na tysiąc lat, o ile na każdego przypadnie 0,55 kWh energii dziennie. To zrównoważone tempo wyczerpywania uranu pozwoliłoby zasilić zaledwie 136 elektrowni jądrowych i stanowi połowę obecnej produkcji.

Bardzo możliwe, że moje szacunki są zaniżone – uranu jeszcze nie brakuje, nie ma więc zachęt do poszukiwań złóż, niewiele działań poszukiwawczych podjęto od lat 80. XX w, może więc kolejne złoża czekają na odkrycie. W istocie, opracowanie opublikowane w 1980 roku szacowało, że zasoby rud o niskiej zawartości uranu są ponad tysiąckrotnie większe niż 27 mln ton założonych tutaj przed chwilą.

Czy obecny sposób wykorzystania kopalnego uranu w reakcji pojedynczego przejścia można uznać za zrównoważony? Trudno powiedzieć z uwagi na brak pewności co do wyników przyszłych poszukiwań uranu. Z pewnością, przy obecnym tempie zużycia energii jądrowej, reaktory pojedynczego przejścia mogą pracować jeszcze przez setki lat. Gdybyśmy jednak chcieli 40-krotnie zwiększyć moc w elektrowniach jądrowych na świecie po to, by odejść od paliw kopalnych i poprawiać standard życia, może się okazać, że reaktory pojedynczego przejścia nie są technologią zrównoważoną.

Reaktory prędkie powielające, używające uranu kopalnego Uran można wykorzystać 60 razy bardziej efektywnie w reaktorach prędkich powielających, które spalają cały uran – zarówno 238U, jak i 235U (w przeciwieństwie do reaktorów pojedynczego przejścia, które spalają głównie 235U). O ile nie pozbywamy się zużytego paliwa, wyplutego przez reaktor pojedynczego przejścia, ten zubożony uran może zostać ponownie użyty – przepuszczenie uranu przez reaktor pojedynczego przejścia nie musi więc być marnotrawstwem.

Gdybyśmy zużyli cały możliwy do wydobycia uran (oraz zapasy uranu zubożonego) w 60-krotnie bardziej efektywnych reaktorach prędkich powielających, uzyskalibyśmy 33 kWh na osobę dziennie. Spektrum postaw wobec prędkich reaktorów powielających rozciąga się od „to niebezpieczna i nieudana technologia eksperymentalna, na którą trzeba machnąć ręką” do „możemy i natychmiast powinniśmy zacząć budować reaktory powielające”. Nie czuję się kompetentny, by oceniać ryzyko związane z technologią powielania, nie chcę również umieszczać twierdzeń natury etycznej obok faktów. Chcę jedynie pomóc w zrozumieniu liczb. Jedyne twierdzenie natury etycznej, które tutaj promuję, to: „Potrzebujemy planu, który się domyka”.

Reaktor pojedynczego przejścia pracujący na uranie morskim Uran w morzach i oceanach, pozyskany co do grama i spożytkowany w reaktorach pojedynczego przejścia, odpowiada następującej wartości energii całkowitej:

	   4,5 mld ton na planetę
	-----------------------------	= 28 mln gigawatolat na planetę.
	162 ton uranu na gigawatorok

W jakim tempie możemy pozyskiwać uran z oceanów? Oceany cyrkulują powoli – połowa wód znajduje się w Pacyfiku, a głębokie wody pacyficzne cyrkulują w kierunku powierzchni przy pomocy oceanicznego pasa transmisyjnego w cyklu, który trwa 1 600 lat. Wyobraźmy sobie, że pozyskamy 10% uranu na przestrzeni następnych 1 600 lat. To tempo pozyskiwania rzędu 280 000 ton rocznie. W reaktorach pojedynczego przejścia dałoby to moc rzędu

2,8 mln gigawatolat / 1600 lat = 1750 GW

co podzielone między 6 mld ludzi daje 7 kWh na osobę dziennie (obecnie moc energetyki jądrowej wynosi 369 GW, nasza liczba odpowiada więc 4-krotnemu wzrostowi w stosunku do stanu obecnego). Wnioskuję, że przy pozyskiwaniu uranu z wód morskich i oceanicznych dzisiejsze reaktory pojedynczego przejścia można by uznać za opcję „zrównoważoną” – przy założeniu, że reaktory uranowe pokryją koszt energetyczny procesu pozyskania uranu z oceanu.

Reaktory prędkie powielające pracujące na uranie morskim Skoro prędkie reaktory są 60-krotnie bardziej efektywne, pozyskanie tej samej ilości uranu z oceanów mogłoby dostarczyć 420 kWh dziennie na osobę.

Nareszcie zrównoważona liczba, która przebija obecne zużycie! Niestety, tylko przy jednoczesnym wsparciu dwóch technologii, z których jedna jest jeszcze w powijakach (pozyskiwanie uranu z oceanów), a druga jest niepopularna (reaktory prędkie powielające).

Uran z rzek Do uranu z mórz i oceanów dołóżmy uran z rzek. Rzeki dostarczają uranu w tempie 32 000 ton rocznie. Gdyby wykorzystać 10% tego potencjału, paliwa wystarczyłoby na 20 GW w reaktorach pojedynczego przejścia albo 1200 GW w prędkich reaktorach powielających. Reaktory prędkie powielające dostarczyłyby 5 kWh na osobę dziennie.

Wszystkie te liczby podsumowujemy na Rys. 24.6.

A co z kosztami?

Jak zwykle w tej książce, w głównych wyliczeniach raczej pomijam rachunek ekonomiczny. Niemniej jednak, z uwagi na to, że potencjał mocy opartej na uranie morskim jest jednym z największych na naszej liście „zrównoważonej” produkcji, warto przeanalizować, czy te wartości znajdują jakiekolwiek uzasadnienie ekonomiczne.

Badacze japońscy wynaleźli technologię pozyskiwania uranu z wody morskiej kosztującą 100 – 300 dolarów za kilogram uranu w stosunku do obecnego kosztu około 20 dolarów za kg uranu z rudy. Z uwagi na to, że uran zawiera znacznie więcej energii w jednej tonie niż paliwa tradycyjne, ten pięcio- czy nawet piętnastokrotny wzrost kosztu uranu miałby niewielki wpływ na koszt energii jądrowej – cena energii pozyskanej z atomu zależy przede wszystkim od kosztu wybudowania i likwidacji elektrowni jądrowej, a nie od ceny paliwa.

Nawet cena 300 dolarów za kg zwiększyłaby koszt energii jądrowej o zaledwie 1,5 grosza na kWh. Koszt pozyskania uranu można by zmniejszyć, gdyby woda morska znalazła jeszcze inne zastosowanie – na przykład chłodziłaby elektrownię.

Jeszcze nie jesteśmy w domu – czy japońska technologia rzeczywiście zrobi różnicę? Jaki jest koszt energetyczny pozyskania uranu z wody? W japońskim eksperymencie trzy klatki wypełnione przyciągającym uran absorbentem ważącym 350 kg zgromadziły „ponad 1 kg tzw. żółtego ciasta (70 – 90% tlenek uranu U3O8), w 240 dni”, co odpowiada 1,6 kg rocznie. Klatki miały powierzchnię przekroju poprzecznego 48 m2. By zasilić 1-gigawatową elektrownię jądrową z reaktorem pojedynczego przejścia, potrzebujemy 160 000 kg uranu rocznie, czyli 100 000 razy więcej niż w japońskim eksperymencie. Gdybyśmy po prostu zwiększyli produkcję w japońskiej technologii, która pasywnie pozyskuje uran z morza, moc rzędu 1 GW wymagałaby wykorzystania przestrzeni absorpcyjnej o powierzchni 4,8 km2 oraz absorbentu o wadze 350 000 ton – to więcej niż waży stal w samym reaktorze. Spróbujmy nadać tym wielkim liczbom ludzki wymiar – gdyby uran dostarczał, dajmy na to, 22 kWh na osobę dziennie, każdy reaktor o mocy 1 GW obsługiwałby 1 mln ludzi, a na każdego z tych ludzi przypadałoby 0,16 kg uranu rocznie. A zatem obsłużenie każdej z tych osób wymagałoby 1/10 japońskiej instalacji eksperymentalnej, o wadze 35 kg na osobę i przestrzeni absorpcyjnej 5 m2 na osobę. Pomysł budowania takich instalacji pozyskiwania uranu jest skalą zbliżony do pomysłu, by „każdy miał swoje 10 m2 paneli słonecznych” albo by „każdy miał swoją jednotonową ciężarówkę oraz specjalne miejsce parkingowe”. Wielkie inwestycje to i owszem, ale nie absurdalnie wielkie.

To były obliczenia dla reaktora pojedynczego przejścia. W przypadku reaktorów prędkich powielających potrzeba 60 razy mniej uranu, waga kolektora uranu na osobę wyniosłaby więc 0,5 kg.