ENERGY AND NATURAL RESOURCES Közép-keleteurópai atomenergetikai kitekintés ADVISORY
Szerzők A KPMG budapesti székhelyű energetikai- és közüzemi szektorra szakosodott tanácsadó csoportja
Közép-kelet-európai atomenergetikai kitekintés 3 Kedves Olvasó! Örömömre szolgál, hogy bemutathatom Önnek a KPMG budapesti székhelyű energetikai- és közüzemi szektorra szakosodott, regionális kompetencia központja által készített Közép-kelet-európai atomenergetikai kitekintés című kiadványunkat. Kiss Péter, Partner, KPMG energetikaiés közüzemi tanácsadás Az energetikai tanácsadás közép-kelet-európai regionáis vezetője KPMG Tanácsadó Kft. Korábbi kitekintő (Outlook) tanulmányaink (amelyek Közép-Kelet-Európa villamosenergiaiparát, földgáz-iparát, illetve a megújuló energiaforrások alkalmazását mutatták be) iránt világszerte komoly érdeklődés mutatkozott, s e tényre alapozva döntöttünk úgy, hogy Földünk villamos energia termelési mixének egy szintén fontos, ám ellentmondásos megítélésű elemét, az atomenergetikát is áttekintjük. A közép-kelet-európai régió energiapiacának az elkövetkező évtized során megvalósuló fejlődési, fejlesztési irányvonalai, jelentős hatással lesznek az Európai Unió (EU) össz-energiatermelésre. A legtöbb közép-kelet-európai ország nagyfokú tapasztalatokkal rendelkezik az atomenergia hasznosítása terén, s Európa energia-termelési piacának jövőbeli beruházási döntéseit pedig bizonyosan befolyásolni fogja az, hogy ezen országok milyen mértékben lesznek képesek hasznosítani ezen tapasztalataikat, tudásukat, illetve mennyiben tudnak élni a stratégiai földrajzi helyzetük adta lehetőségeikkel. Egy megfelelő összetételű energiatermelési rendszer kialakítása során kulcsfontosságú tervezési paraméterként egyaránt figyelembe kell venni az energiaellátás biztosítását, a fenntarthatóság feltételeinek teljesülését, valamint az energiahatékonyságot. A megújuló erőforrásokat a lehető legteljesebb mértékben ki kell aknázni, ugyanakkor meg kell maradni a realitás talaján ezen források energiatermelési potenciáljának meghatározása során. A háztartások villamosenergia-fogyasztásának növekedése, és az időjárás előrejelezhetőségének fokozódó nehézségei miatt szükség van az energiaellátás rövid reagálási idejű szabályozhatóságára. Így Közép-Kelet-Európa energiamixében rövid-, és középtávon a földgáz-bázisú energiatermelés továbbra is jelentős szerepet fog betölteni. Ezzel együtt megmarad a földgázimporttól való függőségünk is, amelyet a 2006. januári figyelmeztető jellegű, majd a 2009. januári, mindaddig példátlan gázkrízis új megvilágításba helyezett. A nukleáris üzemanyag világszinten diverzifikált rendelkezésre állása, valamint az atomerőművek üvegházhatást nem erősítő működése, az atomenergiával kapcsolatos technológiákat a megfelelő villamos energia termelési mix kulcsfontosságú összetevőjévé teszi. Az atomerőművek engedélyezésének, finanszírozásának és megépítésének sajátos komplexitása miatt a beruházási döntés meghozatalától egy-egy erőmű üzembe helyezéséig eltelt idő évtizedes skálán mérhető, ezért a beruházási döntéseket már ma meg kell hozni ahhoz, hogy az elkövetkező generációk számára biztonságos, tiszta és hatékony energia álljon rendelkezésre. Fontosnak tartom kiemelni, hogy a ma épülő, korszerű atomerőművi blokkok várható élettartama eléri a hatvan évet. A fenti tényezők figyelembevételével alakítottuk ki független és objektív álláspontunkat az atomenergia jövőbeli, közép-kelet-európai felhasználását illetően. Bízom benne, hogy tanulmányunk értékes információkkal szolgál majd a Tisztelt Olvasó számára a régió atomenergia szektoráról.
4 Közép-kelet-európai atomenergetikai kitekintés Tartalomjegyzék Oldal Vezetői összefoglaló 7 1. Közép-kelet-európai atomenergia-piac 9 2. Az atomenergia technológiája 13 2.1. A maghasadás 13 2.2. Maghasadás és fúzió 15 2.3. Az atomreaktorok működése 15 2.4. Miért az urán-235-öt használják üzemanyagként? 17 2.5. A nukleáris reaktorok osztályozása 18 2.6. A nukleáris üzemanyagciklus 19 3. Az atomenergia iránti kereslet alakulása 23 3.1. Az energia iránti nemzetközi kereslet alakulása 23 3.2. A reaktorok iránti globális kereslet alakulása 26 3.3. Atomenergia iránti kereslet alakulása az Európai Unióba 27 4. Az atomenergia ellátási lánca 29 4.1. Elsődleges uránforrások 29 4.2. Másodlagos uránforrások 31 4.3. Alternatív elsődleges uránforrások 33 4.4. Az urán ára 33 4.5. A nukleáris üzemanyagciklus lépései 36 4.6. A reaktor szállítók 40 5. Atomerőművi blokkok csatlakoztatása a hálózathoz 43 6. Az atomenergia költségei 45 6.1. Empirikus költségek 45 6.2. A jövőbeli költségek előrejelzése 52
Közép-kelet-európai atomenergetikai kitekintés 5 7. Nukleáris biztonság 55 7.1. Biztonsági ellenőrző intézkedések az atomerőmű működtetésénél 55 7.2. A sugárzás egészségügyi hatásai 56 7.3. Hulladékkezelés 58 7.4. A nukleáris biztonsággal kapcsolatos szabályozás 62 7.5. Az atomfegyverek elterjedésének 63 megakadályozását célzó biztonsági intézkedések 8. Társadalmi elfogadottság 65 8.1. Nukleáris történelem 65 8.2. A közvélemény 65 9. Közép-kelet-európai áttekintés 71 9.1. Albánia 71 9.2. Bosznia és Hercegovina 72 9.3. Bulgária 73 9.4. Horvátország 75 9.5. Cseh Köztársaság 76 9.6. Észtország 78 9.7. Magyarország 79 9.8. Koszovó 80 9.9. Lettország 81 9.10. Litvánia 82 9.11. Macedónia 84 9.12. Montenegró 85 9.13. Lengyelország 86 9.14. Románia 87 9.15. Szerbia 89 9.16. Szlovákia 90 9.17. Szlovénia 92 10. Milyen szolgáltatásokat kínál a KPMG 95 az atomenergetika szereplőinek?
Vezetői összefoglaló 7 Vezetői összefoglaló 2007-ben a közép-kelet-európai országok teljes villamosenergia-termelésének 18%-a származott atomenergiából. Ez a jelentős részesedés, illetve ennek a villamosenergia-termelési módnak a napjainkban és a jövőben egyre fontosabbá váló előnyei indokolttá teszik, hogy a döntéshozók és a további érintettek átfogó képet kapjanak erről a területről. A nukleáris energián alapuló villamosenergia-termelés előnyei közül elsőként kell megemlíteni, hogy nem jár szén-dioxid kibocsátással, így a nukleáris termelési kapacitások bővítése közvetett módon támogatja a globális felmelegedés elleni küzdelmet. Számos tanulmány jutott arra a következtetésre, hogy az atomenergia költségei versenyképesek az alaperőművi technológiák között. Ez a versenyképesség folytonosan javul a növekvő fosszilis üzemanyagárak- és a szén-dioxid kibocsátáshoz kapcsolódó járulékos költségek növekedése miatt. Ehhez kapcsolódóan fontos megemlíteni, hogy az atomenergiával történő villamosenergia-termelés költsége, az üzemanyagköltségeknek az összes költségen belüli kis hányada miatt, jóval kevésbé érzékeny az üzemanyagárak változására, mint a fosszilis üzemanyagokkal történő villamos energia előállítás költsége. Az atomenergia egy másik jelentős előnye, hogy az atomerőművek üzemanyagaként szolgáló urán a Földön nagyszámú helyen fordul elő, így az ellátás biztonságát kevéssé fenyegetik a beszerzési források diverzifikációjának hiányából fakadó geopolitikai, illetve műszaki kockázatok. Az elterjedőben lévő, harmadik generációs nukleáris villamosenergia-termelési technológia további előnyös tulajdonságokkal rendelkezik, a ma leginkább használatos második generációs technológiával összehasonlításban. A fejlesztés eredményeként várhatóan csökkenni fognak a fajlagos beruházási költségek, az új reaktoroknak a korábbiakéhoz képest nagyobb a teljesítményváltoztatási tartománya, továbbá jellemzően biztonságosabbak is elődeiknél. Meg kell említeni azt is, hogy a neuralgikus pontnak számító nukleáris hulladékkezelésben is folyamatos fejlesztések is a megnyugtató, hosszú távú megoldások irányába mutatnak. France; Civaux Nuclear Power Plant Fotó: Pauquet C A fentiek okán sokan vélik úgy, hogy a világon jelentkező drasztikusan növekvő villamosenergia-igény kielégítéséhez szükség van az atomenergia alapú termelés jelentős felfuttatására. Ezt a várható felfutást egyesek az atomenergia reneszánszának nevezik.
CEE Renewable Közép-kelet-európai Electricity Outlook atomenergia-piac 2008 9 9 1. Közép-kelet-európai atomenergia-piac Fontos leszögezni, hogy jelen tanulmányunkban a közép-kelet-európai régión a következő tizenhét országot értjük: Albánia, Bosznia és Hercegovina, Bulgária, Horvátország, Cseh Köztársaság, Észtország, Magyarország, Koszovó, Lettország, Litvánia, Macedónia, Montenegró, Lengyelország, Románia, Szerbia, Szlovákia és Szlovénia. A régiót nyugatról és délről az EU 15 néhány tagállama (Németország, Ausztria, Olaszország és Görögország), kelet felől, pedig Oroszország, Ukrajna, Moldávia és Fehéroroszország határolják. A fent felsorolt tizenhét közép-kelet-európai országból tíz jelenleg EU tag, Horvátország közel áll a csatlakozáshoz, míg Macedónia szintén jó úton halad az EU tagság felé. A közép-és kelet-európai régió Közép- és kelet-európai országok Egyéb országok Az Európai Unió határai
Gazdasági és népességi adatok Közép- és Kelet-Európa EU tagországok LT EE LV Bulgária (BG) GDP: 86,3 milliárd USD GDP növekedés: 6,2% Népesség: 7,2 millió Cseh Köztársaság (CZ) GDP: 248,9 milliárd USD GDP növekedés: 6,5% Népesség: 10.2 millió Észtország (EE) GDP: 29,3 milliárd USD GDP növekedés: 7,1% Népesség: 1.3 millió PL Magyarország (HU) GDP: 191,3 milliárd USD GDP növekedés: 1,3% Népesség: 9.9 millió SI CZ SK HU HR RS BA RO Lettország (LV) GDP: 39,7 milliárd USD GDP növekedés: 10,2% Népesség: 2.2 millió Litvánia (LT) GDP: 59,6 milliárd USD GDP növekedés: 8,8% Népesség: 3.6 millió Lengyelország (PL) GDP: 620,9 milliárd USD GDP növekedés: 6,5% Népesség: 38.5 millió ME KO MK AL BG Románia (RO) GDP: 245,5 milliárd USD GDP növekedés: 6,0% Népesség: 22.2 millió Szlovákia (SK) GDP: 109,6 milliárd USD GDP növekedés: 10,4% Népesség: 5.5 millió Szlovénia (SI) GDP: 54,7 milliárd USD GDP növekedés: 6,1% Népesség: 2.0 millió EU-n kívüli régiós országok Albánia (AL) GDP: 19,9 milliárd USD* GDP növekedés: 6,0% Népesség: 3.6 millió Bosznia Hercegovina (BA) GDP: 27,7 milliárd USD* GDP növekedés: 5,8% Népesség: 4.6 millió Horvátország (HR) GDP: 59,0 milliárd USD GDP növekedés: 5,8% Népesség: 4.5 millió Koszovó (KO) GDP: 4 milliárd USD* GDP növekedés: 2,6% Népesség: 2.1 millió Macedónia (MK) GDP: 17,3 milliárd USD* GDP növekedés: 5,0% Népesség: 2.1 millió Szerbia (RS) GDP: 77,3 milliárd USD GDP növekedés: 7,3% Népesség: 8.0 millió Montenegró (ME) GDP: 5,9 milliárd USD GDP növekedés: 7,5% Népesség: 0.7 millió Az összes GDP adat vásárlóerő-paritáson értendő és 2007-es becslést jelent. *Albániának, Bosznia Hercegovinának, Macedóniában és Koszovóban a szürkegazdaság aránya akár az 50%-ot is elérheti a hivatalos GDP-n kívül. Források: The World Fact Book (Nemzetközi tények könyve, Egyesült Államok, Central Intelligence Agency), 2007. Az összes információ becsléseken alapul.
CEE Renewable Közép-kelet-európai Electricity Outlook atomenergia-piac 2008 11 11 Számos közép-kelet-európai ország jelentős mértékű gazdasági fejlődést mutatott az elmúlt évtizedben, ez a tendencia közép-, és hosszú távon várhatóan folytatódni fog. Ezen várakozásban az is tükröződik, hogy több közép-kelet-európai országra tekintenek úgy, hogy feltörekvő piac helyett konvergáló piacuk van, vagyis gazdaságuk közelít az EU 15 országaihoz. Így ezeket az országokat gazdasági növekedés jellemzi, miközben szabályozási rendszereik EU-s előírásokon alapulnak. Mindennek eredményeképpen ezek az országok a feltörekvő piacokra jellemző magasabb megtérülést, és egyben a fejlett gazdaságok stabil kockázati jellemzőit kínálják. A jelentősebb gazdasági mutatók és népességi adatok megtalálhatóak a mellékelt táblázatban.
CEE Nuclear Az atomenergia Energy Outlook technológiája 13 13 2. Az atomenergia technológiája Az atomenergetikai piac komplex és többszintű. Mielőtt azonban rátérnénk bemutatására, a könnyebb megértés érdekében célszerű alapszinten megismerkedni magával a nukleáris technológiával, valamint a hozzá kapcsolódó folyamatokkal. 2.1. A maghasadás A nukleáris energiatermelés során az atommaghasadás folyamatában (1. ábra) felszabaduló energiát használják fel. Maghasadáskor az atommag (amely protonokat, illetve neutronokat tartalmaz) részekre esik szét, miközben energiát szabadul fel. Ezek a keletkező részek lehetnek új elemek (a maghasadás termékei), neutronok és egyéb atomi részecskék. Bizonyos feltételek teljesülése esetén a folyamat ismétli önmagát, és így láncreakció jön létre. Ennek a reakciónak a szabályozott formája biztosítja az atomerőművek energiatermelését. 1. ábra: A maghasadás mechanizmusa Neutron A maghasadás terméke Neutron Neutron Cél-atommag A maghasadás terméke Neutron A villamosenergia-termelés során ún. cél-atommagként az urán-235 vagy U-235 (a 235-ös szám az atom magjában található neutronok és protonok összegére utal) elemet használják. Magyarország, Paksi Atomerőmű
14 14 Az atomenergia technológiája Magyarország, Paksi Atomerőmű A nukleáris reakciók során a kémiai elemek és izotópjaik más elemekké vagy izotópokká alakulhatnak át. (Egy adott kémiai elem különböző izotópjaiban a protonok száma megegyezik tehát azonos az atomszámuk de a neutronok száma különbözik.) Ilyen átalakulások a természetben is lejátszódnak. Amikor egy radioaktív elem lebomlik, bizonyos időtartam alatt átalakul egy másik elemmé, a folyamat végén pedig stabil elemmé válik, miközben alfa vagy béta részecskéket, illetve gammasugarakat bocsát ki (lásd később a 7.2 fejezetben). Az atommag ilyen átalakulása megy végbe egy mesterségesen létrehozott, instabil atommag esetében is. Egy atommagnak egy másikká történő mesterséges átalakítása lényegében potenciális lehetőséget ad az U-235 igények csökkentésére (új hasadó elemek hozhatók létre, például tóriumból, ahogyan arról a későbbiekben szó lesz), továbbá az atomhulladék mennyiségének és veszélyességi fokának csökkentésére is (a radioaktív elemnek egy kevésbé veszélyesre történő átalakításával). A mai reaktorokban nemcsak izotópok maghasadása zajlik (főleg U-235), hanem létrejönnek új, nehezebb izotópok is. Ezek a nehezebb elemek akkor keletkeznek, amikor egy nem hasadó elem befog egy neutront. A nukleáris üzemanyag általában 3 5% U-235-ös hasadóanyagot, és 95 97% nem hasadó U-238-at tartalmaz. Az U-238-ból plutónium-239 (Pu-239), Pu-240, Pu-241, Pu-242 és egyéb izotópok is létrejöhetnek. A Pu-239 ugyanúgy hasadóanyag, mint az U-235 és felhasználható energiatermelésére.
CEE Nuclear Az atomenergia Energy Outlook technológiája 15 15 2.2. Maghasadás és fúzió Míg maghasadáskor a nehéz elemek szétválása során felszabaduló energiát használhatjuk fel (a nehéz jelző az atommagok neutronjainak és protonjainak magas számára utal), a fúzió esetében a könnyű elemek (mint például a hidrogén, amelynek csak egy protonja van) egyesülése során kibocsátott energiát hasznosíthatjuk. A fúzió a Nap energiaforrása. Jóllehet a fúzió energiájának óriásiak a potenciális lehetőségei (hihetetlen mennyiségű energia szabadul fel, fűtőanyagforrása pedig szinte végtelen mennyiségű), a gyakorlati életben történő felhasználása jelenleg még csak kísérleti stádiumban van. Kivételes nemzetközi együttműködés valósul meg annak érdekében, hogy megoldást találjanak a fúzió energiatermelésben történő hasznosítására. 2.3. Az atomreaktorok működése Az atomerőművek felépítése nagyon hasonló a klasszikus hőerőművekéhez, mivel mindkettő a kazánban, illetve a reaktorban felszabaduló hőenergiát használja vízgőz előállítására. A gőzből származó energia a turbinában mechanikus energiává lesz, amelyet azután a generátor alakít át villamos energiává. A gőz ezután a kondenzátorba kerül, ahol visszaalakul vízzé, majd ezt a vizet a kazán (klasszikus hőerőmű esetén), vagy a reaktor (atomerőmű esetén) később újra gőzzé alakítja. A fő különbség a hőenergia-termelődésében van. Az ásványi fűtőanyagot elégető erőművekben a hő úgy keletkezik, hogy szenet, gázt, olajat vagy egyéb anyagokat égetnek el és ezen fűtőanyagok vegyi energiája alakul át hőenergiává, míg az atomreaktorok a maghasadásból fakadó energiát (a moderátorban a részecskék lassításából keletkező hőenergiát) hasznosítják (lásd a 2. ábrát). 2. ábra: Atomerőmű szerkezetének vázlatos rajza Konténment Gőzvezeték Szabályozó rudak Gőzfejlesztő Turbinagenerátor Reaktor aktív zóna Szivattyú Szivattyú Kondenzátor hűtőviz Nyomottvíz moderátor és hűtővíz Gőz Víz Primer hűtőkör Szekunder hűtőkör Forrás: http://www.world-nuclear.org/how/npreactors.html
16 16 Az atomenergia technológiája Az atomreaktor fő részei a következők 1 : Üzemanyag. Általában uránoxid-pasztillák (UO 2 ), amelyek 3 5% U-235-öt tartalmaznak. Ezek a pasztillák kötegekbe foglalva az üzemanyagpálcákban helyezkednek el. Az üzemanyagpálcákból készült üzemanyag kazetták alkotják a reaktor aktív zónáját. Moderátor. Ez az anyag lassítja le a maghasadás során felszabaduló neutronokat annak érdekében, hogy azok további maghasadásokat tudjanak létrehozni. A moderátor általában víz (a könnyűvizes reaktoroknál), de nehézvíz vagy grafit is lehet. A nehézvíz deutériumot (D) tartalmaz a hidrogén helyett. A deutérium atommagja egy protont és egy neutront tartalmaz. Szabályozó rudak. A szabályozó rudak neutronelnyelő anyagból készülnek, például kadmiumból, hafniumból vagy bórból. A szabályozó rudakat a teljesítmény szabályozására használják üzemeltetés közben. A rudakat bejuttatják az aktív zónába vagy eltávolítják onnan annak érdekében, hogy szabályozzák a láncreakciót, vagy esetleg leállítsák azt. Az ún. biztonsági rudak (speciális szabályozó rudak) a működő reaktorból ki vannak emelve, üzemzavar esetén beesnek és azt leállítják. Ezeknek a rudaknak a használatával a reaktor bármikor biztonságosan leállítható. 3. ábra: A dúsított üzemanyag és a szabályozó rudak elhelyezkedése különböző dúsítási szintű üzemanyag szabályozó rudak biztonsági rudak Forrás: http://www.atomeromu.hu/mukodes/tipusok/aktiv-e.htm Hűtőközeg. Folyadék vagy gáz, amely a reaktoron áramlik át, hogy abból a hőt kivezesse. A könnyűvizes reaktoroknál a víz moderátor primerköri hűtőközegként is működik. A forralóvizes reaktorok (BWR-ek) kivételével, a gőz fejlesztése a szekunder körben történik. A BWR reaktorokban a víz közvetlenül az (egyedüli) hűtőkörben forr fel. Nyomástartó edény (reaktor tartály) vagy nyomástartó csövek. Általában nagy igénybevételnek ellenálló acél tartály, amely magába foglalja a reaktor aktív zónáját, de akár több cső is lehet, amelyek tartalmazzák az üzemanyagot és a hűtőanyagot átvezetik a moderátoron. Gőzfejlesztő. A hűtőrendszer része, amelyben a reaktorból származó hőt használják fel gőztermelésre a turbina meghajtásához. Konténment. A reaktor és a primerköri rendszerek körüli szerkezet, mely úgy van megtervezve, hogy megvédje a reaktort a külső behatásoktól, valamint a környezetet a radioaktív kibocsátás hatásaitól egy esetleges meghibásodás esetén. A konténment tipikusan egy nagy igénybevételnek ellenálló, vastag beton- és acélszerkezet. 1 http://www.world-nuclear.org/info/inf32.html
CEE Nuclear Az atomenergia Energy Outlook technológiája 17 17 Magyarország, Paksi Atomerőmű 2.4. Miért az urán-235-öt használják üzemanyagként? Az urán három természetes izotópja: az U-234, az U-235 és az U-238. A természetben a teljes uránkészlet legnagyobb részét (99,284%) az U-238 képezi. Az U-235 aránya 0,711%, míg az U-234 aránya elhanyagolható. Az urán-235 az egyedüli hasadóanyag, amely a kitermelés szempontjából gazdaságos mennyiségben található meg a Földön. Az egyéb elemek (izotópok), mint például az U-238, vagy a tórium, szintén felhasználhatók az atomenergetikában. A plutónium neutronbefogással jön létre az U-238-ból, a tórium pedig U-233-á alakítható. Mind a plutónium, mind pedig az U-233 felhasználható hasadóanyagként az atomreaktorokban. Jelenleg az üzemelő atomerőművek mintegy 2%-a MOX 2 (kevert oxid) üzemanyagot használ, amely az U-235, az U-238 és a plutónium keveréke. Mint alternatív üzemanyag, a MOX enyhíteni tudja a nyers urán iránti keresletet. A MOX használatának hátrányai közé sorolható, hogy bonyolult és költséges az előállítása, a benne lévő plutónium nagy aktivitású, valamint, hogy a MOX üzemanyag használatához a reaktorokat bizonyos mértékig át kell alakítani Egy másik fűtőanyag alternatíva a tórium lehet, amely az uránnál négyszer nagyobb mennyiségben van jelen a földkéregben 3, és ezzel potenciálisan megnöveli a nukleáris energiatermelés lehetőségeit akár több ezer évvel is. 2 http://www.world-nuclear.org/info/inf29.html 3 http://www.kfki.hu/fszemle/archivum/fsz0103/wolfen.html
18 18 Az atomenergia technológiája 2.5. A nukleáris reaktorok osztályozása A Föld országaiban különböző típusú atomerőművek üzemelnek. Eltérő jellemzők szerint lehet őket kategorizálni, így például a felhasznált moderátor illetve hűtőközeg szerint. Az energiatermelésben jelenleg a következő reaktortípusok 4 vannak használatban. (Egyéb reaktorfajták is léteznek, például a gyors tenyésztőreaktorok, amelyek hasadó elemeket hoznak létre nem hasadó elemekből): Könnyűvizes reaktorok. Ezekben a reaktorokban mind a moderátor, mind pedig a hűtőanyag könnyűvíz. Ez a kategória magában foglalja a nyomottvizes reaktorokat (PWR) és a forralóvizes reaktorokat (BWR). Nehézvizes (D 2 O) reaktorok. Ebben az esetben mind a moderátor, mind pedig a hűtőközeg nehézvíz. Például a CANDU Canada Deuterium Uranium reaktor is ehhez a kategóriához tartozik. Grafit moderátoros reaktorok. Ebbe a kategóriába két típus tartozik: a gázhűtéses reaktorok (GCR) és a vízhűtéses reaktorok. Magyarország, Paksi Atomerőmű 4 http://www.atomeromu.hu/index-e.htm
CEE Nuclear Az atomenergia Energy Outlook technológiája 19 19 2.6. A nukleáris üzemanyagciklus 4. ábra: A nukleáris üzemanyag ciklusának diagramja Átalakítás UF 6 -ra Dúsítás Alacsony (<0,7%) U-235 arány Átalakítás UO 2 -re 2 5%-os dúsítású U-235 Bányászat Feldolgozás Átalakítás UO 2 -re Üzemanyag-gyártás Újrafeldolgozás Felhasználás Hulladékkezelés A természetes urán egy speciális konverziós folyamat útján válik az erőművekben felhasználható üzemanyaggá. (lásd a 4. ábrát). A természetben az urán általában UO 2 vagy U 3 O 8 vegyület formájában található meg. Ezeknél a vegyületeknél az urán-235 izotóp aránya a teljes urántartalomban 0,71%, míg az urán többi része főleg urán-238 izotóp. Az urán-235 koncentrációját növelni kell ahhoz, hogy az atomerőművekben a szükséges láncreakció fenntartható legyen. Ezt a folyamatot dúsításnak nevezzük. Némelyik erőműnél például a nehézvizes reaktoroknál nem szükséges az urán dúsítása. Az uránérc a kibányászása után különböző átalakítási és finomítási lépéseken megy keresztül (őrlés, feldolgozás), amely egy sárga por -nak (yellow cake) nevezett anyagot eredményez. A yellow cake mintegy 70-90 %-ban U 3 O 8 -at tartalmaz. Nehézvizes reaktorok esetén a sárga port UO 2 -vé alakítják, majd üzemanyagot készítenek belőle. A dúsításhoz a sárga port speciálisan elő kell készíteni. A port a konverzió (átalakítás) során urán hexafluoriddá alakítják át (UF 6 ). Az UF 6 a dúsítás alapanyaga. A dúsítási eljárás során az UF 6 kb. 50 C-on, gáz formájában van jelen. A dúsítási fázisra csak olyan reaktoroknál van szükség, mint például a könnyűvizes reaktorok, amelyek dúsított uránnal működnek. A dúsítási szint attól függően különbözik, hogy milyen a reaktor típusa. Ebben a fázisban történik meg az U-235 és az U-238 részleges elkülönítése. A folyamat két különböző U-235 koncentrációjú anyagot hoz létre: az egyiknek az U-235 koncentrációja magasabb 0,71%-nál, a másiknak alacsonyabb. A könnyűvizes reaktorok (amelyek manapság a legáltalánosabban elterjedt reaktorok) általában olyan üzemanyaggal működnek, amelyeknek az U-235 szintje 3 és 5% között van. A dúsított (vagy dúsítatlan) urán vegyületet (UO 2 ) ezután üzemanyag pasztillákká kell alakítani. A pasztillák összetétele attól függ, hogy milyen típusú reaktorban használják fel őket.
20 20 Az atomenergia technológiája Az üzemelő reaktor aktív zónájában eltöltött idő során az üzemanyagban jelentős változások mennek végbe 5. A hasadóanyag (urán-235) mennyiségének csökkenésével párhuzamosan keletkeznek radioaktív atomok is. Ezáltal a reaktorból eltávolított üzemanyag aktivitása olyan nagy, hogy azt hűteni kell, máskülönben megolvadna a radioaktív bomlás során keletkezett hő miatt. Ezen kívül, az intenzív sugárzást el kell szigetelni a környezettől. Ezt a két feladatot egyidejűleg látja el a pihentető medence. Hozzávetőlegesen 5 éves pihentető medencében történő tárolás (hűtés) után az üzemanyag aktivitása olyan alacsony szintre csökken, hogy szállíthatóvá válik, és a további tároláshoz (amely akár 50 évig is folytatható) elegendő a léghűtés is. Az újrafeldolgozás azt jelenti, hogy a kiégett üzemanyagot feldolgozzák és a megmaradt urán-235-öt, illetve az üzemeltetés során keletkező új hasadóanyagokat (mint például a plutónium 239 vagy a plutónium 241) újból hasznosítják. Az elkülönített részt, amely hasadóanyagot tartalmaz, UO 2 -vé és PuO 2 -vé alakítják. Ebből a keverékből új üzemanyag (MOX) gyártható, ahogyan azt a korábbiakban ismertettük. A folyamat egésze igen veszélyes és bonyolult, mivel mérgező és nagy aktivitású anyagot kell kezelni, ezért a különböző lépések végrehajtása automatizált berendezésekkel és robot manipulátorokkal történik. A világban termelődő kiégett fűtőanyagnak egyelőre csak egy bizonyos hányadát dolgozzák fel és használják fel újra. Fontos megjegyezni, hogy a kiégett fűtőanyagot nem tekintik hulladéknak egészen addig, amíg a felhasználást (újrafeldolgozást) kizáró döntés meg nem születik. A nukleáris üzemanyagciklusból származó veszélyes hulladékok a következő kategóriákba sorolhatók: kis, közepes és nagy aktivitású hulladék, a másodpercenként elbomló magok számának függvényében:: Kis aktivitású hulladék, amely az üzemanyagciklus összes fázisában keletkezhet; Közepes aktivitású hulladék, amely a reaktor üzemeltetése és az újrafeldolgozás során jön létre; Nagy aktivitású hulladék, amely a következő típusú hulladékokat jelenti: a neutron besugárzás által aktivált reaktor szerkezetek, az újrafeldolgozásból származó hasadó termékek és maga a kiégett üzemanyag, amennyiben az nem minősül újra feldolgozhatónak. A nagy aktivitású hulladékot olyan módon kell átalakítani, hogy megoldható legyen a végső elhelyezése. Az ilyen típusú konverzió legszélesebb körben használt technológiája a vitrifikálás (üvegbe ágyazás). Ennek a folyamatnak a részeként a hulladékot először is kiizzítják, majd az eredményként kapott port keverik össze szilíciummal és egyéb oxidokkal, amelyeket aztán nagy hőmérsékleten üveggé alakítanak. Az üvegnek sok előnye van: hőálló, jól ellenáll a sugárzásnak és nem oldódik. Ez az üveg hulladék hordókba helyezhető, amelyek aztán a végleges hulladéktárolókba szállíthatók. 5 http://www.atomeromu.hu/index-e.htm
CEE Nuclear Az atomenergia Energy Outlook technológiája 21 21 France; Chargement réacteur Fotó: C. Pauquet Jelenleg nincsenek működő végleges lerakó telephelyek (szemben az ideiglenes tároló telephelyekkel), ahol az újrafeldolgozásra nem küldött kiégett üzemanyag, és az újrafeldolgozásból származó hulladék elhelyezhető 6. Jóllehet, a végleges elhelyezéssel kapcsolatos műszaki problémákat már megoldották, jelenleg nincsen sürgető műszaki indok arra, hogy ilyen létesítményeket hozzanak létre, mivel az ilyen hulladékok teljes térfogata viszonylag csekély. Továbbá, minél hosszabb ideig tárolják, annál könnyebben kezelhető a hulladék a radioaktivitás fokozatos csökkenése miatt. Ezen kívül van egy olyan megfontolás is, miszerint a kiégett üzemanyagtól felesleges megszabadulni, mivel az jelentős értéket képvisel, így biztosítani kell a megmaradt urán és plutónium hozzáférhetőségét azok későbbi újra feldolgozhatósága érdekében. Több ország is készít tanulmányokat, hogy meghatározzák a kiégett üzemanyag és az újrafeldolgozásból származó hulladék elhelyezésére alkalmas optimális megoldást. Az általános vélemény az, hogy a kiégett üzemanyagokat mély geológiai tárolókban kell elhelyezni, visszanyerhető módon, annak érdekében, hogy egy későbbi időpontban újrahasznosíthatóak legyenek. 6 http://world-nuclear.org/info/inf04.html
Az atomenergia CEE Nuclear iránti Energy kereslet Outlook alakulása 23 23 3. Az atomenergia iránti kereslet alakulása 3.1. Az energia iránti nemzetközi kereslet alakulása A Föld népességének folyamatos növekedése és a gazdasági növekedés a globális energiaigények folyamatos emelkedését vetítik előre. Jóllehet a növekedés mértékére adott szakértői becslések eltérnek, többségük egyetért abban, hogy az elkövetkező évtizedekben a globális energiafogyasztás jelentős mértékű megugrása várható (lásd az 5. ábrát). 5. ábra: A világ energiafogyasztásának előrejelzése, 2005 2030. Billiárd Btu (1Btu~0.3Wh) 700 600 500 400 300 200 Nem OECD országok OECD országok 100 0 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Forrás: http://www.sia.doe.gow/olaf/s...html Az energiapiac az elmúlt években számos jelentős változáson ment keresztül. A nyersanyagok és a villamos energia ára számottevően ingadozott, félelmek alakultak ki az ellátásbiztonságot illetően, és a környezetvédelmi fenntarthatóság a közvélemény figyelmének középpontjába került. A fentiek figyelembevételével az energiatermelés a jövőben valószínűleg olyan primer energiaforrások felhasználása felé tolódik el, amelyek leginkább képesek megfelelni a következő kritériumoknak: Gazdaságilag versenyképes Környezetvédelmi szempontból biztosítja a fenntarthatóságot Ellátási lánca biztonságos Magyarország, Paksi Atomerőmű
24 Az atomenergia iránti kereslet alakulása Sweden; SKB Nucear Power Plant; A Nemzetközi Energia Ügynökség (IEA) által 2003-ban készített tanulmány elméleti forgatókönyveket állított fel a mind gazdaságilag, mind pedig környezetvédelmi szempontból kívánatos energiaforrás-szerkezetre vonatkozóan. Az eredményt a 6. ábra mutatja: 6. ábra: A kívánt elsődleges globális energiaforrások elméleti megoszlása (IEA) Exa-Joule (10^18 J) 1,200 1,000 800 600 400 200 Szén Olaj Gáz Atomenergia Biomassza Egyéb megújuló energiaforrások 0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 Forrás: http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2000/2050_2003.pdf
Az atomenergia CEE Nuclear iránti Energy kereslet Outlook alakulása 25 25 Sweden; SKB Nucear Power Plant; Fotó: Curt-Robert Lindqvist A fenntarthatósági célok kielégítésére az energetikai szektornak reálisan olyan energiaforrások használata felé kell elmozdulnia, amelyeknek alacsony a széndioxid kibocsátása. Az atomenergia eleget tesz ennek a követelménynek. Az IEA jelentés alapján az atomenergia részarányának több mint triplájára kell emelkednie a 2010-től 2030-ig terjedő időszakban (lásd a 6. ábrát). A Nemzetközi Nukleáris Társaság (WNA) 7 a jövőbeli nukleáris energiatermelés növekedésének előrejelzése során ennél konzervatívabb becslést készített, ahogyan azt a 7. ábra mutatja. (A WNA a magán szektor olyan globális szervezete, amelynek törekvései közé tartozik az atomenergia, mint az elkövetkező évszázadokban alkalmazható, fenntartható energiaforrás békés nemzetközi felhasználásának előmozdítása.) 7. ábra: A világ atomenergia kapacitása 2030-ig (WNA) nettó GWe 800 700 600 500 400 300 Alacsony forgatókönyv Referencia forgatókönyv Magas forgatókönyv 200 100 0 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017 2019 2021 2023 2027 2029 Forrás: http://www.aph.gov.au/house/committee/isr/uranium/report/chapter2.pdf 7 http://www.world-nuclear.org/about/objectives.html?ekmensel=185bf1b1_12_0_72_1